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Die
Erfindung betrifft eine Energieversorgung. Genauer betreffen einige
Ausführungsformen der
Erfindung ein Modusübergangsschema
für einen lastadaptiven
Energiewandler.
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HINTERGRUND UND VERWANDTES
GEBIET
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Der
Energieverlust bei einem Gleichspannungs (DC-DC)-Spannungsregulator
(VR – Voltage Regulator)
oder einem Schaltmodus-Energiewandler/Invertierer (z. B. einem pulsbreitenmodulierten Energiewandler)
kann drei Komponenten umfassen, einschließlich beispielsweise Schaltverlust,
Leitungsverlust und Gattertreiberverlust. Im allgemeinen, um den
gesamten Energieverlust zu verringern, sind der Schaltverlust und
der Gattertreiberverlust bei einer geringeren Schaltfrequenz kleiner.
Jedoch kann die Brummspannung/der Brummstrom anwachsen, wenn die
Schaltfrequenz abnimmt. Für
eine bestimmte Anwendung können
Kompromisse basierend auf Lastachfragen und Störeffekten von Komponenten getroffen
werden. Bei einer geringen Last, zum Beispiel während eines diskontinuierlichen
Leitungsmodus (DCM – Discontinuous
Conduction Mode) kann eine geringere Schaltfrequenz (fest oder variabel)
verwendet werden, da der Schaltverlust dominant sein kann und der
Leitungsverlust relativ klein sein kann. Bei einer mittleren oder
starken Last, zum Beispiel während
eines kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM – Continuous Conduction Mode)
kann eine feste und höhere
Schaltfrequenz angelegt werden, aufgrund eines mit einem Laststrom
zunehmenden Leitungsverlustes, einschließlich der Brummspannung/dem
Brummstrom.
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Verschiedene
Techniken können
sowohl DCM als auch CCM verwenden, um den Gesamtwirkungsgrad zu
verbessern. Bei einer Modus-Sprungtechnik arbeitet zum Beispiel
der Gleichstrom-Gleichstrom-Abwärts-VR
bei einer hohen Lastnachfrage in einem Synchronmodus mit CCM (Kontinuierlicher Leitungsmodus),
während
der Induktorstrom nicht unter Null sinkt und in einem asynchronen
Modus im DCM (Diskontinuierlichen Leitungsmodus), wenn der Induktorstrom
beginnt, sich an den Punkt bei Null Ampere anzunähern, um hauptsächlich Leitungsverluste
zu verringern. Bei einer Technik mit Pulsüberspringen oder variabler
Schaltfrequenz wird die Schaltfrequenz des VR abgesenkt, wenn die
Last kleiner wird, um hauptsächlich
Schaltverluste zu verringern, und kann implementiert werden, indem
Hysteresesteuerung oder PWM-Steuerung bei variabler Frequenz verwendet
wird.
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Beide
Techniken führen
zu einer Leistungsverbesserung insbesondere bei geringer Last. Ein Problem
sowohl bei der Modus-Sprung- als auch bei der Puls-Überspringtechnik
ist, daß die
Brummspannung am Ausgang während
eines Übergangs
zwischen dem CCM- und dem DCM-Betrieb ansteigen kann, was bei manchen
Anwendungen eine maximale Abweichung bei der Versorgungsspannung,
die von der Last gefordert wird, überschreiten und den Verlust
aufgrund des äquivalenten
Reihenwiderstandes (ESR – Equivalent
Series Resistance) erhöhen kann.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Verschiedene
Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
deutlich, die in den beigefügten Zeichnungen
veranschaulicht sind, bei denen gleiche Bezugsziffern sich im allgemeinen
in den Zeichnungen auf die gleichen Teile beziehen. Die Zeichnungen sind
nicht notwendig maßstabsgetreu,
wobei der Schwerpunkt statt dessen darauf gelegt wird, die Grundsätze der
Erfindung zu veranschaulichen.
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1 ist
ein Blockschaubild eines lastadaptiven Energiewandlers gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindung.
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2 ist
ein Blockschaubild eines Systems, das einen lastadaptiven Energiewandler
gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindung umfaßt.
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3 ist
eine graphische Vergleichsdarstellung der Schaltfrequenz gegen den
Laststrom bei einigen Ausführungsformen
der Erfindung.
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4 ist
eine graphische Darstellung der Schaltfrequenz gegen den Laststrom
gemäß einigen Ausführungsformen
der Erfindung.
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5 ist
eine graphische Darstellung der Ausgangsbrummspannung in Prozent
gegen den Laststrom gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindung.
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6 ist
eine graphische Darstellung des Gesamtwirkungsgrades in Prozent
gegen den Laststrom gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindung.
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7 ist
eine Blockschaubild einer PWM-Schaltung gemäß einigen Ausführungsformen der
Erfindung.
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8 ist
ein schematisches Schaubild einer Steuerschaltung gemäß einigen
Ausführungsformen der
Erfindung.
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9 ist
eine graphische Vergleichsdarstellung der Schaltfrequenz gegen den
Laststrom gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindung.
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10 ist
eine graphische Vergleichsdarstellung der Ausgangsbrummspannung
in Prozent gegen den Laststrom gemäß einigen Ausführungsformen
der Erfindung.
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11 ist
eine graphische Vergleichsdarstellung des Gesamtwirkungsgrades in
Prozent gegen den Laststrom gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindung.
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12 ist
ein Ablaufdiagramm gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindung.
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BESCHREIBUNG
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In
der folgenden Beschreibung sind zum Zwecke der Erläuterung
und nicht der Beschränkung bestimmte
Einzelheiten aufgeführt,
so wie besondere Strukturen, Architekturen, Schnittstel len, Techniken usw.,
um für
ein gründliches
Verständnis
der verschiedenen Aspekte der Erfindung zu sorgen. Es wird jedoch
den Fachleuten, die den Nutzen aus der vorliegenden Offenbarung
ziehen, deutlich, daß die verschiedenen
Aspekte der Erfindung mit anderen Beispielen in die Praxis umgesetzt
werden können, die
von diesen bestimmten Einzelheiten abweichen. In bestimmten Fällen ist
die Beschreibung gut bekannter Einheiten, Schaltungen und Verfahren
weggelassen, um die Beschreibung der vorliegenden Erfindung durch
unnötige
Einzelheiten nicht zu verschleiern.
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Mit
Bezug auf die 1 umfaßt ein lastadaptiver Energiewandler 10 einen
Schaltmodus-Energiewandler 11 mit
einem Eingang 12 und einem Ausgang 13. Zum Beispiel
kann der Schaltmodus-Energiewandler 11 so konfiguriert
sein, daß er
einen Übergang
zwischen einem kontinuierlichen Leitungsmodus bei einem ersten Lastpegel
und einem diskontinuierlichen Leitungsmodus bei einem zweiten Lastpegel
durchführt,
wobei der zweite Lastpegel geringer ist als der erste Lastpegel.
Eine Steuerschaltung 14 kann mit dem Schaltmodus-Energiewandler 11 verbunden
sein. Zum Beispiel kann die Steuerschaltung 14 so konfiguriert
sein, daß sie
die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers 11 während des Übergangs
zwischen dem kontinuierlichen Leitungsmodus und dem diskontinuierlichen
Leitungsmodus im Einklang mit dem Halten einer geringen Spannungsabweichung
zwischen dem Ausgang 13 des Schaltmodus-Energiewandlers 11 und
einer Referenzspannung anpaßt.
Zum Beispiel kann der Schaltmodus-Energiewandler 11 ein
pulsbreitenmodulierter (PWM) Energiewandler sein. Das Anpassen der
Schaltfrequenz eines Schaltmodus-Energiewandlers, um wenig Brumm-
und/oder Spannungsabweichung einzuhalten, kann als Pulsschiebe (PSL – Pulse
Sliding)-Technik bezeichnet werden. Demgemäß kann die Steuerschaltung 14 als
eine Steuerschaltung 14 mit PSL bezeichnet werden.
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Zum
Beispiel kann bei manchen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung die Steuerschaltung 14 so konfiguriert
werden, daß sie
die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers 11 während des Übergangs
zwischen dem kontinuierlichen Leitungsmodus und dem diskontinuierlichen Leitungsmodus
erhöht,
so daß sie
höher als
eine stationäre
Schaltfrequenz während
des kontinuierlichen Leitungsmodus ist (z. B. um den Brumm zu verringern).
Das Anwachsen der Schaltfrequenz kann wesentlich sein (z. B. wenigstens
ungefähr
fünf Prozent) oder
sogar sehr wesentlich (z. B. wenigstens ungefähr fünfundzwanzig Prozent). Bei
manchen Ausführungsformen
kann die Steuerschaltung 14 weiter so konfiguriert sein,
daß sie
die Schaltfrequenz des Energiewandlers 11 nach dem Erhöhen der
Schaltfrequenz und des Schaltmodus-Energiewandlers 11 während des Übergangsbereiches
zwischen CCM und DCM erniedrigt und umgekehrt. Zum Beispiel kann
die Steuerschaltung 14 so konfiguriert sein, daß sie die
Schaltfrequenz des Energiewandlers 11 stufenweise, in einer
linearen Weise, einer nichtlinearen Weise, stückweise oder in einer kontinuierlich
angepaßten
Weise einstellt. Dies kann durchgeführt werden, indem zum Beispiel
der Ausgangsbrumm verfolgt wird, um ihn innerhalb eines bestimmten
Bereichs zu halten, wenn der Laststrom um den Punkt des CCM und
DCM liegt.
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Mit
Bezug auf 2 umfaßt ein elektronisches System 20 eine
Lastschaltung 21 (die z. B. einen Prozessor umfaßt) und
eine Energieversorgungseinheit 22, die mit der Lastschaltung 21 verbunden
ist. Die Energieversorgungseinheit 22 umfaßt einen
Schaltmodus-Energiewandler mit PSL. Zum Beispiel umfaßt gemäß einigen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung die Energieversorgungseinheit 22 einen
Schaltmodus-Energiewandler mit einem Eingang und einem Ausgang,
wobei der Schaltmodus-Energiewandler so konfiguriert ist, daß er einen Übergang
zwischen einem kontinuierlichen Leitungsmodus bei einem ersten Lastpegel
und einem diskontinuierlichen Leitungsmodus an einem zweiten Lastpegel
durchführt,
wobei der zweite Lastpegel niedriger ist als der erste Lastpegel.
Die Energieversorgungseinheit 22 kann weiter eine Steuerschaltung
umfassen, die mit dem Schaltmodus-Energiewandler verbunden ist,
wobei die Steuerschaltung so konfiguriert ist, daß sie die
Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers während des Übergangs zwischen dem kontinuierlichen
Leitungsmodus und dem diskontinuierlichen Leitungsmodus anpaßt, um entsprechend
eine geringe Spannungsabweichung in bezug auf eine Referenzspannung
beizubehalten. Vorteilhaft kann ein hoher Wirkungsgrad bei leichter
Last gehalten werden, während
der Spannungsbrumm oder die Spannungsabweichung innerhalb eines
bestimmten Bereiches belassen wird. Zum Beispiel kann der Schaltmodus-Energiewandler ein
PWM-Energiewandler sein.
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Zum
Beispiel kann das System 20 ein persönlicher digitaler Assistent
(PDA – Personal
Digital Assistant), ein Mobiltelefon, ein tragbares Unterhaltungsgerät (z. B.
ein MP3-Player oder ein Videoabspielgerät) oder ein anderes mobiles
oder tragbares Gerät
sein, das mit einer Batterie oder einer anderen beschränkten Quelle
für Energie
versorgt wird. Das System 20 kann auch ein Desktop- oder
ein Set-Top-Gerät
sein, so wie zum Beispiel ein Personal Computer (PC), ein Unterhaltungs-PC,
der einen AC/DC-Energiewandler umfaßt. Das System 20 kann auch
irgendein Rechen-, Kommunikations- oder anderes Elektroniksystem
sein, das einen DC/DC-Spannungsregulator verwendet.
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Bei
manchen Ausführungsformen
des Systems 20 kann die Steuerschaltung der Energieversorgungseinheit 22 so
konfiguriert sein, daß sie
die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers während des Übergangs zwischen dem kontinuierlichen
Leitungsmodus und der diskontinuierlichen Leitung so erhöht, daß sie höher ist
als eine stationäre Schaltfrequenz
während
des kontinuierlichen Leitungsmodus (z. B. um den Brumm zu verringern). Das
Erhöhen
der Schaltfrequenz kann wesentlich (z. B. wenigstens ungefähr fünf Prozent)
oder sogar sehr wesentlich (z. B. wenigstens ungefähr fünfundzwanzig
Prozent) sein. Bei manchen Ausführungsformen des
Systems 20 kann die Steuerschaltung der Energieversorgungseinheit 22 weiter
so konfiguriert sein, daß sie
die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers nach dem Erhöhen der
Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers absenkt. Zum Beispiel
kann die Steuerschaltung so konfiguriert sein, daß sie die
Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers
stufenweise oder auf andere geeignete Weise (z. B. auf eine im wesentlichen
kontinuierlich angepaßte
Weise) einstellt.
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Ohne
daß man
auf die betriebliche Theorie beschränkt ist, können einige Ausführungsformen der
vorliegenden Erfindung ein Steuerschema umfassen, welches den wirksamen
und effizienten Übergang
zwischen den Betriebsmodi für
einen lastadaptiven Energiewandler oder einen DC/DC-Spannungsregulator
ermöglicht.
Zum Zwecke des Energiesparens können
bei der Gestaltung eines Wandlers unterschiedliche Betriebsmodi
oder -zustände
eingesetzt werden, basierend auf Anforderungen bezüglich der
Leistungsfähigkeit.
Obwohl jedoch statisches Verhalten bei jedem Betriebsmodus oft gut
verwaltet wird, wird vermutet, daß Brumm und der damit verbundene
Energieverlust während
des Übergangs zwischen
den Modi bei manchen Anwendungen ein Problem darstellen kann.
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Gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindung ist eine Steuerschaltung so konfiguriert, daß sie den
Modusübergang
zwischen einem kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM) und einem diskontinuierlichen
Leitungsmodus (DCM) verwaltet. Zum Beispiel kann die Steuerschaltung
einen dritten Betriebsmodus (z. B. einen Übergangsmodus) mit nichtlinearen
variablen Frequenzen einführen
oder die Schaltfrequenz des PWM-Wandlers während des Übergangs von CCM nach DCM wesentlich
erhöhen/senken,
wobei der Energieverlust und wesentlicher Brumm und/oder weitere Überschießwirkungen verringert
oder minimiert werden. Zum Beispiel kann die Steuerschaltung die
Schaltfrequenz während
des Übergangs
zwischen dem CCM- und dem DCM-Modus anpassen, um die Energieverluste
zu verringern, wobei wenig Brumm beibehalten wird. Zum Beispiel wird
dieses bei manchen Ausführungsformen
bewerkstelligt, indem die Schaltfrequenz beim Modusübergang
erhöht
wird, so daß sie
größer ist
als die stationäre
Schaltfrequenz im CCM-Modus, und sie dann gesenkt wird, anstatt
die Schaltfrequenz beim Modusübergang
nur nach und nach zu erhöhen
oder zu senken.
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Der
Brumm während
des DCM-Betriebs kann sich im Vergleich zu dem Brumm während des CCM-Betriebs
unterschiedlich verhalten, und der Brumm kann sich auch im Übergangsbereich
von CCM-DCM unterschiedlich und nichtlinear verhalten. Unsere Analyse
zeigt, daß die
Größe des Brumms während des
DCM-CCM-Übergangs
viel höher
sein kann, wenn die Schaltfrequenz eines PWM-Wandlers nach und nach
(z. B. linear oder nach und nach stufenweise) auf die stationäre Schaltfrequenz
für den CCM-Betriebsmodus
anwächst. Ähnlich zeigt
unsere Analsyse, daß die
Größe des Brumm
während
des CCM-DCM-Übergangs
viel höher
sein kann, wenn die Schaltfrequenz eines PWM-Wandlers nach und nach
(z. B. linear oder nach und nach stufenweise) auf die verringerte
Schaltfrequenz für
den DCM-Betriebsmodus abnimmt. In beiden Fällen kann der Energieverlust
aufgrund des Brumms während
des Übergangs
wesentlich sein.
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Mit
Bezug auf die 3 vergleicht eine graphische
Vergleichsdarstellung den Betrieb eines herkömmlichen PWM-Energiewandlers
mit variabler Frequenz mit einem PWM-Energiewandler mit PSL gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindung. Die Y-Achse der graphischen Darstellung entspricht einer
nominalen Schaltfrequenz und die X-Achse entspricht einem nominalen
Laststrom. Die dünnere durchgezogene
Linie entspricht dem herkömmlichen Betrieb,
während
die dickere gestrichelte Linie der PSL-Technik gemäß einigen
Ausführungsformen
entspricht. In bezug auf die PSL-Technik gibt es drei Betriebsmodi,
die in dem Graphen dargestellt sind. Nämlich einen CCM-Modus 31,
einen DCM-Modus 32 und einen Übergangsmodus 33.
Die herkömmliche
Technik liefert keine bestimmten Betrachtungen während des Übergangsmodus 33,
sondern erhöht oder
erniedrigt einfach die Schaltfrequenz im wesentlichen linear (stufenweise)
zwischen dem DCM- und dem CCM-Betriebsmodus.
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Bei
der veranschaulichten PSL-Technik kann in bezug auf einen Übergang
von dem CCM-Modus 31 zu
dem DCM-Modus 32 der Energiewandler mit PSL während des
CCM-Modus 31 (z. B. bei hohen Lasten) bei einer festen,
nominalen Schaltfrequenz arbeiten. Wenn der Laststrom auf einen
Punkt sinkt, bei dem ein Übergang
in den DCM-Modus 32 angezeigt ist, (z. B. für eine geringere
Last) und abhängig von
einer Größe des Brumm,
die an dem Ausgang überwacht
wird, kann die Schaltfrequenz anfangs in dem CCM-DCM-Übergangsbereich
(z. B. dem Übergangsmodus 33)
angehoben werden, so daß sie
höher ist
als die stationäre
Schalt frequenz des CCM-Modus, um eine geringe Spannungsabweichung
in bezug auf eine Referenzspannung einzuhalten. Im Übergangsmodus 33 kann
der Brumm überwacht
werden und die Schaltfrequenz kann angepaßt werden, um den Brumm unterhalb
eines akzeptablen Schwellenwertes zu halten. Wenn der Laststrom
weiter absinkt (z. B. auf eine sehr geringe Last), kann der Brumm
verringert werden und die Schaltfrequenz kann wesentlich abgesenkt
werden (z. B. um einen wesentlichen nicht linearen Betrag kleiner
als die stationäre
Schaltfrequenz im CCM-Modus).
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Wie
es in der 3 zu sehen ist, ist ein anfängliches
stufenweises Anwachsen der Schaltfrequenz, wenn von dem CCM-Modus
in den DCM-Modus übergegangen
wird, wesentlich (z. B. wenigstens fünf Prozent höher als
die stationäre
Schaltfrequenz des CCM-Modus). Ein zweites stufenweises Anwachsen
der Schaltfrequenz, wenn von dem CCM-Modus in den DCM-Modus übergegangen wird,
ist sehr wesentlich (z. B. wenigstens fünfundzwanzig Prozent höher als
die stationäre
Schaltfrequenz des CCM-Modus). Die Größe des Anwachsens und die Anzahl
der Stufen bei der Zunahme der Schaltfrequenz kann von Parameter
und von der Gestaltung des Energiewandlers abhängen und kann auch von dem
maximal erlaubten Brumm abhängen. Das
Anwachsen der Schaltfrequenz während
des Übergangs
kann zu einigen zusätzlichen
Schaltverlusten während
des Übergangsmodus 33 führen, kann
jedoch auch Leitungsverluste sparen. Vorteilhaft kann die PSL-Technik
während
des Übergangs zwischen
dem DCM- und dem CCM-Modus zu einer guten Gesamtleistung mit weniger
Brumm führen.
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Mit
Bezug auf die 4–6 bestätigen Simulationsergebnisse,
daß das
Anpassen der Schaltfrequenz eines PWM-Energiewandlers, um den Brumm
während
des Übergangs
zwischen dem DCM- und dem CCM-Modus niedrig zu halten, für einen
guten Gesamtwirkungsgrad sorgt, wobei der Brumm niedrig gehalten
wird (mit damit verknüpften verringerten
Energieverlusten). Weniger Brumm kann für einige integrierte Schaltungen
mit niedriger Spannung nützlich
oder erforderlich sein, die gegen Brummspannung/Spannungsabweichung
empfindlich sind. 4 zeigt eine im wesentlichen
kontinuierliche Anpassung zwischen den unter schiedlichen Schaltfrequenzen
(z. B. im wesentlichen lineare Anpassungen zwischen den Punkten
der graphischen Darstellung). Vorteilhaft kann bei einigen Ausführungsformen
eines PWM-Energiewandlers mit PSL geringer Brumm/wenig Abweichung
ohne zusätzliche Kondensatoren
eingehalten werden. Ein effizienter Betrieb ohne die zusätzlichen
Kondensatoren kann wichtig sein, um die Kosten und Größe der Schaltung zu
verringern, insbesondere wenn der Spannungsregulator Teil einer
integrierten Schaltung ist.
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Mit
Bezug auf die 7 und 8 umfaßt eine
nicht beschränkende
beispielhafte Implementierung für
eine beispielhafte PSL-Technik eine PWM-Schaltung 70 und
eine Steuerschaltung 80. Die PWM-Schaltung 70 umfaßt einen
PWM-Generator 71, der zwei Signale, SLi und
SHi, zur Verfügung stellt, die synchrone
komplementäre
PWM-Steuersignale sind. Ein PWM-Kompensator 72 empfängt die Ausgangsspannung
Vo und eine Referenzspannung VRF und
stellt dem PWM-Generator 71 ein Fehlersignal VE zur
Verfügung.
Eine Verstärkerschaltung 73 empfängt das
Fehlersignal VE und stellt einem spannungsgesteuerten
Oszillator (VCO – Voltage
Controlled Oscillator) 74 ein Fehlersignal (β·VE) des PWM-Kompensators zur Verfügung. Der
Ausgang des VCO 74 wird als ein Synchronisationssignal (SYNC)
zurück
zu dem PWM-Generator 71 gespeist.
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Die
Signale SLi und SHi,
die von dem PWM-Generator 71 erzeugt werden, werden die Schaltfrequenz
des VR sowohl im CCM- als auch im DCM-Modus steuern. Die Frequenz
des PWM-Generators wird von einem Synchronisationssignal SYNC gesteuert,
das von der Eingangsspannung des VCO 74 geliefert wird,
welche über
die Schaltfrequenz entscheidet. Die Eingangsspannung des VCO 74 wird durch
ein Spannungssignal proportional zu dem Fehlersignal (β·VE) des PWM-Kondensators gesteuert. Man bemerke,
daß β·VE proportional zu dem Arbeitszyklus ist,
das mit einem großen
Wert am Übergangsbereich
von CCM zu DCM beginnt und schnell abfällt, wenn der VR tiefer in
den DCM-Modus geht, was verwendet werden kann, um im Übergangsmodus
eine höhere
Schaltfrequenz und tiefer in dem DCM-Modus eine niedrigere Schaltfrequenz
zu erzwingen, was eine verbesserte Wirksamkeit bei leichter Last
bietet, wobei ein geringes stationäres Brummen und gute dynamische
Leistung beibehalten werden. Die Eingangsspannung des VCO kann auch
von anderen Signalen als β·VE gesteuert werden, so wie dem Laststrom
und Spannungsbrummsignalen, um das erforderliche PSL zu erreichen.
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Mit
Bezug auf die 8 liefert die Steuerschaltung 80 zwei
Signale, SLF und SHF,
die die PWM-Steuersignale sind, welche den Energiewandler treiben,
zum Beispiel einen Abwärts (Buck)-Wandler
VR mit High-side- bzw. Low-side-Schaltern. Der Induktorstrom iL(t) wird abgefühlt, um zu erfassen, wann der
Induktorstrom versucht, unterhalb von Null zu gehen, von einem Komparator CMP1,
dessen Ausgang auf Hoch gehen wird und der die Sperre SR1 zurücksetzt,
um den DCM-Modus zu erzwingen, indem SLF auf
Null gezwungen wird. Die Sperre SR1 wird im nächsten Schaltzyklus von dem
ODER-Gatter wieder gesetzt. Die Sperre SR2 erzeugt das Steuersignal
SHF des High-side-Schalters. Die Sperre
SR2 wird von SHi gesetzt und durch die Ausgabe
eines UND-Gatters rückgesetzt,
die auf Hoch gehen wird, wenn sowohl die Ausgabe des CMP2 hoch ist
und die Sperre SR3 gesetzt ist.
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Die
Ausgabe des CMP2 wird auf Hoch gehen, wenn der Peak des Induktorstromes
einen vorbestimmten Schwellenwert (z. B. einen maximalen Wert VLmax-DCM) im DCM-Modus überschreitet, und die Sperre
SR3 wird nur gesetzt, wenn die Ausgabe des CMP1 hoch ist, was bedeutet,
daß der
gegenwärtige Modus
DCM ist. Daher wird die Grenze für
den Spitzenstrom nur im DCM-Modus aktiv, um einen bestimmten Brumm
der Ausgangsspannung zu halten. Die Sperre SR3 wird jedesmal zurückgesetzt,
wenn die Sperre SR1 von SLi oder von der
Ausgabe des UND-Gatters gesetzt wird. Dies geschieht, warm immer
die Sperre SR2 in dem DCM-Modus zurückgesetzt wird, um SHF zu zwingen, auf niedrig zu gehen, und
um zu verhindern, daß der
Spitzenstrom des Induktors die Grenze überschreitet, die Sperre SR1
gesetzt werden sollte, um für
einen Weg für
den Induktorstrom zu sorgen.
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In
dem Übergangsbereich
von DCM zu CCM wird der Wert VE anwachsen,
und somit wird die Schaltfrequenz zunehmen. Dies geschieht aufgrund der
Tatsache, daß der
CMP2 SHF AUS schalten/rücksetzen wird, früher als
der PWM-Kompensator 72 es befohlen hat, um den Spitzenstrom
des Induktors zu begrenzen, was dazu führen wird, daß ein Arbeitszyklus
kürzer
ist, als der, der benötigt
wird, um den Ausgangskondensator zu laden und um die Ausgangsspannung
zu halten, damit der PWM-Kompensator 72/Controller 80 gezwungen
wird, VE zu erhöhen, um einen längeren Arbeitszyklus
zu liefern.
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Vorteilhaft
implementieren die PWM-Schaltung 70 und die Steuerschaltung 80 eine
PSL-Technik, die
eine nichtlineare, variable Schaltfrequenz zur Verfügung stellt,
welche die Leistung des VR bei geringeren Lasten verbessern kann,
während
ein niedriges stationäres
Brummen bei leichten Lasten gehalten wird, ohne die Notwendigkeit,
größere Ausgangskapazität hinzuzufügen, und
weiter in der Lage, eine gute dynamische Leistung zu halten. Die
Fachleute werden verstehen, daß die 7 und 8 ein
Beispiel einer geeigneten Steuerschaltung veranschaulichen. Wenn
die Unterstützung
der vorliegenden Beschreibung gegeben ist, können die Fachleute einfach
weitere Schaltungen aufbauen, um eine PSL-Technik zu implementieren.
Geeignete PSL-Techniken können
mit diskreten Schaltungen und/oder digitalen Schaltungen mit geeigneter
Programmierung implementiert werden.
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Mit
Bezug auf die 9–11 sind
jeweilige Vergleiche von repräsentativen
Ergebnissen für unterschiedliche
Techniken gezeigt. In 9 sind die Änderungen in der Schaltfrequenz
bei unterschiedlichen Lastströmen
für eine
Puls-Überspring (PS)-Technik
(mit der gestrichelten Linie) und einer Puls-Schiebe (PSL)-Technik
(mit der durchgezogenen Linie) gezeigt. Wie es in 9 zu
sehen ist, erhöht/erniedrigt
die PS-Technik nach und nach die Schaltfrequenz während des Übergangs
zwischen dem CCM- und dem DCM-Modus in einer im wesentlichen linearen
Weise (und niemals höher
als der stationären
Schaltfrequenz des CCM-Modus). Im Gegensatz dazu kann während des Übergangs
zwischen dem CCM- und dem DCM-Modus die PSL-Technik die Schaltfrequenz
auf größer als
die stationäre
Schaltfrequenz des CCM-Modus
erhöhen.
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In 10 ist
ein repräsentativer
Prozentanteil Ausgangsbrumm für
eine Nur-CCM-Technik mit der gestrichelten Linie mit den ovalen
Datenpunkt-Markierern veranschaulicht. Ein repräsentativer Prozentanteil Ausgangsbrumm
für eine
MH (Modus-Sprung)-Technik ist durch die gestrichelte Linie mit den
rautenförmigen
Datenpunkt-Markierern veranschaulicht. Ein repräsentative Prozentanteil Ausgangsbrumm
für eine
kombinierte MH- und PS (Puls-Überspring)-Technik ist mit der
durchgezogenen Linie mit den rechtwinkligen Datenpunkt-Markierern
veranschaulicht. Ein repräsentativer
Prozentanteil Ausgangsbrumm für
eine kombinierte MH- und PSL
(Puls-Schiebe)-Technik gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindung ist mit der durchgezogenen Linie mit den dreieckigen
Datenpunkt-Markierern veranschaulicht. Wie man in der 10 sehen
kann, liefert die kombinierte MH- und PSL-Technik weniger Brummanteil
als die MH- oder die kombinierte MH- und PS-Technik während des Übergangs
zwischen dem DCM- und dem CCM-Modus.
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In 11 ist
ein repräsentativer
Prozentanteil für
die Gesamtleistung bei einer Nur-CCM-Technik durch die gestrichelte Linie
mit den ovalen Datenpunkt-Markierern veranschaulicht. Ein repräsentativer
Prozentanteil der Gesamtleistung für eine MH-Technik ist mit der
gestrichelten Linie mit den rautenförmigen Datenpunkt-Markierern
veranschaulicht. Ein repräsentativer
Prozentanteil der Gesamtleistung für eine kombinierte MH- und
PS-Technik ist mit der durchgezogenen Linie mit den rechtwinkligen Datenpunkt-Markierern
veranschaulicht. Ein repräsentativer
Prozentanteil der Gesamtleistung für kombiniertes MH und PSL gemäß einigen
Ausführungsformen
der Erfindung ist mit der durchgezogenen Linie mit den dreieckigen
Datenpunkt-Markierern veranschaulicht. Wie man in der 11 sehen
kann, liefert die kombinierte MH- und PSL-Technik eine gute Gesamtleistung
(besser als die MH- oder Nur-CCM-Technik
und ungefähr
dieselbe wie die kombinierte MH- und PS-Technik), sogar während des Übergangs
zwischen dem DCM- und dem CCM-Modus.
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Mit
Bezug auf 12 umfassen einige Ausführungsformen
der Erfindung das Betreiben eines Schaltmodus-Energiewandlers entweder
in einem kontinuierlichen Leitungsmodus oder in einem diskontinuierlichen
Leitungsmodus (z. B. am Block 120), das Überführen des
Schaltmodus-Energiewandlers zwischen dem kontinuierlichen Leitungsmodus
und dem diskontinuierlichen Leitungsmodus (z. B. am Block 121),
das Überwachen
eines Anteils an Brummrauschen während
des Übergangs
(z. B. am Block 122) und das Anpassen der Schaltfrequenz des
Schaltmodus-Energiewandlers während
des Übergangs,
um das Brummrauschen unterhalb eines bestimmten Schwellenwertes
zu halten (z. B. am Block 123).
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Bei
manchen Ausführungsformen
kann das Anpassen der Schaltfrequenz das Erhöhen der Schaltfrequenz des
Schaltmodus-Energiewandlers während
des Übergangs
umfassen, so daß sie
höher ist
als eine stationäre
Schaltfrequenz während
des kontinuierlichen Leitungsmodus (z. B. am Block 124). Zum
Beispiel kann die Schaltfrequenz wesentlich (z. B. wenigstens fünf Prozent
höher als
die stationäre Schaltfrequenz
des CCM-Modus) oder sehr wesentlich (z. B. wenigstens fünfundzwanzig
Prozent höher als
die stationäre
Schaltfrequenz des CCM-Modus) erhöht werden.
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Bei
manchen Ausführungsformen
kann das Anpassen der Schaltfrequenz weiter das Absenken der Schaltfrequenz
des Schaltmodus-Energiewandlers nach dem Erhöhen der Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers
umfassen (z. B. am Block 125). Zum Beispiel kann das Anpassen
der Schaltfrequenz das stufenweise Anpassen der Schaltfrequenz des
Schaltmodus-Energiewandlers umfassen (z. B. am Block 126).
Zum Beispiel kann das Anpassen der Schaltfrequenz das Anpassen der Schaltfrequenz
des Schaltmodus-Energiewandlers im wesentlichen kontinuierlich anpassend
umfassen (z. B. am Block 127).
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Die
voranstehenden und weitere Aspekte der Erfindung werden einzeln
und in Kombination erreicht. Die Erfindung sollte nicht so ausgelegt
werden, daß sie
zwei oder mehr solcher Aspekte erfordert, wenn es nicht ausdrücklich durch
einen bestimmten Anspruch gefordert ist.
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Darüberhinaus,
obwohl die Erfindung in Verbindung mit dem beschrieben worden ist,
was gegenwärtig
als die bevorzugten Beispiele angesehen wird, soll verstanden werden,
daß die
Erfindung nicht auf die offenbarten Beispiele beschränkt ist,
sondern im Gegenteil so gedacht ist, daß sie verschiedene Modifikationen
und äquivalente
Anordnungen abdeckt, die in dem Gedanken und Umfang der Erfindung
enthalten sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Ein
Schaltmodus-Energiewandler (11) hat einen Eingang (12)
und einen Ausgang (13). Der Schaltmodus-Energiewandler
kann so konfiguriert werden, daß er
zwischen einem kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM – Continuous
Conduction Mode) bei einem ersten Belastungspegel und einen diskontinuierlichen
Leitungsmodus (DCM – Discontinuous Conduction
Mode) an einem zweiten Belastungspegel übergeht, wobei der zweite Belastungspegel
geringer ist als der erste Belastungspegel. Eine Steuerschaltung
(14) kann mit dem Schaltmodus-Energiewandler (11) verbunden
sein, wobei die Steuerschaltung (14) so ausgelegt ist,
daß sie
die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers (11)
während
des Übergangs
zwischen dem kontinuierlichen Leitungsmodus und dem diskontinuierlichen
Leitungsmodus gemäß dem Einhalten
einer geringen Spannungsabweichung in bezug auf eine Referenzspannung
anpaßt.