DE112006002679T5

DE112006002679T5 - Verlustarmer Schaltmodus-Energiewandler, der sowohl im CCM als auch im DCM arbeitet

Info

Publication number: DE112006002679T5
Application number: DE112006002679T
Authority: DE
Inventors: Jaber Beaverton Qahouq; Lilly Portland Huang
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2005-10-07
Filing date: 2006-10-06
Publication date: 2008-08-21
Also published as: CN101283325B; WO2007044583A1; TW200733533A; CN101283325A; US20070080671A1; US7368897B2; TWI344745B

Abstract

Vorrichtung, die aufweist:
einen Schaltmodus-Energiewandler mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der Schaltmodus-Energiewandler so ausgestaltet ist, daß er einen Übergang zwischen einem kontinuierlichen Leistungsmodus an einem ersten Lastpegel und einem diskontinuierlichen Leitungsmodus an einem zweiten Lastpegel durchführt, wobei der zweite Lastpegel niedriger als der erste Lastpegel; und
eine Steuerschaltung, die mit dem Schaltmodus-Energiewandler verbunden ist, wobei die Steuerschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers während des Übergangs zwischen dem kontinuierlichen Leitungsmodus und dem diskontinuierlichen Leitungsmodus anpaßt, um entsprechend eine niedrige Spannungsabweichung in bezug auf eine Referenzspannung einzuhalten.

Description

Die Erfindung betrifft eine Energieversorgung. Genauer betreffen einige Ausführungsformen der Erfindung ein Modusübergangsschema für einen lastadaptiven Energiewandler.
HINTERGRUND UND VERWANDTES GEBIET
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.
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.
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.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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.
1 ist ein Blockschaubild eines lastadaptiven Energiewandlers gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
2 ist ein Blockschaubild eines Systems, das einen lastadaptiven Energiewandler gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung umfaßt.
3 ist eine graphische Vergleichsdarstellung der Schaltfrequenz gegen den Laststrom bei einigen Ausführungsformen der Erfindung.
4 ist eine graphische Darstellung der Schaltfrequenz gegen den Laststrom gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
5 ist eine graphische Darstellung der Ausgangsbrummspannung in Prozent gegen den Laststrom gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
6 ist eine graphische Darstellung des Gesamtwirkungsgrades in Prozent gegen den Laststrom gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
7 ist eine Blockschaubild einer PWM-Schaltung gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
8 ist ein schematisches Schaubild einer Steuerschaltung gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
9 ist eine graphische Vergleichsdarstellung der Schaltfrequenz gegen den Laststrom gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
10 ist eine graphische Vergleichsdarstellung der Ausgangsbrummspannung in Prozent gegen den Laststrom gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
11 ist eine graphische Vergleichsdarstellung des Gesamtwirkungsgrades in Prozent gegen den Laststrom gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
12 ist ein Ablaufdiagramm gemäß einigen Ausführungsformen der Erfindung.
BESCHREIBUNG
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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, S_Li und S_Hi, zur Verfügung stellt, die synchrone komplementäre PWM-Steuersignale sind. Ein PWM-Kompensator 72 empfängt die Ausgangsspannung V_o und eine Referenzspannung V_RF und stellt dem PWM-Generator 71 ein Fehlersignal V_E zur Verfügung. Eine Verstärkerschaltung 73 empfängt das Fehlersignal V_E und stellt einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO – Voltage Controlled Oscillator) 74 ein Fehlersignal (β·V_E) des PWM-Kompensators zur Verfügung. Der Ausgang des VCO 74 wird als ein Synchronisationssignal (SYNC) zurück zu dem PWM-Generator 71 gespeist.
Die Signale S_Li und S_Hi, 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·V_E) des PWM-Kondensators gesteuert. Man bemerke, daß β·V_E 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·V_E gesteuert werden, so wie dem Laststrom und Spannungsbrummsignalen, um das erforderliche PSL zu erreichen.
Mit Bezug auf die 8 liefert die Steuerschaltung 80 zwei Signale, S_LF und S_HF, 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 i_L(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 S_LF auf Null gezwungen wird. Die Sperre SR1 wird im nächsten Schaltzyklus von dem ODER-Gatter wieder gesetzt. Die Sperre SR2 erzeugt das Steuersignal S_HF des High-side-Schalters. Die Sperre SR2 wird von S_Hi 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.
Die Ausgabe des CMP2 wird auf Hoch gehen, wenn der Peak des Induktorstromes einen vorbestimmten Schwellenwert (z. B. einen maximalen Wert V_Lmax-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 S_Li oder von der Ausgabe des UND-Gatters gesetzt wird. Dies geschieht, warm immer die Sperre SR2 in dem DCM-Modus zurückgesetzt wird, um S_HF 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.
In dem Übergangsbereich von DCM zu CCM wird der Wert V_E anwachsen, und somit wird die Schaltfrequenz zunehmen. Dies geschieht aufgrund der Tatsache, daß der CMP2 S_HF 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, V_E zu erhöhen, um einen längeren Arbeitszyklus zu liefern.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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).
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.
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.
ZUSAMMENFASSUNG
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.

Claims

Vorrichtung, die aufweist: einen Schaltmodus-Energiewandler mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der Schaltmodus-Energiewandler so ausgestaltet ist, daß er einen Übergang zwischen einem kontinuierlichen Leistungsmodus an einem ersten Lastpegel und einem diskontinuierlichen Leitungsmodus an einem zweiten Lastpegel durchführt, wobei der zweite Lastpegel niedriger als der erste Lastpegel; und eine Steuerschaltung, die mit dem Schaltmodus-Energiewandler verbunden ist, wobei die Steuerschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers während des Übergangs zwischen dem kontinuierlichen Leitungsmodus und dem diskontinuierlichen Leitungsmodus anpaßt, um entsprechend eine niedrige Spannungsabweichung in bezug auf eine Referenzspannung einzuhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der der Schaltmodus-Energiewandler einen pulsbreitenmodulierten Energiewandler aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuerschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers während des Übergangs zwischen dem kontinuierlichen Leitungsmodus und dem diskontinuierlichen Leitungsmodus erhöht, so daß sie höher ist als eine stationäre Schaltfrequenz während des kontinuierlichen Leitungsmodus.
Vorrichtung nach Anspruch 3, bei der die Steuerschaltung weiter ausgestaltet ist, um die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers nach dem Erhöhen der Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers zu erniedrigen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Steuerschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers stufenweise anpaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, bei der die Steuerschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers in einer im wesentlichen kontinuierlich angepaßten Weise anpaßt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuerschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers während des Übergangs zwischen dem kontinuierlichen Leitungsmodus und dem diskontinuierlichen Leitungsmodus erhöht, so daß sie wenigstens fünf Prozent höher ist als die stationäre Schaltfrequenz während des kontinuierlichen Leitungsmodus.
Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der die Steuerschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers während des Übergangs zwischen dem kontinuierlichen Leitungsmodus und dem diskontinuierlichen Leitungsmodus erhöht, so daß sie wenigstens fünfundzwanzig Prozent höher ist als eine stationäre Schaltfrequenz während des kontinuierlichen Leitungsmodus.
Verfahren, das aufweist: Betreiben eines Schaltmodus-Energiewandlers entweder in einem kontinuierlichen Leitungsmodus oder in einem diskontinuierlichen Leitungsmodus; Überführen des Schaltmodus-Energiewandlers zwischen dem kontinuierlichen Leitungsmodus und dem diskontinuierlichen Leitungsmodus; Überwachen einer Größe an Brummrauschen während des Übergangs; und Anpassen der Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers während des Übergangs, um entsprechend das Brummrauschen unterhalb eines bestimmten Schwellenwerts zu halten.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der Schaltmodus-Energiewandler einen pulsbreitenmodulierten Energiewandler aufweist.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Anpassen der Schaltfrequenz aufweist: Erhöhen der Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers während des Übergangs, so daß sie höher ist als eine stationäre Schaltfrequenz während des kontinuierlichen Leitungsmodus.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem das Anpassen der Schaltfrequenz aufweist: Erniedrigen der Schaltfrequenz des pulsbreitenmodulierten Energiewandlers nach dem Erhöhen der Schaltfrequenz des pulsbreitenmodulierten Energiewandlers.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Anpassen der Schaltfrequenz aufweist: stufenweises Anpassen der Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem das Anpassen der Schaltfrequenz aufweist: Anpassen der Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers in einer im wesentlichen kontinuierlich angepaßten Weise.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Anpassen der Schaltfrequenz aufweist: Erhöhen der Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers während des Übergangs, so daß sie wenigstens fünf Prozent höher ist als eine stationäre Schaltfrequenz während des kontinuierlichen Leitungsmodus.
Verfahren nach Anspruch 9, bei dem das Anpassen der Schaltfrequenz aufweist: Erhöhen der Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers während des Übergangs, so daß sie wenigstens fünfundzwanzig Prozent höher ist als eine stationäre Schaltfrequenz während des kontinuierlichen Leitungsmodus.
System, das aufweist: eine Lastschaltung, die einen Prozessor umfaßt; und eine Energieversorgungseinheit, die mit der Lastschaltung verbunden ist, wobei die Energieversorgungseinheit aufweist: einen Schaltmodus-Energiewandler mit einem Eingang und einem Ausgang, wobei der Schaltmodus-Energiewandler so ausgestaltet ist, daß er einen Übergang zwischen einem kontinuierlichen Leistungsmodus an einem ersten Lastpegel und einem diskontinuierlichen Leitungsmodus an einem zweiten Lastpegel durchführt, wobei der zweite Lastpegel niedriger als der erste Lastpegel; und eine Steuerschaltung, die mit dem Schaltmodus-Energiewandler verbunden ist, wobei die Steuerschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Schaltfrequenz des Schaltmodus- Energiewandlers während des Übergangs zwischen dem kontinuierlichen Leitungsmodus und dem diskontinuierlichen Leitungsmodus einstellt, um entsprechend eine niedrige Spannungsabweichung in bezug auf eine Referenzspannung einzuhalten.
System nach Anspruch 17, bei dem der Schaltmodus-Energiewandler einen pulsbreitenmodulierten Energiewandler aufweist.
System nach Anspruch 17, bei dem die Steuerschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers während des Übergangs zwischen dem kontinuierlichen Leitungsmodus und dem diskontinuierlichen Leitungsmodus erhöht, so daß sie höher ist als eine stationäre Schaltfrequenz während des kontinuierlichen Leitungsmodus.
System nach Anspruch 19, bei dem die Steuerschaltung weiter ausgestaltet ist, um die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers nach dem Erhöhen der Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers zu erniedrigen.
System nach Anspruch 20, bei dem die Steuerschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers stufenweise anpaßt.
System nach Anspruch 20, bei dem die Steuerschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers in einer im wesentlichen kontinuierlich angepaßten Weise anpaßt.
System nach Anspruch 17, bei dem die Steuerschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers während des Übergangs zwischen dem kontinuierlichen Leitungsmodus und dem diskontinuierlichen Leitungsmodus erhöht, so daß sie wenigstens fünf Prozent höher ist als eine stationäre Schaltfrequenz während des kontinuierlichen Leitungsmodus.
System nach Anspruch 17, bei dem die Steuerschaltung so ausgelegt ist, daß sie die Schaltfrequenz des Schaltmodus-Energiewandlers während des Übergangs zwischen dem kontinuierlichen Leitungsmodus und dem diskontinuierlichen Leitungsmodus erhöht, so daß sie wenigstens fünfundzwanzig Prozent höher ist als eine stationäre Schaltfrequenz während des kontinuierlichen Leitungsmodus.