DE112019004590T5 - Steuerung von nicht-invertierenden buck-boost-wandlern mit vier schaltern und einer einzelnen induktivität - Google Patents

Steuerung von nicht-invertierenden buck-boost-wandlern mit vier schaltern und einer einzelnen induktivität Download PDF

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Abstract

Ein Leistungswandler weist eine Buck-Teilstreckenschaltung (206) auf, die zwischen einem Spannungseingang (VIN) des Leistungswandlers und Masse verbunden ist, eine Boost-Teilstreckenschaltung (208), die zwischen einem Spannungsausgang (VOUT) des Leistungswandlers und Masse verbunden ist, eine Induktivität (LSMPS), die zwischen dem Buck-Teilstreckenschaltung und der Boost-Teilstreckenschaltung verbunden ist, einen Fehlerverstärker, der ausgebildet ist, um den Spannungsausgang des Leistungswandlers mit einer Referenzspannung zu vergleichen, um ein Rückkopplungssignal zu erhalten, und eine Steuerschaltung. Die Steuerschaltung ist so ausgebildet, dass eine Referenz-Buck-Rampe erzeugt wird, die mit dem Rückkopplungssignal verglichen werden soll, um zu bestimmen, ob die Buck-Teilstreckenschaltung im Buck-Modus betrieben werden soll, und um durch Überlagern eines variablen Boost-Rampen-Teils auf die Referenz-Buck-Rampe eine Referenz-Boost-Rampe zu erzeugen, wobei die Referenz-Boost-Rampe ausgebildet ist, um mit dem Rückkopplungssignal verglichen zu werden, um zu bestimmen, ob die Boost-Teilstreckenschaltung im Boost-Modus betrieben werden soll.

Description

  • VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Die vorliegende Anmeldung beansprucht Vorrang gegenüber der U.S. Provisional Application No. 62/730,705 eingereicht 13. September 2018, deren Inhalt hiermit in seiner Gesamtheit einbezogen wird.
  • TECHNISCHES GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Verfahren und Systeme zur Leistungswandlung und insbesondere auf die Steuerung von nicht invertierenden Buck-Boost-Wandlern mit vier Schaltern und einer einzelnen Induktivität.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Buck-Boost-Wandler können eine Eingangs-Gleichstrom-Spannung (DC) in eine höhere oder niedrigere Ausgangs-DC-Spannung wandeln. Buck-Boost-Wandler können mit einer Buck- oder Step-Down-Funktionalität arbeiten, wobei Buck-Teilstrecken oder Unterschaltungen in Betrieb sind. Buck-Boost-Wandler können mit einer Boost- oder Step-up-Funktionalität arbeiten, wobei Boost-Teilstrecken oder Unterschaltungen in Betrieb sind. Darüber hinaus können Buck-Boost-Wandler mit einer Buck-Boost-Funktionalität arbeiten, wobei Buck-Teilstrecken und Boost-Teilstrecken gleichzeitig in Betrieb sind und der Wandler Gleichspannung in eine höhere oder niedrigere Spannung umwandeln kann. Buck-Boost-Wandler können mit einer invertierenden Topologie oder einer nicht invertierenden Topologie hergestellt werden. In einer invertierenden Topologie kann ein Buck-Boost-Wandler eine Ausgangsspannung erzeugen, die eine entgegengesetzte Polarität als die Eingangsspannung zum Buck-Boost-Wandler aufweist. In einer nicht-invertierenden Topologie kann ein Buck-Boost-Wandler eine Ausgangsspannung erzeugen, die die gleiche Polarität wie die Eingangsspannung zum Buck-Boost-Wandler aufweist.
  • Um einen Buck-Boost-Wandler zu realisieren, der mit Buck-, Boost- und Buck-Boost-Funktionalität arbeiten kann, kann der Buck-Boost-Wandler in einer Vier-Schalter-Topologie implementiert werden. Die Vier-Schalter-Topologie kann den Betrieb des Wandlers abwechselnd im Buck-, Boost- und Buck-Boost-Modus ermöglichen.
  • Der Übergang zwischen Buck-, Boost- und Buck-Boost-Funktionalität kann durch einen Ansatz mit erzwungenem Modus-Übergang ausgelöst oder gehandhabt werden. Dieser Ansatz nutzt Komparatoren für die Überwachung der Eingangsspannung und die Aufteilung des Eingangsspannungsbereichs in Zonen von der niedrigsten bis zur höchsten Eingangsspannung, jeweils einen für Boost-, Buck-Boost- und Buck-Betrieb. Wenn die Eingangsspannung einen anderen Bereich erreicht, können verschiedene Teile der Schaltung ein- und ausgeschaltet werden. Dieser Ansatz kann bei Übergängen zwischen Boost, Buck-Boost und Buck-Betrieb eine schlechte Ausgangsleistung aufweisen. Spannungsabfall und Spannungsüberschreitung treten auf, wenn der Wandler von einem Betriebszustand zum anderen übergeht.
  • Der Übergang zwischen Buck-, Boost- und Buck-Boost-Funktionalität kann durch einen automatischen Modusübergang mittels Spannungsmodussteuerung ausgelöst oder gehandhabt werden. Dieser Ansatz nutzt eine Offsetspannung, die zu einer Rampenspannung hinzugefügt wird, um zwei separate vordefinierte Spannungsrampen zu erzeugen. Die getrennten Rampenspannungen werden wiederum mit dem Ausgang eines Fehlerverstärkers verglichen. Der Fehlerverstärker vergleicht den Ausgang des Wandlers mit einem definierten Zielwert. Der Ausgang des Fehlerverstärkers kann Pulsweitenmodulationssignale (PWM) erzeugen. Dieser Ansatz ist jedoch auf spannungsmodigesteuerte Wandler beschränkt. Dies verursacht Nachteile, wie z. B. eine langsame Reaktion auf Änderungen der Last. Darüber hinaus wäre ein solcher Wandler mit kontinuierlicher Leitung im Hinblick auf die Kompensation des Wandlers unter allen Betriebsbedingungen schwer zu konstruieren, da der Ausgangskondensator und die Induktivität bereits ein System zweiter Ordnung bilden.
  • Ein anderer Ansatz kann automatischen Modusübergang mit Spitzenstromsteuerung aufweisen, der zwei Stromrampen verwendet und diese Rampen mit einem Ausgang eines Spannungsschleifenkompensators vergleicht, um PWM-Signale zu erzeugen. Eine der Stromrampen wird durch die Erfassung eines Induktivitätsstroms erzeugt und die andere Stromrampe wird durch Hinzufügen eines Sockelwerts zur ersten stromgebenden Rampe erzeugt. Dieser Ansatz weist Nachteile auf. Es ist sehr schwierig, eine geeignete Sockelwertspannung zu definieren, um eine perfekte Übereinstimmung zwischen den beiden Stromrampen mit einem Minimum an Überlappung und ohne Lücken zwischen den Rampen zu erreichen. Um eine korrekte Regelung aufrechtzuerhalten, sollte es vorzugsweise keine Lücke zwischen Buck- und Boost-Betriebsbereichen geben. Um dies zu gewährleisten, können sich beide Bereiche etwas überlappen, um mögliche Komponententoleranzen zu berücksichtigen. Überlappungen führen jedoch zu Effizienzeinbußen aufgrund erhöhter Schaltverluste im Buck-Boost-Bereich, da alle vier Schalter während eines Zyklus geschaltet werden. Daher sollten die Überlappungs- oder Buck-Boost-Bereiche vorzugsweise nicht größer als nötig sein. Aufgrund der nicht gegebenen Idealität von Bauteilen wie Kondensatoren und Induktivitäten gibt es Zeiten, in denen sich die Stromrampen überlappen, aber auch Zeiten, in denen sich die Stromrampen separieren. Je größer die Überlappung, desto mehr wird der Wandler in Buck-Boost-Betrieb arbeiten, wodurch die Effizienz verringert wird. Je größer die Trennung, desto mehr arbeitet der Wandler in einem Modus, in dem die Regelung nicht richtig funktioniert, wobei der Ausgang des Wandlers nicht regelt, sondern durch die Last des Wandlers definiert wird.
  • Ein weiterer Ansatz kann automatischen Modusübergang mit Durchschnittsstrom-Modus-Steuerung aufweisen. Dieser Ansatz verwendet zwei künstliche Stromrampen, die wiederum mit der Ausgabe eines Durchschnittsstrom-Schleifenkompensators verglichen werden, um PWM-Signale zu erzeugen. Wie beim automatischen Modusübergang mit Spitzenstrom-Modus-Steuerung wird eine Rampe auf eine andere Rampe überlagert. Dieser Ansatz kann jedoch ein kompliziertes Kompensationsnetzwerk erfordern. Bei der Ausrichtung auf große Arbeitsbereiche für Eingang, Ausgang und Last ist ein stabiler Betrieb des Wandlers unter allen Bedingungen sehr schwierig.
  • Die oben beschriebenen Nachteile verschiedener Wandler wurden von Erfindern von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung erkannt und identifiziert. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können Wandler mit automatischem Modusübergang ausstatten, der zumindest einige dieser identifizierten Probleme löst, wie z. B. schlechte Leistung zwischen Boost-, Buck-Boost- und Buck-Betrieb, langsame Reaktion auf Änderungen der Last des Wandlers, schwierige Durchführung der Kompensation unter verschiedenen Betriebsbedingungen, Fehlausrichtung der Stromrampen, ein kompliziertes Kompensationsnetzwerk und stabiler Betrieb über große Bereiche von Eingangs-, Ausgangs- und Lastwerten.
  • Die Erfinder von Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung haben erkannt, dass Buck-Boost-Wandler mit vier Schaltern und einer einzelnen Induktivität eine Herausforderung bei der Steuerung aufweisen. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weisen Verfahren und Schaltungen zur Steuerung eines Vierschalter-, Einzelinduktivitäts-Buck-Boost-Wandlers mit automatischem, nahtlosem und besserem Modusübergang auf, ohne die Wandlerleistung in Bezug auf Effizienz, Bandbreite, Eingangs-Ausgangsbereich usw. zu beeinträchtigen. Schlechter Modusübergang und schlechte Steuerungsverfahren beeinträchtigen die Wandlerleistung und schränken Anwendungen der Topologie ein. Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können Verbesserungen gegenüber bestehenden Steuerungstechniken aufweisen, wie z. B. bessere Leistung beim Modusübergang, bessere Regelschleife in den verschiedenen Betriebsarten, höhere Rauschunempfindlichkeit, sowohl nahtlose als auch automatische Modusübergänge, höhere Effizienz bei geringer Last und kann für Leistungswandlungsanwendungen mit großem Eingangs- und Ausgangsspannungsänderungen geeignet sein und sowohl Buck- als auch Boost-Funktionen benötigen.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können einen Leistungswandler aufweisen. Der Leistungswandler kann eine Buck-Teilstreckenschaltung, eine Boost-Teilstreckenschaltung und eine Induktivität zwischen der Buck-Teilstreckenschaltung und der Boost-Teilstreckenschaltung aufweisen. Die Buck-Teilstreckenschaltung und die Boost-Teilstreckenschaltung können jeweils zwei Schalter oder Transistoren aufweisen. Die Transistoren können von jeder geeigneten Marke oder Art sein, wie z. B. NMOS-Transistoren. Die Schalter oder Transistoren können in Reihe geschaltet werden. Die Buck-Teilstreckenschaltung und die Boost-Teilstreckenschaltung können jeweils Treiber, Logik und Ladepumpen aufweisen. Die Buck-Teilstreckenschaltung kann zwischen einem Spannungseingang des Leistungswandlers und Masse verbunden werden. Die Boost-Teilstreckenschaltung kann zwischen einem Spannungsausgang des Leistungswandlers und Masse verbunden werden. Der Boost-Teilstreckenschaltung und die Buck-Teilstreckenschaltung können über eine Induktivität verbunden werden. Die Boost-Teilstreckenschaltung und die Buck-Teilstreckenschaltung können an einem Mittelpunkt jeder Teilstreckenschaltung durch die Induktivität verbunden werden. Der Mittelpunkt an jeder der Teilstreckenschaltungen kann an einer Verbindungsstelle zwischen den jeweiligen Schaltern oder Transistoren der Teilstreckenschaltung liegen. Der Wandler kann einen Fehlerverstärker aufweisen, der so ausgebildet ist, dass der Spannungsausgang des Leistungswandlers mit einer Referenzspannung verglichen wird, um ein Rückkopplungssignal zu erhalten. Der Wandler kann einen Steuerschaltung aufweisen. Die Steuerschaltung kann den Fehlerverstärker aufweisen. Der Fehlerverstärker kann sich außerhalb Die Steuerschaltung befinden. Die Steuerschaltung kann so ausgebildet werden, dass eine Referenz-Buck-Rampe generiert wird. Die Referenz-Buck-Rampe kann so ausgebildet werden, dass sie mit dem Rückkopplungssignal verglichen wird, um zu bestimmen, ob die Buck-Teilstreckenschaltung im Buck-Modus betrieben werden soll. Die Steuerschaltung kann so ausgebildet werden, dass eine Referenz-Boost-Rampe erzeugt wird, indem ein variabler Boost-Rampenanteil auf die Referenz-Buck-Rampe überlagert wird. Die Referenz-Boost-Rampe kann so ausgebildet werden, dass sie mit dem Rückkopplungssignal verglichen wird, um zu bestimmen, ob die Boost-Teilstreckenschaltung im Boost-Modus betrieben werden soll.
  • In Kombination mit einer der oben genannten Ausführungsformen kann der Wandler weiterhin eine Burst-Modus-Schaltung aufweisen. Die Burst-Modus-Schaltung kann so ausgebildet werden, dass sie ein Signal an die Steuerschaltung sendet, um die Buck-Teilstreckenschaltung oder die Boost-Teilstreckenschaltung basierend auf der Feststellung, dass eine mit dem Leistungswandler verbundene Last einen Schwellenwert unterschritten hat, in einem Burst-Modus zu betreiben. In Kombination mit einer der oben genannten Ausführungsformen kann die Burst-Modus-Schaltung so ausgebildet werden, dass durch einen Vergleich des Rückkopplungssignals mit einer Referenzspannung festgestellt wird, ob die mit dem Leistungswandler verbundene Last einen Schwellenwert unterschritten wurde.
  • In Kombination mit einer der oben genannten Ausführungsformen kann der Wandler weiterhin eine Klemmschaltung aufweisen, die so ausgebildet ist, dass das Rückkopplungssignal auf zumindest einen Mindestwert geändert wird, basierend darauf, ob der Burst-Modus verwendet werden soll. In Kombination mit einer der oben genannten Ausführungsformen kann das modifizierte Rückkopplungssignal auf die Buck-Rampe und die Boost-Rampe aufgebracht werden, um eine geklemmte Buck-Rampe und eine geklemmte Boost-Rampe zu erhalten. In Kombination mit einer der oben genannten Ausführungsformen kann die Steuerschaltung so ausgebildet werden, dass sie basierend auf den geklemmten Buck- und Boost-Rampen Steuersignale an die Buck- und Boost-Teilstreckenschaltungen ausgibt.
  • In Kombination mit einer der oben genannten Ausführungsformen wird die Klemmschaltung weiterhin so ausgebildet, dass das Rückkopplungssignal basierend auf Spannungseingang und Spannungsausgang des Leistungswandlers geändert wird.
  • In Kombination mit einer der oben genannten Ausführungsformen kann die Klemmschaltung Schaltungen aufweisen, um eine Kurvenverlauf des modifizierten Rückkopplungssignals als Funktion des Spannungseingangs zu modellieren, um das modifizierte Rückkopplungssignal zu erzeugen. In Kombination mit einer der oben genannten Ausführungsformen kann die Klemmschaltung Schaltungen aufweisen, um ein Boost-Klemmsignal zu erzeugen, das auf einer Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung multipliziert mit einer Konstante basiert. Das Boost-Klemmsignal kann weiterhin auf einem abgetasteten Spitzenwert eines Kondensators basieren, der mit einer Stromquelle basierend auf der Eingangsspannung aufgeladen wird. Das Boost-Klemmsignal kann weiterhin auf einem Offset einer anderen Konstante basieren. In Kombination mit einer der oben genannten Ausführungsformen kann die Klemmschaltung Schaltungen aufweisen, um ein Buck-Klemmsignal basierend auf einer Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung zu erzeugen. Das Buck-Klemmsignal kann ein Offset sein, plus eine Konstante multipliziert mit Spannungseingang, plus eine andere Konstante multipliziert mit Spannungsausgang, wenn die Eingangsspannung ausreichend größer ist als die Ausgangsspannung, wie durch einen vorgegebenen Schwellenwert definiert. Das Buck-Klemmsignal kann ein Offset sein, plus eine Konstante multipliziert mit Spannungsausgang, wenn die Eingangsspannung nicht ausreichend größer ist als die Ausgangsspannung, wie durch einen vorgegebenen Schwellenwert definiert. Eines oder beide der Buck- und Boost-Klemmsignale können basierend auf dem Verhältnis von Eingangs- und Ausgangsspannungen als Ausgang der Klemmschaltung ausgewählt werden, und basierend darauf, ob der Wandler im Buck-, Boost- oder Buck-Boost-Modus laufen soll.
  • In Kombination mit einer der oben genannten Ausführungsformen kann der Wandler weiterhin einen Stromsensor aufweisen, der so ausgebildet ist, dass er Strom erfasst, der im Leistungswandler fließt. Die Steuerschaltung kann weiterhin ausgebildet werden, um die Referenz-Buck-Rampe basierend auf dem vom Stromsensor erfassten Strom zu erzeugen. Darüber hinaus kann die Steuerschaltung weiterhin so ausgebildet werden, dass die Referenz-Buck-Rampe basierend auf dem vom Stromsensor erfassten Strom erzeugt wird.
  • In Kombination mit einer der oben genannten Ausführungsformen kann der Stromsensor so ausgebildet werden, dass er Strom in der Boost-Teilstreckenschaltung erfasst.
  • In Kombination mit einer der oben genannten Ausführungsformen kann die Referenz-Boost-Rampe durch eine Stromrampengeneratorschaltung auf die Referenz-Buck-Rampe überlagert werden. Die Stromrampengeneratorschaltung kann so ausgebildet werden, dass die Referenz-Buck-Rampe erzeugt wird, indem ein Kondensator abgetastet wird, der für die Speicherung von Strom ausgebildet ist, der von einer Stromquelle erzeugt wird, die von der Eingangsspannung abhängig ist. Die Stromrampengeneratorschaltung kann weiterhin ausgebildet werden, um die Referenz-Buck-Rampe zu erzeugen, indem der erfasste Strom zu dem abgetasteten Kondensator hinzugefügt wird, der Strom speichert, der von der Stromquelle erzeugt wird, die von der Eingangsspannung abhängig ist. Die Stromrampengeneratorschaltung kann so ausgebildet werden, dass sie die Referenz-Boost-Rampe erzeugt, indem ein anderer Kondensator abgetastet wird, der ausgebildet ist, Strom zu speichern, der durch eine andere Stromquelle erzeugt wird, die von der Ausgangsspannung abhängig ist. Die Stromrampengeneratorschaltung kann weiterhin ausgebildet werden, um die Referenz-Boost-Rampe zu erzeugen, indem der abgetastete Kondensatorwert, der Strom speichert, der von einer anderen Stromquelle erzeugt wird, die von der Ausgangsspannung zur Referenz-Buck-Rampe abhängig ist.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können ein System aufweisen. Das System kann eine Spannungsquelle, eine Last und einen der Wandler der oben genannten Ausführungsformen aufweisen. Der Wandler kann die Spannungsquelle empfangen und der Last einen Spannungsausgang bereitstellen. Das System kann ein Netzteil, einen Mikrocontroller, einen Computer, einen Laptop, ein Smartphone oder ein anderes geeignetes elektronisches Gerät oder System aufweisen. Die Last kann jedes Subsystem, Peripheriegerät oder eine andere Komponente aufweisen, die intern oder extern zum Mikrocontroller, Netzteil oder Laptop ist. Das System kann ein Netzteil aufweisen.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können ein Verfahren aufweisen, das durch den Betrieb eines der Systeme oder Wandler der oben genannten Ausführungsformen durchgeführt wird.
  • Figurenliste
    • 1 ist eine Veranschaulichung eines Systems, das gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung Leistungswandlung unter Verwendung bedingter Offsets b erei tstell t.
    • 2 ist eine detailliertere Veranschaulichung von Teilen eines Wandlers, einschließlich eines Buck-Boost-Leistungsschaltung, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 3 ist eine detailliertere Veranschaulichung von Teilen eines Wandlers, einschließlich einer Buck-Boost-Steuerschaltung, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 4 ist eine detailliertere Veranschaulichung von Teilen eines Wandlers, einschließlich einer Burst-Modus-Erkennungsschaltung, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 5 ist eine detailliertere Veranschaulichung von Teilen eines Wandlers, einschließlich eines PWM-Modulators und einer Burst-Modus-Schaltung, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 6 ist eine detailliertere Veranschaulichung von Teilen eines Wandlers, einschließlich einer Stromrampengeneratorschaltung, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 7A und 7B sind detailliertere Veranschaulichungen von Teilen eines Wandlers, einschließlich einer Klemmschaltung, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 8 veranschaulicht eine Beispielkurve für ein Klemmsignal für den Boost-Betrieb für verschiedene VIN-Werte bei einem Fünf-Volt-VOUT, entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 9 veranschaulicht eine Beispielkurve für ein Klemmsignal für den Buck-Betrieb für unterschiedliche VIN-Werte bei einem VOUT von fünf Volt gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 10 veranschaulicht den beispielhaften Betrieb eines Wandlers, einschließlich der Erzeugung von Buck- und Boost-Rampen, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 11 veranschaulicht den beispielhaften Betrieb eines Wandlers, einschließlich weiterer Details von Buck- und Boost-Rampen, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 12 veranschaulicht den beispielhaften Betrieb eines Wandlers, einschließlich Übergängen zwischen den Betriebsmodi, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 13 veranschaulicht den beispielhaften Betrieb eines Wandlers, einschließlich Burst-Modus bei niedrigen Lastbedingungen für den Boost-Betriebsmodus, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 14 veranschaulicht den beispielhaften Betrieb eines Wandlers, einschließlich Burst-Modus bei niedrigen Lastbedingungen für den Buck-Betriebsmodus, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 15 veranschaulicht den Buck-Betrieb eines Wandlers gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 16 veranschaulicht den Boost-Betrieb eines Wandlers gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
    • 17 veranschaulicht den Buck-Boost-Betrieb eines Wandlers gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • 1 ist eine Abbildung eines Systems 100, das die Umwandlung der Leistung mit bedingten Offsets gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung vorsieht. System 100 kann z. B. ein Netzteil, ein Mikrocontroller, ein Computer, ein Laptop, ein Smartphone oder ein anderes geeignetes elektronisches Gerät oder System sein.
  • System 100 kann eine Spannungsquelle 112 aufweisen. Spannungsquelle 112 kann eine Gleichspannungsquelle sein. Die Spannungsquelle 112 kann in geeigneter Weise eingesetzt werden und eine geeignete Spannung bereitstellen. Das System 100 kann so ausgebildet werden, dass einen geregelten Spannungspegel an eine Last 116 bereitstellt. Last 116 kann jeder geeignete Spannungsverbraucher sein, z. B. ein Schaltkreis oder ein anderes elektronisches Gerät oder eine andere Komponente. Um den geregelten Spannungspegel für die Last 116 bereitzustellen, kann System 100 einen Spannungsregler oder Wandler 110 aufweisen. Der Ausgang der Spannungsquelle 112 kann als VIN (Eingangsspannung) bezeichnet werden, wie sie an einem Eingangsanschluss 160 des Spannungsreglers 110 angewendet wird. Die Spannung, die für die Last 116 vorgesehen ist, kann als VOUT (Ausgangsspannung) bezeichnet werden, wie sie über einen Ausgangsanschluss 162 des Spannungsreglers 110 auf die Last 116 angewendet ist.
  • Wandler 110 kann so ausgebildet werden, dass ein fester DC-Spannungsausgang als VOUT beibehalten wird. Der feste DC-Spannungsausgang kann über verschiedene Werte der Spannungseingänge von VIN am Eingangsanschluss 160 und über verschiedene Lasten, die mit dem Ausgang des Wandlers 110 am Ausgangsanschluss 162 verbunden sind, aufrechterhalten werden. Der Wandler 110 kann z.B. durch einen Buck-Boost-Wandler implementiert werden. Insbesondere kann der Wandler 110 als Vier-Schalter-, Einzel-Induktivität, Buck-Boost-Wandler implementiert werden. VOUT kann ein Ausgang mit der gleichen oder einer anderen Polarität sein, wie von VIN bereitgestellt. Der Wandler 110 kann zwei der Schalter verwenden, um ein Buck-Wandler-Teilstrecke zu implementieren. Die Buck-Wandler-Teilstrecke kann so ausgebildet werden, dass VIN so gesenkt wird, dass eine Zielspannung für VOUT erreicht wird. Der Wandler 110 kann die anderen beiden Schalter verwenden, um ein Boost-Wandler-Teilstrecke zu implementieren. Die Boost-Wandler-Teilstrecke kann so ausgebildet werden, dass VIN erhöht wird, um eine höhere Zielspannung für VOUT zu erreichen. Wenn Wandler 110 nur die Buck-Wandler-Teilstrecke verwendet, kann man sagen, dass Wandler 110 im Buck-Modus arbeitet. Wenn Wandler 110 nur die Boost-Wandler-Teilstrecke verwendet, kann man sagen, dass Wandler 110 im Boost-Modus arbeitet. Wenn Wandler 110 sowohl die Booster-Wandler-Teilstrecke als auch die Buck-Wandler-Teilstrecke verwendet, kann man sagen, dass Wandler 110 im Buck-Boost-Modus arbeitet. Der Wandler 110 kann eine einzelne Induktivität LSMPS aufweisen. Darüber hinaus kann Wandler 110 Kondensatoren CBST1 und CBST2 aufweisen, die mit den Enden von LSMPS verbunden sind. Der Wandler 110 kann so ausgebildet werden, dass er als Switched Mode Power Supply (SMPS) betrieben wird.
  • In einer Ausführungsform kann Wandler 110 so ausgebildet werden, dass auf Basis von VIN und VOUT eine künstliche Buck-Stromrampe für den Buck-Betrieb erzeugt wird und eine künstliche Boost-Stromrampe für den Boost-Betrieb erzeugt wird. In einer weiteren Ausführungsform kann die Boost-Stromrampe auf die Buck-Stromrampe überlagert werden, indem der Spitzenwert der Buck-Stromrampe abgetastet und als Sockelwert verwendet wird, um je Zyklus die Boost-Stromrampe zu erzeugen. In einer anderen, weiteren Ausführungsform kann ein Spannungsklemmschaltung verwendet werden, um Wandler 110 den Burst-Modus-Betrieb bei einer niedrigen Last auf VOUT zu ermöglichen.
  • Wandler 110 kann eine Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 aufweisen. Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 kann die Buck-Wandler-Teilstrecke und die Boost-Wandler-Teilstrecke implementieren. Der Wandler 110 kann eine Buck-Boost-Steuerschaltung 104 aufweisen. Buck-Boost-Steuerschaltung 104 kann ausgebildet werden, um den Betrieb der Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 zu steuern. Buck-Boost-Steuerschaltung 104 kann so ausgebildet werden, dass der Betrieb der Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 gesteuert wird, indem beispielsweise Pulsed Width Modulation (PWM-) Signale ausgegeben werden. Die PWM-Signale können auf die Gates der Schalter des Buck-Wandlers und des Boost-Wandlers angewendet werden. Abhängig von der Frequenz der PWM-Signale und ob die PWM-Signale auf Schalter der Buck-Wandler-Teilstrecke, der Boost-Wandler-Teilstrecke oder sowohl der Buck-Wandler-Teilstrecke als auch der Boost-Wandler-Teilstrecke angewendet werden, kann die Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 im Boost-Modus, Buck-Modus oder Buck-Boost-Modus arbeiten. Buck-Boost-Steuerschaltung 104 kann so ausgebildet werden, dass Eingangsdaten von Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 empfangen werden. Buck-Boost-Steuerschaltung 104 kann so ausgebildet werden, dass solche Eingangsdaten verwendet werden, um die PWM-Signale zu generieren und solche PWM-Signale an die Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 zu senden. Die Kombination von CBST1, CBST2 und LSMPS kann zwischen der Buck-Wandler-Teilstrecke und der Boost-Wandler-Teilstrecke von Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 verbunden werden. Ein Ausgangskondensator, CSMPS, kann parallel zu einer mit Wandler 110 verbundenen Last zwischen VOUT und Masse verbunden werden. CSMPS kann innerhalb oder außerhalb von Wandler 110 implementiert werden. LSMPS kann einen beliebigen geeigneten Wert aufweisen, z. B. 5,6 µH. Da Wandler 110 über ein integriertes Kompensationsnetzwerk verfügt, kann der Induktivitätswert ausgewählt werden, um die Leistung zu verbessern oder zu optimieren. CBST1, CBST2 und CSMPS können einen beliebigen geeigneten Wert aufweisen, z. B. 22 nF, 22 nF bzw. 22 µF. Da Wandler 110 über ein integriertes Kompensationsnetzwerk verfügt, können die Kondensatorwerte ausgewählt werden, um die Leistung zu verbessern oder zu optimieren.
  • Buck-Boost-Steuerschaltung 104 kann für den Übergang des Betriebs von Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 zwischen Buck-, Boost- und Buck-Boost-Betrieb ausgebildet werden. Buck-Boost-Steuerschaltung 104 kann ausgebildet werden, um einen reibungslosen und automatischen Modusübergang zwischen Buck-, Boost- und Buck-Boost-Betrieb zu ermöglichen. Der Übergang zwischen den Modi kann nahtlos sein, da es wenig Zunahme des Fehlers zwischen VOUT und der Zielausgangsspannung gibt, wenn Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 zwischen Buck, Boost und Buck-Boost-Betrieb wechselt. Der Übergang zwischen den Modi kann automatisch erfolgen, dergestalt dass, sobald VIN in verschiedene Bereiche eintritt, Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 zwischen Buck-, Boost- und Buck-Boost-Betrieb wechseln kann.
  • In einer Ausführungsform kann die Buck-Boost-Steuerschaltung 104 so ausgebildet werden, dass eine Buck-Stromrampe erzeugt wird, mit der PWM-Signale erzeugt werden, basierend auf einem Vergleich mit Strom durch Induktivität LSMPS, für die Buck-Wandler-Teilstrecke der Buck-Boost-Leistungsschaltung 102. In einer anderen Ausführungsform kann Buck-Boost-Steuerschaltung 104 ausgebildet werden, um eine Boost-Stromrampe zu erzeugen, mit der PWM-Signale erzeugt werden, basierend auf einem Vergleich mit Strom durch Induktivität LSMPS, für die Boost-Wandler-Teilstrecke von Buck-Boost-Leistungsschaltung 102. In einer weiteren Ausführungsform kann die Boost-Stromrampe der Buck-Stromrampe hinzugefügt oder auf die Buck-Stromrampe überlagert werden. Die Boost-Stromrampe kann auf die Buck-Stromrampe überlagert werden, indem ein Spitzenwert von Strom in Buck-Boost-Leistungsschaltung 104 abgetastet wird, oder indem ein Mittelwert davon bestimmt wird. Der Strom, der abgetastet wird oder der Mittelwert davon, kann der Strom durch die Boost-Wandler-Teilstrecke oder die Buck-Converter-Teilstrecke sein. In einer anderen Ausführungsform kann die Buck-Boost-Steuerschaltung 104 so ausgebildet werden, dass sie einen Burst-Modus ausführt, wenn eine Last, die mit Wandler 110 verbunden ist, niedrig ist.
  • 2 ist eine detailliertere Veranschaulichung von Teilen des Wandlers 110, einschließlich der Buck-Boost-Leistungsschaltung 102, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 kann eine Buck-Teilstreckenschaltung 206 und eine Boost-Teilstreckenschaltung 8 aufweisen. Die Buck-Teilstreckenschaltung 206 und Boost-Teilstreckenschaltung 208 können Steuersignale, wie PWM-Signale, von Buck-Boost-Steuerschaltung 104 empfangen. Die Buck-Teilstreckenschaltung 206 und Boost-Teilstreckenschaltung 208 können Informationen, wie Stromabtastung, Sample-and-Hold-Strom, VOUT oder VIN, an Buck-Boost-Steuerschaltung 104 bereitstellen.
  • Buck-Teilstreckenschaltung 206 kann einen High-Side-Schalter S1 und einen Low-Side-Schalter S2 aufweisen. Die Schalter S1, S2 können von allen geeigneten Schaltkreisen, z. B. von einem Transistor, implementiert werden. Der Schalter S1 kann an seiner Source mit VIN verbunden werden. Der Schalter S1 kann an seinem Drain mit der Source des Schalters S2 verbunden werden. Der Drain des Schalters S1 kann auch zwischen CBST1 und LSMPS verbunden werden. Der Drain des Schalters S1 kann auch mit einem Stromsensor 216 verbunden werden. Der Stromsensor 216 kann durch jede geeignete Kombination von digitalen und analogen Schaltungen implementiert werden. Der Drain des Schalters S2 kann mit Masse verbunden werden.
  • Boost-Teilstreckenschaltung 208 kann einen High-Side-Schalter S4 und einen Low-Side-Schalter S3 aufweisen. Die Schalter S3, S4 können von allen geeigneten Schaltkreisen, z. B. von einem Transistor, implementiert werden. Der Schalter S4 kann an seiner Source mit VOUT verbunden werden. Der Schalter S4 kann an seinem Drain mit der Source des Schalters S3 verbunden werden. Der Drain des Schalters S4 kann auch zwischen CBST2 und LSMPS verbunden werden. Der Drain des Schalters S4 kann auch mit einem Stromsensor 226 verbunden werden. Der Stromsensor 226 kann durch jede geeignete Kombination von digitalen und analogen Schaltungen implementiert werden. In einer anderen Ausführungsform kann Boost-Teilstreckenschaltung 208 eine Sample-and-Hold-Schaltung 230 aufweisen, um direkt Strom aus dem Drain des Schalters S4 oder vom Stromsensor 226 abzutasten. Die Sample-and-Hold-Schaltung 230 kann einen durchschnittlichen Stromwert anstelle eines momentanen Stromwerts bereitstellen. Der Drain des Schalters S3 kann mit Masse verbunden werden.
  • Buck-Teilstreckenschaltung 206 kann eine Logikschaltung 210 aufweisen. Die Logikschaltung 210 kann durch analoge Schaltungen, digitale Schaltungen oder jede geeignete Kombination davon implementiert werden. Die Logikschaltung 210 kann so ausgebildet werden, dass sie Steuersignale von der Buck-Boost-Steuerschaltung 104 empfängt. Darüber hinaus kann die Logikschaltung 210 so ausgebildet werden, dass solche Steuersignale verwendet werden, um eine High-Side-Treiberschaltung 214 und eine Low-Side-Treiberschaltung 218 anzusteuern. High-Side-Treiberschaltung 214 und Low-Side-Treiberschaltung 218 können durch analoge Schaltungen, digitale Schaltungen oder jede geeignete Kombination davon implementiert werden. Die High-Side-Treiberschaltung 214 und die Low-Side-Treiberschaltung 218 können so ausgebildet werden, dass sie Steuersignale an die Schalter S1 und S2 konditionieren. Der Ausgang der High-Side-Treiberschaltung 214 kann mit dem Gate des Schalters S1 verbunden werden. Der Ausgang der Low-Side-Treiberschaltung 218 kann mit dem Gate des Schalters S2 verbunden werden. Der Ausgang der High-Side-Treiberschaltung 214 kann das Inverse oder das fast Inverse des Ausgangs der Low-Side-Treiberschaltung 218 sein. Die Logikschaltung 210 kann so ausgebildet werden, dass sie eine Ladepumpe 212 antreibt. Die Ausgabe der Ladepumpe 212 kann CBST1 zur Verfügung gestellt werden. Ladepumpe 212 kann durch analoge Schaltungen, digitale Schaltungen oder jede geeignete Kombination davon realisiert werden. Die Logikschaltung 210 kann so ausgebildet werden, dass Steuersignale an die High-Side-Treiberschaltung 214 und die Low-Side-Treiberschaltung 218 weitergeleitet werden, die wiederum die Steuersignale an die Gates der Schalter S1 und S2 bereitstellen können. Die Logikschaltung 210 kann verschiedene Systembedingungen berücksichtigen, die andernfalls Steuersignale von Buck-Boost-Steuerschaltung 104 pausieren, stoppen oder verzögern können. Solche Systembedingungen können beispielsweise aufweisen, ob überhaupt eine Schaltregelung durchzuführen ist, ob der Burst-Modus aktiviert wurde oder andere Bedingungen.
  • Boost-Teilstreckenschaltung 208 kann eine Logikschaltung 220 aufweisen. Die Logikschaltung 220 kann durch analoge Schaltungen, digitale Schaltungen oder jede geeignete Kombination davon implementiert werden. Die Logikschaltung 220 kann so ausgebildet werden, dass sie Steuersignale von der Buck-Boost-Steuerschaltung 104 empfängt. Darüber hinaus kann die Logikschaltung 220 so ausgebildet werden, dass solche Steuersignale verwendet werden, um eine High-Side-Treiberschaltung 224 und eine Low-Side-Treiberschaltung 228 anzusteuern. High-Side-Treiberschaltung 224 und Low-Side-Treiberschaltung 228 können durch analoge Schaltungen, digitale Schaltungen oder jede geeignete Kombination davon implementiert werden. Die High-Side-Treiberschaltung 224 und die Low-Side-Treiberschaltung 228 können so ausgebildet werden, dass die Steuersignale an die Schalter S4 und S3 konditionieren. Der Ausgang der High-Side-Treiberschaltung 224 kann mit dem Gate des Schalters S4 verbunden werden. Der Ausgang des Low-Side-Treiberschaltung 224 kann mit dem Gate des Schalters S3 verbunden werden. Das Ausgangssignal der High-Side-Treiberschaltung 224 kann das Inverse oder fast das Inverse des Ausgangssignals der Low-Side-Treiberschaltung 228 sein. Die Logikschaltung 220 kann so ausgebildet werden, dass sie eine Ladepumpe 222 antreibt. Die Leistung der Ladepumpe 212 kann an CBST2 zur Verfügung gestellt werden. Ladepumpe 222 kann durch analoge Schaltungen, digitale Schaltungen oder jede geeignete Kombination davon realisiert werden. Die Logikschaltung 220 kann so ausgebildet werden, dass Sie Steuersignale an die High-Side-Treiberschaltung 224 und die Low-Side-Treiberschaltung 228 weiterleitet, die wiederum die Steuersignale an die Gates der Schalter S4 und S3 bereitstellen können. Die Logikschaltung 220 kann verschiedene Systemzustände berücksichtigen, die andernfalls Steuersignale der Buck-Boost-Steuerschaltung 104 pausieren, stoppen oder verzögern können. Solche Systemzustände können beispielsweise aufweisen, ob überhaupt eine Schaltregelung durchzuführen ist, ob der Burst-Modus eingegangen wurde oder andere Zustände. Die Treiberschaltungen 214, 218, 224, 228 können so ausgebildet werden, dass zwischen den Schaltvorgängen der jeweiligen Transistoren eine Zeitspanne gepuffert wird, um Überlappungen oder andere unerwünschte Zustände zu vermeiden.
  • CBST1 und CBST2 können Bootstrap-Kondensatoren sein, die eine Spannungsversorgung für die Steuerung von High-Side-MOSFETs in einer Buck-Boost-Leistungsschaltung bereitstellen, wie z. B. NMOS-Schalter S1 und S4. Die entsprechenden High-Side-Treiber, 214, 224 werden sowohl über die Ladepumpen 212, 222 als auch über CBST1 und CBST2 parallel versorgt. Ladepumpen 212, 222 können so ausgebildet werden, dass sie einen kleinen Teil der Gesamtladung bereitstellen, um Verlustströme in den High-Side-Gate-Treibern 214, 224 zu kompensieren, wenn S1 oder S4 aktiviert ist. CBST1 und CBST2 können als eine Art Ladepumpe für die Bereitstellung der Hauptladungen zur Aktivierung der NMOS-Schalter S1 und S4 wirken.
  • Strommessungen in der Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 können für die Buck-Boost-Steuerschaltung 104 bereitgestellt werden. Es können alle geeigneten Strommessungen in der Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 verwendet werden. Beispielsweise kann die Buck-Teilstreckenschaltung 206 eine Strommessung des Stromsensors 216 bereitstellen, der für die Messung des aus dem Drain des Schalters S1 fließenden Stroms ausgebildet ist. In einem anderen Beispiel kann Boost-Teilstreckenschaltung 208 eine Strommessung vom Stromsensor 226 bereitstellen, der für die Messung des aus dem Drain des Schalters S4 fließenden Stroms ausgebildet ist. In einem weiteren Beispiel kann Boost-Teilstreckenschaltung 208 eine Strommessung von Sample-and-Hold-Schaltung 230 bereitstellen, um Strom vom Stromsensor 226 zu messen und den resultierenden Sample-and-Hold-Strom an Buck-Boost-Steuerschaltung 104 bereitzustellen.
  • Buck-Teilstreckenschaltung 206 kann als Schalter, hierin als Schalter A bezeichnet, ausgebildet werden, um eine erste Klemme von LSMPS entweder mit VIN oder mit Masse zu verbinden. Die Boost-Teilstreckenschaltung 208 kann als Schalter ausgebildet werden, hierin als Schalter B bezeichnet, um eine zweite Klemme von LSMPS entweder mit VOUT oder mit Masse zu verbinden.
  • 3 ist eine detailliertere Darstellung von Teilen des Wandlers 110, einschließlich der Buck-Boost-Steuerschaltung 104, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • Buck-Boost-Steuerschaltung 104 kann eine PWM-Modulatorschaltung 340 aufweisen. Die PWM-Modulatorschaltung 340 kann so ausgebildet werden, dass sie von jedem geeigneten Teil der Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 ein abgetastetes Stromeingangssignal erhält. Die PWM-Modulatorschaltung 340 kann so ausgebildet werden, dass ein Burst-Modus-Signal 306 empfangen wird, das angibt, ob Wandler 110 im Burst-Modus betrieben werden soll. Im Burst-Modus können Schaltaktivitäten auf ein Niveau reduziert werden, das erforderlich ist, um mit einer geringen Last übereinzustimmen, die an Wandler 110 angelegt wird. So kann der Wirkungsgrad des Wandlers 110 bei geringen Belastungen erhöht werden. Die PWM-Modulatorschaltung 340 kann für Messungen von VIN und VOUT ausgebildet werden. Die PWM-Modulatorschaltung 340 kann so ausgebildet werden, dass ein Anhaltspunkt des Klemmsignals 302 empfangen wird, der anzeigt, ob der Spannungsausgang geklemmt werden soll. Basierend auf diesen Eingangssignalen kann die PWM-Modulatorschaltung 340 so ausgebildet werden, dass Steuersignale an Buck-Boost-Leistungsschaltung 2 ausgegeben werden. Die PWM-Modulatorschaltung 340 kann durch analoge Schaltungen, digitale Schaltungen oder jede geeignete Kombination davon implementiert werden. Eine ausführlichere Darstellung einer beispielhaften Implementierung der PWM-Modulatorschaltung 340 wird unten im Kontext von 5 veranschaulicht.
  • Die PWM-Modulatorschaltung 340 kann so ausgebildet werden, dass sie einen Strom-Sollwert und eine Messung des Stroms entgegennimmt. Die Messung des Stroms, wie oben beschrieben, kann von jedem geeigneten Teil der Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 entgegengenommen werden. Der Strom-Sollwert kann von einer geeigneten Quelle empfangen oder erzeugt werden. In einer Ausführungsform kann die PWM-Modulatorschaltung 340 einen solchen Strom-Sollwert in Form von Stromrampen basierend auf einem Basiswert erzeugen. Der Strom-Sollwert kann mit dem aktuellen Induktivitätswert verglichen werden. Die Ergebnisse eines solchen Vergleichs können verwendet werden, um Steuerschaltsignale zu bestimmen, die an die Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 ausgegeben werden sollen. Die Steuersignale, die von PWM-Modulatorschaltung 340 an die Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 ausgegeben werden, können PWM-Signale aufweisen.
  • Der Strom-Sollwert kann je nach VOUT variieren, da Änderungen in VOUT die Reaktion des Induktivitätsstroms beeinflussen können, der verwendet werden kann, um zu bewerten, in welchem Modus Wandler 110 ausgeführt werden soll. Daher kann die PWM-Modulatorschaltung 340 Stromrampenerzeugungsschaltungen aufweisen, um den Strom-Sollwert entsprechend den Änderungen in VOUT zu ändern. Der Induktivitätsstrom kann steigen, wenn Schalter A eingeschaltet ist (S1 ist eingeschaltet und S2 ist ausgeschaltet) und Schalter B ausgeschaltet ist (S4 ist ausgeschaltet und S3 ist eingeschaltet), wobei VIN auf LSMPS angewendet wird. Der Induktivitätsstrom kann fallen, wenn Der Schalter A ausgeschaltet ist (S1 ist ausgeschaltet und S2 ist eingeschaltet) und Schalter B eingeschaltet ist (S4 ist eingeschaltet und S3 ist ausgeschaltet), wobei LSMPS auf VOUT angewendet wird. Wenn sowohl Schalter A als auch Schalter B eingeschaltet sind, was zur Anwendung von VIN auf LSMPS und von LSMPS auf VOUT führt, kann der Strom ansteigen, wenn VIN größer als VOUT ist, und der Strom kann fallen, wenn VIN kleiner als VOUT ist. Ein anfänglicher Strom-Sollwert, aus dem variable Sollwerte in Form von Stromrampen generiert werden können, kann als Spannung ausgedrückt werden, die einen bestimmten Stromwert repräsentiert, und kann z. B. über Spannungskompensator (nicht dargestellt), ein Register oder eine Steuerungslogik verfügbar sein. Die PWM-Modulatorschaltung 340 kann Komparatoren oder andere geeignete Schaltungen aufweisen, um den modifizierten oder variablen Strom-Sollwert mit dem erfassten Stromwert zu vergleichen und daraus Steuersignale zu generieren.
  • Die Buck-Boost-Steuerschaltung 104 kann ein Widerstandsnetzwerk 350 aufweisen, einschließlich eines ersten Widerstands RN und einem zweiten in Reihe verbundenen Widerstand RN2. Das Widerstandsnetz 350 kann als Spannungsteiler betrieben werden. Ein erstes Ende des Widerstands RN kann mit VOUT verbunden werden und ein zweites Ende von RN2 kann mit Masse verbunden werden, wobei das zweite Ende des Widerstands RN und das erste Ende des Widerstands RN2 an einem Mittelpunkt verbunden sind.
  • Die Buck-Boost-Steuerschaltung 104 kann eine Burst-Modus-Erkennungsschaltung 342 aufweisen. Die Burst-Modus-Erkennungsschaltung 342 kann durch jede geeignete Kombination von analogen und digitalen Schaltungen implementiert werden, und eine detailliertere Implementierung der Burst-Modus-Erkennungsschaltung 342 wird unten im Kontext von 4 veranschaulicht. Die Burst-Modus-Erkennungsschaltung 342 kann so ausgebildet werden, dass festgestellt wird, ob eine geringe Last auf VOUT angewendet wurde, und, wenn ja, an die PWM-Modulatorschaltung 340 signalisieren, dass ein Burst-Modus verwendet werden soll. Die Burst-Modus-Erkennungsschaltung 342 kann einen Anhaltspunkt für VOUT erhalten, wie durch das Widerstandsnetzwerk 350 aus der Mitte des Widerstandsnetzwerks 350 modifiziert. Die Burst-Modus-Erkennungsschaltung 342 kann so ausgebildet werden, dass sie ein Burst-Modus-Signal 306 an die PWM-Modulatorschaltung 340 ausgibt.
  • Buck-Boost-Steuerschaltung 104 kann einen Spannungsfehlerverstärker 344 aufweisen. Der Spannungsfehlerverstärker 344 kann so ausgebildet werden, dass eine Rückkopplungsspannung, VFB 399 (die ein Anhaltspunkt für VOUT sein kann, wie durch das Widerstandsnetzwerk 350 vom Mittelpunkt des Widerstandsnetzwerks 350 modifiziert), mit einer Spannungsreferenz VREF verglichen wird. VREF kann von jeder geeigneten Quelle generiert werden, z. B. einem Soft-Start-Digital-Analog-Wandler (DAC) 348. DAC 348 kann durch jede geeignete Kombination von digitalen und analogen Schaltungen implementiert werden und kann so ausgebildet werden, dass VREF gemäß einem durch ein Register oder eine andere geeignete Steuerung festgelegten Wert zur Verfügung gestellt wird. VREF kann einen gewünschten Zielausgangsspannungswert für VOUT repräsentieren. Somit kann der Spannungsfehlerverstärker 344 so ausgebildet werden, dass er einen Anhaltspunkt für den Fehler in VOUT bereitstellt. Die PWM-Modulatorschaltung 340 kann so ausgebildet werden, dass sie einen solchen Anhaltspunkt für den Fehler in VOUT erhält und einen solchen Anhaltspunkt verwendet, um Steuersignale an den Buck-Boost-Leistungsschaltung 102 auszugeben, um VOUT präziser auszugeben.
  • Der vom Spannungsfehlerverstärker 344 ausgegebene Anhaltspunkt kann mit einem ersten Ende eines Kompensationsnetzwerks 346 verbunden werden, wobei ein zweites Ende des Kompensationsnetzwerks 346 mit Masse verbunden ist. Das Kompensationsnetzwerk 346 kann so ausgebildet werden, dass die Schleifenverstärkung (einschließlich Magnitude und Phase) des Regelkreises des Wandlers 110 manipuliert wird, um das erwartete transiente Verhalten und eine stabile Regelung der Ausgangsspannung zu erreichen. Das Kompensationsnetzwerk 346 kann einen Kondensator C2 aufweisen, parallel zu einem in Reihe verbundenen Widerstand R1 und einem weiteren Kondensator C1. Jeder Zweig des Kompensationsnetzwerks 346 kann zwischen Ausgang des Spannungsfehlerverstärkers 344 und Masse verbunden werden.
  • In einer Ausführungsform kann die Buck-Boost-Steuerschaltung 104 eine Klemmschaltung 352 aufweisen. Die Klemmschaltung 352 kann zwischen Ausgang des Spannungsfehlerverstärkers 344 und der PWM-Modulatorschaltung 340 verbunden werden. Die Klemmschaltung 352 kann so ausgebildet werden, dass der Ausgang vom Spannungsfehlerverstärker 344 geändert oder optional geändert wird, bevor er die PWM-Modulatorschaltung 340 erreicht. Die Klemmschaltung 352 kann ausgebildet werden, um die Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers 344 zu begrenzen. Die Klemmschaltung 352 kann ausgebildet werden, um den Ausgang des Spannungsfehlerverstärkers 344 in Klemmsignal 302 zu ändern. Das Klemmsignal 302 kann dem PWM-Modulator 240 zur Verfügung gestellt werden. Die Klemmschaltung 352 kann durch jede geeignete Kombination von analogen und digitalen Schaltungen implementiert werden. Eine detailliertere Umsetzung der Klemmschaltung 352 ist im Rahmen von 7 dargestellt.
  • 4 ist eine detailliertere Darstellung von Teilen des Wandlers 110, einschließlich Burst-Modus-Erkennungsschaltung 342, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • Die Burst-Modus-Erkennungsschaltung 342 kann für den Empfang von VFB 399 und eine Referenz für den Burstbetrieb ausgebildet werden, wie z. B. VBURST_REF 403. VBURST_REF 403 kann von jedem geeigneten Teil des Systems 100 bereitgestellt und in einem Registerwert gespeichert werden. VBURST_REF 403 kann einen Wert der Rückkopplungsspannung VFB 399 widerspiegeln, unterhalb der Wandler 110 in den Burst-Modus versetzt werden soll. Dementsprechend kann die Burst-Modus-Erkennungsschaltung 342 einen Komparator 401 aufweisen, der ausgebildet ist, basierend auf einem Vergleich von VBURST_REF 403 und VFB 399 das Burst-Modus-Signal 306 bereitzustellen. Wenn beispielsweise VBURST_REF 403 kleiner ist als VFB 399, kann das Burst-Modus-Signal 306 hoch sein, und Wandler 110 kann in den Burst-Modus wechseln. Wenn VBURST_REF 403 größer als VFB 399 ist, kann das Burst-Modus-Signal 306 niedrig sein, und Wandler 110 kann nicht in den Burst-Modus wechseln. Der Komparator 401 kann eine Hysterese aufweisen. Wenn VFB kleiner ist als VBURST_REF 304, ist das Burst-Modus-Signal 306 möglicherweise niedrig, und Wandler 110 könnte den Burst-Modus verlassen.
  • 5 ist eine detailliertere Darstellung von Teilen des Wandlers 110, einschließlich PWM-Modulatorschaltung 340, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Darüber hinaus veranschaulicht 5 ein Beispiel für die Implementierung einer Burst-Modus-Schaltung 501. Die Burst-Modus-Schaltung 501 kann innerhalb eines geeigneten Teils des Wandlers 110 implementiert werden, z. B. innerhalb der PWM-Modulatorschaltung 340 oder innerhalb der Burst-Modus-Erkennungsschaltung 342. Die Burst-Modus-Schaltung 501 wird in Verbindung mit dem Kontext der Veranschaulichung der PWM-Modulatorschaltung 340 für eine einfache Lesbarkeit veranschaulicht.
  • Die Burst-Modus-Schaltung 501 kann ausgebildet werden, um verschiedene Signale zu generieren, die von PWM-Modulatorschaltung 340 für die Erzeugung von Stromrampen verwendet werden können, sowie auch anderen Teilen des Wandlers 110. Die Burst-Modus-Schaltung 501 kann ausgebildet werden, um ein Ramp-Reset-Signal 519 zu generieren. Ramp-Reset-Signal 519 kann so ausgebildet werden, dass PWM-Modulatorschaltung 340 angewiesen wird, die Stromrampe auf einen ursprünglichen Sollwert zurückzusetzen. Die Burst-Modus-Schaltung 501 kann ausgebildet werden, um eine PED-EN 523 zu erzeugen. PED-EN 523 kann so ausgebildet werden, dass Ausgaben von Funktionsblöcken freigegeben werden, die im PWM-Modus (auch als regulärer Modus oder Nicht-Burst-Modus bezeichnet) verwendet werden, wie z. B. Schleifenkomparatoren. Die Burst-Modus-Schaltung 501 kann ausgebildet werden, um ein SW-RESET-Signal 525 zu erzeugen. SW-RESET Signal 525 kann für die Steuerung des Sample-and-Hold-Schalters 578 (in PWM-Modulatorschaltung 340) ausgebildet werden. Die Burst-Modus-Schaltung 501 kann ausgebildet werden, um SW-EN 517 zu generieren. SW-EN 517 kann so ausgebildet werden, dass im PWM-Modus verwendete Funktionsbausteine wie der Fehlerverstärker und die beiden Schleifenkomparatoren aktiviert werden. SW-EN 517 kann im Vergleich zu PED-EN 523 früher auf einen hohen Taktzyklus umstellen, so dass die aktivierten Funktionsblöcke Zeit haben, richtig zu starten, bevor ihre Ausgänge freigegeben werden. Die Burst-Modus-Schaltung 501 kann PW-BUCK 297, Burst-Modus-Signal 306 und ein PFM-EN-Signal 521 empfangen. PW-BUCK 297 kann ein Taktsignal sein, das für die Buck-Teilstreckenschaltung 206 verwendet wird. Es ist ein Taktsignal mit 100 ns Impuls zu Beginn jedes Taktzyklus. Das Burst-Modus-Signal 306 kann anzeigen, ob in den Burst-Modus eingetreten werden soll. PFM-EN-Signal 521 kann ein externes Signal an den Wandler sein. Dieses Signal ermöglicht die Burst-Modus-Betriebsfunktion des Wandlers 110. Die Burst-Modus-Erkennungsschaltung ist nur aktiv, wenn dieses Signal hoch ist. PFM-EN 521 kann durch einen Inverter 503 invertiert und durch ein OR-Gate 505 mit Burst-Modus-Signal 306 oderverknüpft werden. Die Ausgabe von OR-Gate 505 kann an den D-Eingang eines ersten Flip-Flop 507 erfolgen. PW-BUCK 297 kann auf den Takt des Flip-Flop 507, auf den Takt eines zweiten Flip-Flop 509 und auf einen Eingang eines AND-Gate 511 angewendet werden. Der Q-Ausgang von Flipflop 507 kann als SW-EN 517 vorgegeben werden und kann auf den D-Eingang von Flipflop 509, auf die Eingabe von AND-Gate 511 und auf die Eingabe eines anderen AND-Gate 531 angewendet werden. Der Q-Ausgang von Flip-Flop 509 kann auf den Eingang von AND-Gate 531 angewendet werden. Die Ausgabe von AND-Gate 531 kann als PED-EN 523 vorgegeben werden. Die Ausgabe von AND-Gate 511 kann als SW-RESET 525 vorgegeben und an den Eingang eines anderen AND-Gate 515 weitergeleitet werden. Ein Taktsignal, z. B. ein 10 MHz Takt, kann durch einen Inverter 513 invertiert und auf den Eingang von AND-Gate 515 angewendet werden. Das Ausgangssignal von AND-Gate 515 kann als Ramp-Reset-Signal 519 gegeben werden.
  • Dementsprechend zeigt 5, wie SW-EN 517, PED-EN 523, SW-RESET 525 und Ramp-Reset-Signal 519 aus den Signalen PFM-EN 521, Burst-Modus-Signal 306, PW-BUCK 297 und einem 10 MHz Takt generiert werden. SW-EN 517 kann hoch sein, wenn die Burst-Modus-Schaltung deaktiviert wurde (PFM-EN 521 ist auf null gesetzt) oder niedrig, wenn die Burst-Modus-Schaltung aktiviert wurde (PFM-EN 521 ist auf eins eingestellt) und es wurde signalisiert, dass der Burst-Modus aktiviert wird (Burst-Modus-Signal 306 ist auf eins eingestellt). PW-BUCK 297 kann ein Taktsignal sein, das auf den Takt der Flipflops 507, 509 angewendet wird, so dass SW-EN 517 nur an der positiven Flanke von PW-BUCK 297 auf hoch gesetzt ist. PED-EN 523 kann ein verzögertes Signal (für einen Schaltzyklus) sein, wenn SW-EN 517 auf hoch wechselt. Funktionsblöcke können zuerst mit SW-EN 517 aktiviert werden und dann, ein Schaltzyklus später, kann deren Ausgabe freigegeben werden, so dass keine instabile Ausgabe vorhanden ist. Ramp-Reset-Signal 519 und SW-RESET 525 können jeweils einen Impuls am Ende jedes Schaltzyklus aufweisen. SW-RESET 525 kann einen Impuls aufweisen, der 50 ns lang ist und 50 ns früher als Impuls Ramp-Reset-Signal 519, und Ramp-Reset-Signal 519 kann 50 ns lang sein und den Schaltzyklus beenden.
  • Die PWM-Modulatorschaltung 340 kann eine Stromrampenerzeugungsschaltung 452 aufweisen. Die Stromrampenerzeugungsschaltung 452 kann durch jede geeignete Kombination aus analogen und digitalen Schaltungen realisiert werden. Eine ausführlichere beispielhafte Implementierung der Stromrampenerzeugungsschaltung 452 wird unten im Kontext von 6 dargestellt. Die Stromrampenerzeugungsschaltung 452 kann so ausgebildet werden, dass sie einen oder mehrere der erfassten Ströme, VIN, VOUT, Klemmsignal 302, Rampenrückstellsignal 519, PED-EN 523, SW-RESET 525 und SW-EN 517 empfängt (nicht gezeigt). Die Stromrampenerzeugungsschaltung 452 kann so ausgebildet werden, dass sie einen Referenzstromwert ausgibt, der sich für die Verwendung mit Buck-Teilstreckenschaltung 206 im Laufe der Zeit ändert. Ein solcher Referenzstromwert kann als Buck-Rampe 402 vorgegeben werden. Die Stromrampenerzeugungsschaltung 452 kann so ausgebildet werden, dass sie einen Referenzstromwert ausgibt, der sich für die Verwendung mit Boost-Teilstreckenschaltung 208 im Laufe der Zeit ändert. Ein solcher Referenzstromwert kann als Boost-Rampe 404 vorgegeben werden.
  • In einer Ausführungsform kann die PWM-Modulatorschaltung 340 so ausgebildet werden, dass die Ausgänge der Buck-Rampe 402 und der Boost-Rampe 404 geklemmt werden. Die PWM-Modulatorschaltung 340 kann einen Differenzverstärker 454 aufweisen, der so ausgebildet ist, dass die Buck-Rampe 402 entsprechend dem Wert des Klemmsignals 302 klemmt, was zu einer geklemmten Buck-Rampe führt. Die PWM-Modulatorschaltung 340 kann einen Differenzverstärker 456 aufweisen, der ausgebildet ist, für die Boost-Rampe 404 entsprechend dem Wert des Klemmsignals 302 zu klemmen, was zu einer geklemmten Boost-Rampe führt. Die geklemmten Rampensignale können an einen Logikkreis 458 bereitgestellt werden. Die Logikschaltung 458 kann so ausgebildet werden, dass sie die geklemmten Rampensignale mit einem gegenwärtig detektierten Stromwert vergleicht und entsprechend Kontrollsignale ausgibt, um den Wandler 110 im Boost-Modus, Buck-Modus oder Buck-Boost-Modus zu betreiben.
  • Die Steuersignale können jeweils an Logikschaltungen 210, 220 von Buck-Teilstrecke 206, Boost Teilstrecke 208 zur Verfügung gestellt werden. Für S1 kann ein Buck'-Signal bereitgestellt werden, und für S2 kann ein Buck''-Signal (welches das Inverse oder fast das Inverse von Buck' ist) bereitgestellt werden. Für S3 kann ein Boost'-Signal bereitgestellt werden, und für S4 kann ein Boost''-Signal (welches das Inverse oder fast das Inverse von Buck' ist) bereitgestellt werden.
  • In einer Ausführungsform kann der von der Stromrampengeneratorschaltung 452 verwendete Stromwert der von der Sample-and-Hold-Schaltung 230 erfasste Stromwert sein und den erfassten Strom am Ende jedes Schaltzyklus widerspiegeln. In einer anderen Ausführungsform kann der Stromwert, der von der Stromrampengeneratorschaltung 452 verwendet wird, der von der Sample-and-Hold-Schaltung 230 erfasste Stromwert sein und den durchschnittlichen Stromwert für den Zyklus widerspiegeln. Die PWM-Modulatorschaltung 340 kann den erfassten Strom aus dem vorherigen Schaltzyklus als Ausgangspunkt verwenden, um Stromrampen im aktuellen Schaltzyklus zu erzeugen. Die Stromrampengeneratorschaltung 452 kann so ausgebildet werden, dass Buck-Rampe 402 und Boost-Rampe 404 basierend auf dem erfassten Strom, VIN und VOUT erzeugt werden.
  • 6 ist eine detailliertere Darstellung von Teilen des Wandlers 110, einschließlich Stromrampengeneratorschaltung 452, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • Der Wandler 110 kann so ausgebildet werden, dass zwei künstliche Rampen erzeugt werden, um den Induktivitätsstrom bei jedem Schaltzyklus zu emulieren. Die Steigungen der künstlichen Rampen werden von VIN und VOUT über Stromquellen 564, 582 und entsprechende Kondensatoren 568, 586 entschieden. Der Ausgangspunkt der Rampen wird durch den erfassten Strom bestimmt. Die beiden Rampen werden über die Summierer 560, 562 erzeugt. Am Ende jedes Schaltzyklus werden die Kondensatoren 568, 586 über die Schalter 566, 584 zurückgesetzt, so dass sie für die Rampenerzeugung im nächsten Schaltzyklus vorbereitet sind. Der Schalter 578 und Kondensator 580 werden verwendet, um den Spitzenwert des Ausgangssignal eines Spannungspuffers 570 am Ende jedes Schaltzyklus abzutasten. Der abgetastete Spitzenwert wird im Kondensator 580 gehalten und dem Ausgang eines weiteren Spannungspuffers 588 hinzugefügt. Auf diese Weise wird die Boost-Rampe 404 auf Buck-Rampe 402 überlagert, da der Sockelwert, der zu der Boost-Rampe addiert wird, bei jedem Schaltzyklus vom Spitzenwert der Buck-Rampe abgetastet wird.
  • Wie oben erörtert, kann die Stromrampengeneratorschaltung 452 so ausgebildet werden, dass eine Buck-Stromrampe zum Teil durch Aufladen und Entladen eines Kondensators 568 mit einer von VIN abhängigen Stromquelle 564 erzeugt wird. Der Lade- oder Entladekondensator 568 kann über einen Schalter 566 realisiert werden, der zwischen Stromquelle 564 und Kondensator 568 verbunden ist. Kondensator 568 kann am ersten Ende mit dem Ausgang der Stromquelle 564 und an einem zweiten Ende mit Masse verbunden werden.
  • Die Entladung des Kondensators 568 kann durch Puffer 570 zu einem Summierer 560 geleitet werden, wobei die Entladung dem erfassten Strom hinzugefügt wird. Das Ausgangssignal des Summierers 560 kann Buck-Rampe 402 sein. Die Steuerung des Schalters 566 kann gemäß geeigneten Reset-Signalen erfolgen. Die Steuerung des Schalters 566 kann beispielsweise über ein OR-Gate 572 erfolgen, dessen Eingangssignale Ramp-Reset-Signal 519 und ein invertiertes SW-EN 517-Eingangssignal sind. Diese Kombination von Signalen und Logik kann Schalter 566 steuern, um Kondensator 568 aufzuladen und dann Kondensator 568 zu entladen, um ein Rampensignal entsprechend den gewünschten Schaltzyklen zu erzeugen. Der Schalter 566 kann den Kondensator 568 am Ende jeder Schaltperiode entladen, indem der Kondensator 568 mit Masse verbunden wird. Dementsprechend beginnt zu Beginn der nächsten Schaltperiode ein Rampenwert mit dem abgetasteten Induktivitätsstrom aus der aktuellen Schaltperiode.
  • Die Stromrampengeneratorschaltung 452 kann so ausgebildet werden, dass eine Boost-Stromrampe zum Teil durch Aufladen und Entladen eines Kondensators 586 mit einer Stromquelle 582 erzeugt wird, die von VOUT abhängig ist. Der Lade- oder Entladekondensator 586 kann über einen Schalter 584 realisiert werden, der zwischen Stromquelle 582 und Kondensator 586 verbunden ist. Kondensator 586 kann am ersten Ende mit dem Ausgang der Stromquelle 582 und an einem zweiten Ende mit Masse verbunden werden. Die Entladung des Kondensators 586 kann durch einen Puffer 588 zu einem Summierer 562 geleitet werden, wobei die Entladung zum erfassten Strom addiert wird. Das Ausgangssignal des Summierers 562 kann Boost-Rampe 404 sein. Die Steuerung des Schalters 584 kann gemäß geeigneten Reset-Signalen erfolgen. Die Steuerung des Schalters 584 kann beispielsweise über ein OR-Gate 572 erfolgen, dessen Eingangssignale Rampenrücklaufsignal 519 und ein invertiertes SW- EN 517-Eingangssignal sind. Diese Kombination von Signalen und Logik kann den Schalter 584 steuern, um den Kondensator 586 aufzuladen und dann den Kondensator 586 zu entladen, um ein Rampensignal gemäß gewünschten Schaltzyklen zu erzeugen. Der Schalter 584 kann den Kondensator 586 am Ende jeder Schaltperiode entladen, indem der Kondensator 586 mit Masse verbunden wird. Dementsprechend beginnt zu Beginn der nächsten Schaltperiode ein Rampenwert mit dem abgetasteten Induktivitätsstrom aus der aktuellen Schaltperiode.
  • In einer Ausführungsform soll der Rampenanteil der Boost-Rampe 404 zu dem Rampenanteil der Buck-Rampe 402 addiert werden, um die Boost-Rampe 404 zu erzeugen. Ein solcher Rampenanteil der Boost-Rampe 404 enthält möglicherweise nicht den Basiswert des erfassten Stroms, und ein solcher Rampenanteil der Buck-Rampe 402 enthält möglicherweise nicht den Basiswert des erfassten Stroms. Dementsprechend kann die Ausgabe des Puffers 570 als variabler Buck-Anteil 601 und die Ausgabe des Puffers 588 als variabler Boost-Teil 603 vorgegeben werden. Der variable Boost-Anteil 603 kann zu dem variablen Buck-Anteil 601 addiert und das Ergebnis in den Summierer 562 eingegeben werden. Dies kann auf jede geeignete Weise umgesetzt werden.
  • Beispielsweise kann ein Schalter 578 alternativ einen Kondensator 580 mit dem Wert des variablen Buck-Anteils 601 aufladen und einen Entladekondensator 580 hin zu einer Verbindung mit dem variablem Boost-Anteil 603 entladen. Die Ströme davon können kombiniert werden. Der Schalter 578 und der Kondensator 580 können eine Sample-and-Hold-Schaltung ausbilden. Am Ende jedes Schaltzyklus kann Schalter 578 beispielsweise für ca. 50-100 Nanosekunden eingeschaltet werden. Dadurch kann der Spitzenwert des variablen Buck-Anteils 601 abgetastet werden. Danach kann zu Beginn der nächsten Schaltperiode die im Kondensator 580 gespeicherte Spannung entladen und als Sockelwert für die Boost-Rampe 404 addiert werden.
  • Die Steuerung des Schalters 578 kann in geeigneter Weise erfolgen. Beispielsweise kann die Logik einschließlich eines AND-Gate 574 mit einem invertierten Eingang des Ramp-Reset-Signals 519, Eingang von PED-EN 523, und Eingang von SW-RESET 525 kann an den Treiber-Schalter 578 ausgegeben werden. Wenn der PWM-Modus aktiv ist und alle Funktionsblöcke betriebsbereit sind (wobei PED-EN 523 auf eins eingestellt ist), erzeugte die Kombination aus invertiertem Ramp-Reset-Signal 519 und SW-RESET 525 einen 50 ns Impuls 50 ns vor dem Ende des Schaltzyklus, um Schalter 578 zu aktivieren und das Ausgangssignal des Puffers 570 abzutasten.
  • Mit SW-RESET 525 und einem invertierten Ramp-Reset-Signal 519 kombiniert über AND Gate 574 wird ein 50 ns Impuls vor dem Ramp-Reset-Signal 519 erzeugt und zur Abtastung des Spitzenwerts der Buck-Rampe verwendet. Nachdem der Spitzenwert der Buck-Rampe abgetastet wird, ändert sich SW-RESET 525 auf null und hält die abgetastete Spitzenspannung in Element 580. Das Ramp-Reset-Signal 519-Impuls setzt dann über die Schalter 566 und 584 die künstlichen Rampen in den letzten 50 ns jedes Schaltzyklus zurück.
  • 7A und 7B sind detailliertere Veranschaulichungen von Teilen des Wandlers 110, einschließlich Klemmschaltung 352, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Klemmschaltung 352 kann so ausgebildet werden, dass sie den Burst-Modus unterstützt, wenn eine Last, die mit dem Wandler 110 verbunden ist, niedrig wird. VBREF kann der abgetastete Spitzenwert des Puffers 570 aus 6 sein. Basierend auf VIN, VOUT und der erwarteten Größe der Last, definiert durch wo Wandler 110 gemäß einem Design des Wandlers 110 in den Burst-Modus versetzt werden soll. Der Wandler 110 kann in den Burst-Modus wechseln, wenn die Last an Wandler 110 unter einem definierten Schwellenwert liegt. Darüber hinaus kann auf der Grundlage von VIN und VOUT die Klemmschaltung 352 so ausgebildet werden, dass ein Betriebsverhältnis berechnet wird, das erforderlich ist, um eine minimale Last auszugleichen, und wiederum einen notwendigen Wert des Fehlerverstärkerausgangs, wie z. B. das Ausgangssignal des Verstärkers 344, der sonst zur Unterstützung einer solchen Mindestlast benötigt wird. Die Klemmschaltung 352 kann jede beliebige Anzahl von Betriebsparametern, Konstanten oder anderen Werten aufweisen, um das Klemmen zur Unterstützung dieser Vorgänge durchzuführen. Die Betriebsparameter oder Konstanten können bestimmt werden, indem der Bereich möglicher Werte von VIN und VOUT durchsucht und berechnet wird, wie der Fehlerverstärkerausgang, wie z. B. das Ausgangssignal des Verstärkers 344, so geändert werden sollte, dass das Klemmen durchgeführt wird. Diese können in einer Kurve für Klemmspannung als Funktion von VIN führen. Für den Boost- und Buck-Betrieb können separate Kurven berechnet werden. Darüber hinaus können die Kurven in einer Ausführungsform linear angenähert werden, um die Implementierung solcher Funktionen innerhalb analoger Schaltungen zu vereinfachen.
  • 8 veranschaulicht eine Beispielkurve für Klemmsignal 302 für den Boost-Betrieb für verschiedene VIN-Werte bei einem Fünf-Volt-VOUT, entsprechend den der vorliegenden Offenbarung. Die x-Achse zeigt die Werte von VIN und die y-Achse die Werte des Klemmsignals 302, ausgedrückt in Millivolt.
  • 9 veranschaulicht eine Beispielkurve für Klemmsignal 302 für den Buck-Betrieb für unterschiedliche VIN-Werte bei einem Fünf-Volt-VOUT, entsprechend Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die x-Achse zeigt die Werte von VIN und die y-Achse die Werte des Klemmsignals 302, ausgedrückt in Millivolt.
  • Zurück zu 7A und 7B kann die Klemmschaltung 352 so ausgebildet werden, dass ein Wert für das Klemmsignal 302 für den Boost-Betrieb erzeugt wird, der als PFM-BOOST 612 bezeichnet wird. Die Klemmschaltung 352 kann so ausgebildet werden, dass ein Wert für das Klemmsignal 302 für den Buck-Betrieb erzeugt wird, der als PFM-BUCK 614 bezeichnet wird.
  • Um PFM-BOOST 612 zu generieren, kann ein Summierer 602 VIN, VOUT und VBREF 304 als Eingangssignale verwenden und PFM-BOOST 612 als Wert von VBREF + a*(VIN-VOUT) + b berechnen, wobei a und b Konstanten sind, die während eines Durchsuchens möglicher VIN- und VOUT-Werte und Kurvenanpassung, wie in 8 gezeigt, bestimmt werden.
  • Die Generierung von PFM-BUCK 614 kann konditional auf den relativen Werten von VIN und VOUT basieren. Eine solche konditionale Operation kann durch Auswahl zwischen zwei verschiedenen linearen Annäherungen mit einem Multiplexer 610 implementiert werden. Der Multiplexer 610 kann durch eine Auswertung der relativen Werte von VIN und VOUT gesteuert werden. Wenn z. B. VIN/VOUT größer ist als 0,5 (d. h., VOUT ist zumindest doppelt so groß wie VIN), kann ein erster Wert als PFM-BUCK 614 ausgegeben werden. Andernfalls kann ein zweiter Wert als PFM-BUCK ausgegeben werden.
  • Der erste Wert, der als PFM-BUCK 614 ausgegeben werden kann, wenn VIN/VOUT größer als 0,5 ist, kann durch einen Summierer 604 bereitgestellt werden, der für die Berechnung des Wertes c + d*VIN + e*VOUT ausgebildet ist, wobei c, d und e Konstanten sind, die während eines Durchsuchens möglicher VIN- und VOUT-Werte und Kurvenanpassung gemäß 9 bestimmt werden.
  • Der zweite Wert, der als PFM-BUCK 614 ausgegeben werden kann, wenn VIN/VOUT nicht größer als 0,5 ist, kann durch einen Summierer 606 bereitgestellt werden, der für die Berechnung des Wertes von f + g* VOUT ausgebildet ist, wobei f und g Konstanten sind, die während eines Durchsuchens möglicher VIN- und VOUT-Werte und Kurvenanpassung, wie in 9 dargestellt, bestimmt werden.
  • Jeder geeignete Mechanismus oder jede geeignete Schaltung können verwendet werden, um zu bestimmen, ob PFM- BUCK 614, PFM-BOOST 612 oder keines von beiden als Klemmsignal 302 angewendet werden soll. Wenn z. B. VIN größer als VOUT ist, wie durch einen Komparator 720 ausgewertet, kann Schalter 724 aktiviert werden, um PFM BUCK 614 als Klemmsignal 302 zur Ausgabe zu senden. Eine Hysteresespannung, die von einer Spannungsquelle 716 bereitgestellt wird, kann VIN durch den Komparator 720 zum Vergleich mit VOUT hinzugefügt werden. Wenn VIN kleiner als VOUT ist, wie von einem Komparator 722 ausgewertet, kann Schalter 728 aktiviert werden, um PFM BOOST 612 als Klemmsignal 302 zur Ausgabe zu senden. Eine Hysteresespannung wie 100 mV, die von einer Spannungsquelle 718 bereitgestellt wird, kann VOUT durch Komparator 722 zum Vergleich mit VIN hinzugefügt werden. Die Hysterese kann stattdessen durch Herunterteilen von VIN und VOUT und die Implementierung von Hysterese über Komparatoren oder Spannungsteiler bereitgestellt werden. Das Ausgangssignal als Klemmsignal 302 kann zunächst durch einen Fehlerverstärker 736 verstärkt werden.
  • Wenn VIN und VOUT darüber hinaus ähnliche Werte aufweisen, innerhalb der durch die Spannungsquellen 716, 718 bereitgestellten Hysteresewerte, derart dass keiner der Schalter 724, 726 aktiviert wird, kann das Klemmsignal 302 auf null gesetzt werden. Dies kann mit einem Schalter 734 erreicht werden, der so ausgebildet ist, dass der nicht invertierende Eingang an den Fehlerverstärker 736 geerdet wird. Der invertierende Eingang des Fehlerverstärkers 736 kann geerdet sein. Der Ausgang der Komparatoren 720, 722 kann mit invertierenden Eingängen an ein AND-Gate 730 und der Ausgang von AND-Gate 730 an den Eingang eines OR-Gate 732 gesendet werden. Ausgang von OR-Gate 732 kann die Steuerung des Schalters 734 ansteuern. Das OR-Gate 732 kann als Eingang auch PFM-EN 501 akzeptieren. Wenn also VIN und VOUT im Wert nahe beieinander liegen (innerhalb der Hysteresewerte der Spannungsquellen 716, 718) oder bei Aktivierung von PFM-EN 501, kann das Klemmsignal 302 auf null gesetzt werden.
  • 10 veranschaulicht den beispielhaften Betrieb des Wandlers 110, einschließlich der Erzeugung von Buck- und Boost-Rampen, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In 10 dargestellt ist ein Kurvenverlauf 1002 einer Boost-Stromrampe, wie z. B. Boost-Rampe 404; Kurvenverlauf 1004 einer Buck-Stromrampe, wie z. B. Die Buck-Rampe 402; und Kurvenverlauf 1006 des Ausgangs von einem Fehlerverstärker, wie z. B. Ausgang des Verstärkers 344. In einer Ausführungsform kann der Fehlerverstärkerausgang, wie z.B. Ausgang des Verstärkers 344, wie geplottet, durch Klemmschaltung 352 geklemmt werden, um Klemmsignals 302 zu erhalten. 10 kann für VIN von 14 Volt, VOUT von 6 Volt und eine Widerstandslast von 10 Ohm veranschaulicht werden. Wie in 10 gezeigt, ist die Boost-Stromrampe von Kurvenverlauf 1002 perfekt oder fast perfekt auf die Buck-Stromrampe von Kurvenverlauf 1004 überlagert.
  • 11 veranschaulicht den beispielhaften Betrieb des Wandlers 110, einschließlich weiterer Details der Buck- und Boost-Rampen, entsprechend den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. 11 kann den allgemeinen Betrieb von Buck- und Boost-Rampen veranschaulichen. In 11 kann VIN von 3 Volt auf 14 Volt und zurück auf 3 Volt verlaufen. VOUT kann konstant bei 6 Volt gehalten werden. 11 kann die Beziehung zwischen VIN, VOUT und den Buck- und Boost-Rampen veranschaulichen. Die Buck-Rampe steht mit VIN in Beziehung und die Steigung oder der Spitzenwert ist hoch, wenn VIN hoch ist. VOUT kann relativ konstant sein, da es sich um die geregelte Ausgangsspannung des Wandlers handelt. Wenn die Steigung oder der Spitzenwert der Boost-Rampe definiert wird, behält die in der Abbildung gezeigte Boost-Rampe ihre Steigung oder Spitzenwert. Ein Sockelwert zwischen den Rampen wird gezeigt.
  • In 11 dargestellt ist ein Kurvenverlauf 1102 einer Buck-Stromrampe, wie z. B. Die Buck-Rampe 402; Kurvenverlauf 1104 einer Boost-Stromrampe, wie z. B. Boost-Rampe 404; und Kurvenverlauf 1106 des Fehlerverstärkerausgangs, wie z. B. Ausgang des Verstärkers 344. Darüber hinaus wird Kurvenverlauf 1108 gleichzeitig in einem anderen Maßstab dargestellt, was der sich ändernden Wert von VIN veranschaulicht. Da 1106 der Ausgang des Fehlerverstärkers ist, wird je nach Eingangsspannung und Lastzustand der Fehlerverstärkerausgang durch die Regelschleife so eingestellt, dass die Ausgangsspannung des Wandlers gut auf den erwarteten Stand geregelt ist. Wenn Kurvenverlauf 1106 1102 kreuzt, ändert sich der Betriebszyklus kontinuierlich und so wird die Ausgangsspannung unter unterschiedlichen Eingangsspannungs- und Lastbedingungen geregelt. Wenn sich Kurvenverlauf 1106 von Kurvenverlauf 1102 zu Kurvenverlauf 1104 bewegt, bewegt sich der Wandler 110 vom Buck-Betrieb zum Boost-Betrieb.
  • Wenn VIN abnimmt, kann der Strom durch LSMPS abnehmen, und somit kann auch das Kurvenverlauf 1102, das die Buck-Stromrampe darstellt, abnehmen. Mit zunehmender VIN kann der Strom durch LSMPS zunehmen, und somit kann auch das Kurvenverlauf 1102 zunehmen. Der absolute Wert von Kurvenverlauf 1104 kann Kurvenverlauf 1102 folgen, aber die Differenz zwischen Kurvenverlauf 1104 und Kurvenverlauf 1102 kann gleich bleiben, da der Anteil der Rampe aufgrund der Boost-Stromrampe gleich bleiben kann, und da die Boost-Stromrampe auf die Buck-Stromrampe überlagert wird.
  • Durch Hinzufügen von variablem Boost-Anteil 603 zu variablem Buck-Anteil 601 kann ein reibungsloser Übergang vom Buck-Modus zum Boost-Modus und vom Boost-Modus zum Buck-Modus erreicht werden.
  • 12 veranschaulicht den beispielhaften Betrieb des Wandlers 110, einschließlich Übergänge zwischen den Betriebsmodi, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. 12 veranschaulicht Kurvenverlauf 1202 für VIN startend von 14V, abfallende Rampe bis zu 3V, zurück auf 14V und wiederholend. Darüber hinaus zeigt Kurvenverlauf 1202 nach Inbetriebnahme und erstem Hochfahren, dass VOUT bei ca. 6V stabil gehalten wird. Die Kurvenverlaufe 1102, 1104, 1106 aus 12 werden hier zur Referenz wiedergegeben. Kurvenverlauf 1206 kann ein Gate-Steuersignal (und damit den Betrieb von) S3 veranschaulichen, dem Boost-Teilstrecken-Low-Side-Schalter der Boost-Teilstreckenschaltung 208. Kurvenverlauf 1208 kann ein Gate-Steuersignal von S4 veranschaulichen, dem Boost-Teilstrecke hohen Seitenschalter der Boost-Teilstreckenschaltung 208. Kurvenverlauf 1210 kann ein Gate-Steuersignal von S2 veranschaulichen, dem Buck-Teilstrecken-Low-Side-Schalter der Buck-Teilstreckenschaltung 206. Kurvenverlauf 1212 kann ein Gate-Steuersignal von S1 veranschaulichen, dem Buck-Teilstrecken-High-Side-Schalter der Buck-Teilstreckenschaltung 206.
  • Wie in 12 dargestellt, kann S1 eingeschaltet sein (siehe Kurvenverlauf 1212) und S2 (dargestellt durch Kurvenverlauf 1210) ausgeschaltet sein, wenn VIN in Kurvenverlauf 1202 größer als VOUT in Kurvenverlauf 1204 ist. Dementsprechend kann die Boost-Teilstreckenschaltung 206 aktiviert werden. Darüber hinaus kann S3 ausgeschaltet sein (siehe Kurvenverlauf 1206) und S4 kann eingeschaltet sein (siehe Kurvenverlauf 1208). Somit kann die Boost-Teilstreckenschaltung 208 deaktiviert werden. Der Wandler 110 kann im Buck-Modus betrieben werden. Da VOUT 1204 zunächst auf 6 Volt ansteigt, kann die Strom-Rampe der Boost-Rampe 1104 im Vergleich zur Strom-Rampe der Buck-Rampe 1102 ansteigen. Nachdem VOUT (1204) 6 Volt erreicht hat und konstant bleibt, kann Boost-Rampe 1104 relativ zur Buck-Rampe 1102 gleich bleiben. Dies kann daran liegen, dass der inkrementelle Teil der Boost-Rampe 1104 zur Buck-Rampe 1102 addiert wird, wobei Buck-Rampe 1102 als Basis- oder Sockelwert für den inkrementellen Teil der Boost-Rampe 1104 wirkt. Wenn VIN 1102 fällt, kann die Buck-Rampe 1202 fallen.
  • Wie oben beschrieben, kann Kurvenverlauf 1106 das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers veranschaulichen. Kurvenverlauf 1106 kann schnell ansteigen, wenn VIN 1202 unter VOUT 1204 fällt. Zu einem Zeitpunkt von etwa 4 Millisekunden kann Kurvenverlauf 1106 den durch die Buck-Rampe 1202 festgelegten Schwellenwert kreuzen. Dies kann dazu führen, dass der Boost-Modus gestartet wird. Kurz darauf kann Kurvenverlauf 1106 die durch die Rampe 1104 festgelegte Schwelle kreuzen. Dies kann dazu führen, dass der Buck-Modus gestartet wird. Nach dieser Zeit bis etwa 5,5 Millisekunden kann S3 1206 eingeschaltet sein und S4 1208 kann ausgeschaltet sein, wodurch Boost-Teilstreckenschaltung 208 aktiviert wird, um LSMPS zu VOUT zu entladen. S1 1212 kann ausgeschaltet sein und S2 1210 kann eingeschaltet sein, wodurch Buck-Teilstreckenschaltung 206 deaktiviert wird, um VIN von LSMPS zu isolieren. Der Wandler 110 kann im Boost-Modus betrieben werden. Während einer Zwischenzeit, bei der sich die Kurvenverläufe überlappen und S1 1212 eingeschaltet ist, S2 1210 ausgeschaltet ist, S3 1206 eingeschaltet ist und S4 1208 ausgeschaltet ist, kann der Wandler 110 im Buck-Boost-Modus arbeiten. Die Dauer dieses Modus kann in Wandler 110 verringert werden, wie in 12 dargestellt.
  • VIN 1302 kann erneut beginnen zu steigen. Die Buck-Rampe 1102 kann ebenfalls beginnen zu steigen. Zu einem Zeitpunkt von etwa 5,5 Millisekunden kann VIN 1202 VOUT 1204 überschreiten. Kurvenverlauf 1106 kann schnell fallen. Kurvenverlauf 1106 kann die durch die Boost-Rampe 1104 festgelegte Schwelle kreuzen. Dies kann dazu führen, dass der Buck-Modus gestartet wird. Kurz darauf kann Kurvenverlauf 1106 die durch die Buck-Rampe 1102 festgelegte Schwelle kreuzen. Dies kann dazu führen, dass der Boost-Modus gestartet wird. Nach dieser Zeit bis etwa 9 Millisekunden kann S3 1206 ausgeschaltet sein und S4 1208 kann eingeschaltet sein, wodurch Boost-Teilstreckenschaltung 208 deaktiviert wird, um LSMPS von VOUT zu isolieren. S1 1212 kann eingeschaltet sein und S2 1210 kann ausgeschaltet sein, wodurch Buck-Teilstreckenschaltung 206 aktiviert wird, um VIN auf LSMPS anzuwenden. Der Wandler 110 kann im Buck-Modus arbeiten. Während einer Zwischenzeit, bei der sich die Kurvenverläufe überlappen und S1 1212 eingeschaltet ist, ist S2 1210 ausgeschaltet, S3 1206 ist eingeschaltet und S4 1208 ist ausgeschaltet, der Wandler 110 kann im Buck-Boost-Modus arbeiten. Die Dauer dieses Modus kann in Wandler 110 verringert werden, wie in 12 dargestellt.
  • 13 veranschaulicht den beispielhaften Betrieb des Wandlers 110, einschließlich Burst-Modus unter niedrigen Lastbedingungen für den Boost-Betriebsmodus, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Kurvenverlauf 1302 kann VOUT veranschaulichen. VOUT 1302 kann ca. 6V betragen. VIN kann 3V betragen. Eine Widerstandslast kann 6 KOhm betragen und kann ein Schwellenwert sein, für den der Burst-Modus aktiviert wird. Dieser Schwellenwert kann einstellbar sein. Kurvenverlauf 1304 kann ein Steuersignal für einen Low-Side-Boost-Teilstreckenschalter wie S3 veranschaulichen. Kurvenverlauf 1306 kann ein Steuersignal für einen High-Side-Boost-Teilstreckenschalter wie S4 veranschaulichen. Kurvenverlauf 1308 kann ein Steuersignal für einen Low-Side-Buck-Teilstreckenschalter wie S2 veranschaulichen. Kurvenverlauf 1310 kann ein Steuersignal für einen High-Side-Boost-Teilstreckenschalter wie S1 veranschaulichen.
  • Der Burst-Modus kann kurz nach 3,5 Millisekunden eingegangen werden. VOUT 1302 könnte gefallen sein. VOUT 1302 kann einen niedrigeren Schwellenwert erreicht haben. Der Burst-Modus kann aktiviert werden, um VOUT 1302 kurz zu erhöhen. Im regulären Boost-Modus oder Buck-Modus schalten entweder Boost-Teilstreckenschalter oder Buck-Teilstreckenschalter kontinuierlich mit der Schaltfrequenz. Im Burst-Modus wird das Schalten angehalten, wenn VOUT einen definierten Schwellenwert überschreitet und das Schalten wird erneut gestartet, wenn VOUT unter einem anderen definierten Schwellenwert liegt. S1 1310 ist aus, und S2 1308 ist ein für ca. 150 ns. Während der Zeit, in der S2 1308 ein ist, schalten S3 1304 und S4 1306 komplementär. Der Wandler 110 arbeitet im Boost-Betrieb. VOUT 1302 kann leicht, aber stark ansteigen. Nach Erreichen eines oberen Schwellenwerts werden S1 1310, S2 1308, S3 1304 und S4 1306 ausgeschaltet. VOUT 1302 kann aufgrund der vorhandenen Last am Ausgang des Wandlers 110 langsam abnehmen.
  • 14 veranschaulicht den beispielhaften Betrieb des Wandlers 110, einschließlich Burst-Modus bei Bedingungen mit geringer Last für den Buck-Betriebsmodus, gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Kurvenverläufe 1302 bis 1310 aus 13 können in 14 erneut verwendet werden. VIN kann 14V betragen. Die Widerstandslast kann wiederum 6 kOhm betragen, und einen einstellbaren Schwellenwert erreichen, für den in den Burst-Modus eingetreten wird.
  • Der Burst-Modus kann kurz vor 3,5 Millisekunden eingegangen werden. VOUT 1302 kann gefallen sein. VOUT 1302 kann einen niedrigeren Schwellenwert erreicht haben. Der Burst-Modus kann eingegangen werden, um VOUT 1302 kurz zu erhöhen. S3 1304 ist aus, und S4 1306 ist ein für etwa 300 ns. Während der Zeit, in der S4 1306 ein ist, schalten S1 1310 und S2 1308 komplementär. Der Wandler 110 arbeitet im Buck-Betrieb. VOUT 1302 kann leicht, aber scharf ansteigen. Nach Erreichen eines oberen Schwellenwerts werden S1 1310, S2 1308, S3 1304 und S4 1306 ausgeschaltet. VOUT 1302 kann aufgrund der vorhandenen Last am Ausgang des Wandlers langsam abnehmen.
  • 15 veranschaulicht den Buck-Betrieb des Wandlers 110 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung.
  • Kurvenverlauf 1502 kann eine Buck-Rampe veranschaulichen, wie z. B. Die Buck-Rampe 402. Kurvenverlauf 1504 kann eine Boost-Rampe veranschaulichen, wie z. B. Boost-Rampe 404. Kurvenverlauf 1506 kann den Ausgang des Fehlerverstärkers veranschaulichen, wie z. B. den Ausgang des Verstärkers 344. Kurvenverlauf 1510 kann die Spannung an einem Kreuzungspunkt SW1 am Mittelpunkt zwischen den Schaltern S1 und S2 veranschaulichen, wie in 2 dargestellt. Die Spannung von SW1 (VSW1) kann die Spannung auf einer ersten Seite von LSMPS sein. Kurvenverlauf 1508 kann die Spannung an einem Kreuzungspunkt SW2 am Mittelpunkt zwischen den Schaltern S3 und S4 veranschaulichen, wie in 2 dargestellt. Die Spannung von SW2 (VSW2) kann die Spannung auf einer zweiten Seite von LSMPS sein. VSW1 und VSW2 können den Zustand von S1 bis S4 repräsentieren. Wenn VSW1 hoch ist, entspricht es dem Fall, dass S1 eingeschaltet und S2 ausgeschaltet ist. Wenn VSW2 hoch ist, entspricht es dem Fall, dass S5 eingeschaltet und S3 ausgeschaltet ist.
  • In einem ersten Schaltzyklus kann die Buck-Teilstreckenschaltung 206 eingeschaltet sein, bis Buck-Rampe 1502 das Fehlerverstärkerausgangssignal 1506 erreicht. Die Buck-Teilstreckenschaltung 206 ist eingeschaltet, wie durch einen Wert ungleich Null von SW1 1510 angegeben, wobei S1 eingeschaltet ist und S2 ausgeschaltet ist. Wenn die Buck-Teilstreckenschaltung 206 ausgeschaltet ist, kann S1 ausgeschaltet sein und S2 kann eingeschaltet sein, und SW1 1510 kann einen Wert von Null aufweisen. Die Buck-Rampe 1502 kann zum Zeitpunkt 1612 Fehlerverstärkerausgangssignal 1506 erreichen. Nach dem Zeitpunkt 1612 kann die Buck-Teilstreckenschaltung 206 ausgeschaltet sein.
  • Am Ende des ersten Schaltzyklus können Buck-Rampe 1502 und Boost-Rampe 1504 zurückgesetzt werden. Wenn die Buck-Rampe 1502 die Schwelle des Fehlerverstärkerausgangssignals 1606 in fallender Spannungsrichtung kreuzt, kann die Buck-Teilstreckenschaltung 206 wieder eingeschaltet werden. In einem nachfolgenden Schaltzyklus, zum Zeitpunkt 1516, kann die Buck-Rampe 1502 die Schwelle des Fehlerverstärkerausgangssignals 1506 in steigender Spannungsrichtung wieder überschreiten, und die Buck-Teilstreckenschaltung 206 kann wieder ausgeschaltet werden. Dieser Vorgang kann sich für jeden Zyklus wiederholen.
  • Der Schalter S4 kann während des Buck-Modus kontinuierlich eingeschaltet sein, wie durch einen konstanten, nicht Null betragenden Wert von SW2 1508 gezeigt, wobei S4 eingeschaltet ist und S3 ausgeschaltet ist. Der Schalter S4 kann kontinuierlich eingeschaltet sein, um den rechten LSMPS-Anschluss mit VOUT zu verbinden.
  • 16 veranschaulicht den Boost-Betrieb des Wandlers 110 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Kurvenverläufe 1502, 1504, 1506, 1508, 1510 aus 15 können in 16 verwendet werden, allerdings mit unterschiedlichen Werten für die Kurvenverläufe 1508, 1510.
  • In einem ersten Schaltzyklus kann Boost-Teilstreckenschaltung 208 aus sein, bis Boost-Rampe 1504 den Ausgangswert von Fehlerverstärker 1506 erreicht. Die Boost-Teilstreckenschaltung 208 ist ausgeschaltet, wie mit einem Nullwert von SW2 1508 gekennzeichnet, wobei S3 ausgeschaltet ist und S2 eingeschaltet ist. Wenn die Boost-Teilstreckenschaltung 208 eingeschaltet ist, kann S4 eingeschaltet sein und S2 kann ausgeschaltet sein, und SW2 1508 kann einen positiven Wert ungleich Null aufweisen. Die Boost-Rampe 1504 kann den Ausgangswert von Fehlerverstärker 1506 zum Zeitpunkt 1612 erreichen. Nach der Zeit 1612 kann die Boost-Teilstreckenschaltung 208 eingeschaltet sein.
  • Am Ende des ersten Schaltzyklus können Buck-Rampe 1502 und Boost-Rampe 1504 zurückgesetzt werden. Wenn Boost-Rampe 1504 die Schwelle des Fehlerverstärkerausgangssignals 1506 in fallender Spannungsrichtung kreuzt, kann die Boost-Teilstreckenschaltung 208 wieder ausgeschaltet werden. In einem nachfolgenden Schaltzyklus, zum Zeitpunkt 1616, kann die Boost-Rampe 1504 die Schwelle des Fehlerverstärkerausgangssignals 1506 in steigender Spannungsrichtung wieder überschreiten und die Boost-Teilstreckenschaltung 208 kann wieder eingeschaltet werden. Dieser Vorgang kann sich für jeden Zyklus wiederholen.
  • Der Schalter S1 kann während des Boost-Modus kontinuierlich eingeschaltet sein, wie ein konstanter Wert ungleich null von SW1 1510 zeigt, wobei S1 eingeschaltet ist und S2 ausgeschaltet ist. Der Schalter S1 kann kontinuierlich eingeschaltet sein, um einen linken Anschluss von LSMPS mit VIN zu verbinden.
  • 17 veranschaulicht den Buck-Boost-Betrieb des Wandlers 110 gemäß den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die Kurvenverläufe 1502, 1504, 1506, 1508, 1510 aus 15 können in 16 verwendet werden, allerdings mit unterschiedlichen Werten für die Kurvenverläufe 1508, 1510.
  • Anfänglich kann die Buck-Teilstrecke 206 eingeschaltet sein und die Boost-Teilstrecke 208 kann ausgeschaltet sein. VSW1 1510 kann positiv sein und VSW2 1508 kann Null sein. Zum Zeitpunkt 1812 kann Boost-Rampe 1504 die Schwelle des Fehlerverstärkerausgangssignals 1506 in steigender Richtung kreuzen. So kann die Boost-Teilstreckenschaltung 208 eingeschaltet werden. VSW2 1508 kann positiv sein. Zum Zeitpunkt 1814 kann die Buck-Rampe 1502 die Schwelle des Fehlerverstärkerausgangssignals 1506 in steigender Richtung kreuzen. So kann die Buck-Teilstreckenschaltung 206 ausgeschaltet werden. VSW1 1510 kann Null sein. Zum Zeitpunkt 1716 kann der Schaltzyklus enden. Boost-Rampe 1504 und Buck-Rampe 1502 können zurückgesetzt werden. Wenn die Buck-Rampe 1502 fällt und das Fehlerverstärkerausgangssignal 1506 in fallender Richtung kreuzt, kann die Buck-Teilstreckenschaltung 206 eingeschaltet werden und VSW1 1510 kann wieder positiv werden. Da die Boost-Rampe 1504 anschließend fällt und das Fehlerverstärkerausgangssignal 1506 in fallende Richtung kreuzt, kann die Boost-Teilstreckenschaltung 206 ausgeschaltet werden und VSW2 1508 kann auf null zurückgehen. Die Operationen können sich in nachfolgenden Schaltzyklen wiederholen.
  • Die dynamische Anpassung des Boost-Rampensockelwerts Zyklus für Zyklus ermöglicht eine präzise Definition des Übergangsbereichs zwischen den oben gezeigten Modi, so dass ein sanfter Modusübergang realisiert werden kann. Gleichzeitig wird der Buck-Boost-Betriebsbereich reduziert oder minimiert, was im Allgemeinen die Effizienz des Wandlers erhöht.
  • Obwohl oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben wurden, können aus dieser Offenbarung andere Variationen und Ausführungsformen abgeleitet werden, ohne vom Geist und Schutzumfang dieser Ausführungsformen abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 62/730705 [0001]

Claims (18)

  1. Leistungswandler, der aufweist: eine Buck-Teilstreckenschaltung, die zwischen einem Spannungseingang des Leistungswandlers und Masse verbunden ist; eine Boost-Teilstreckenschaltung, die zwischen einem Spannungsausgang des Leistungswandlers und Masse verbunden ist; eine Induktivität, die zwischen der Buck-Teilstreckenschaltung und der Boost-Teilstreckenschaltung verbunden ist; einen Fehlerverstärker, der ausgebildet ist, um den Spannungsausgang des Leistungswandlers mit einer Referenzspannung zu vergleichen, um ein Rückkopplungssignal zu erhalten; und eine Steuerschaltung, die ausgebildet ist, um: eine Referenz-Buck-Rampe zu erzeugen, die ausgebildet ist, um mit dem Rückkopplungssignal verglichen zu werden, um zu bestimmen, ob die Buck-Teilstreckenschaltung im Buck-Modus betrieben werden soll; und eine Referenz-Boost-Rampe zu erzeugen durch Überlagern eines variablen Boost-Rampen-Teils auf die Referenz-Buck-Rampe, wobei die Referenz-Boost-Rampe ausgebildet ist, um mit dem Feedback-Signal verglichen zu werden, um zu bestimmen, ob die Boost-Teilstreckenschaltung im Boost-Modus betrieben werden soll.
  2. Leistungswandler nach Anspruch 1, der weiterhin eine Burst-Modus-Schaltung aufweist, die so ausgebildet ist, dass ein Signal an die Steuerschaltung gesendet wird, um die Buck-Teilstreckenschaltung oder die Boost-Teilstreckenschaltung basierend auf einer Feststellung, dass eine mit dem Leistungswandler verbundene Last einen Schwellenwert unterschritten hat, in einem Burst-Modus zu betreiben.
  3. Leistungswandler nach Anspruch 2, der weiterhin eine Klemmschaltung aufweist, die so ausgebildet ist, dass das Rückkopplungssignal basierend darauf, ob der Burst-Modus verwendet werden soll, auf zumindest einen Mindestwert geändert wird.
  4. Leistungswandler nach Anspruch 3, wobei die Klemmschaltung weiterhin ausgebildet ist, um das Rückkopplungssignal basierend auf Spannungseingang und Spannungsausgang des Leistungswandlers zu ändern.
  5. Leistungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der weiterhin einen Stromsensor aufweist, der so ausgebildet ist, dass er im Leistungswandler fließende Strom erfasst, und wobei die Steuerschaltung weiterhin so ausgebildet ist, dass sie die Referenz-Buck-Rampe basierend auf dem vom Stromsensor erfassten Strom erzeugt.
  6. Leistungswandler nach Anspruch 5, wobei der Stromsensor so ausgebildet ist, dass er Strom in der Boost-Teilstreckenschaltung erfasst.
  7. System, das aufweist: eine Spannungsquelle; und einen Leistungswandler, der für den Empfang eines Eingangssignals von der Spannungsquelle an einem Spannungseingang des Leistungswandlers ausgebildet ist, wobei der Leistungswandler aufweist: eine Buck-Teilstreckenschaltung, die zwischen dem Spannungseingang des Leistungswandlers und Masse verbunden ist; eine Boost-Teilstreckenschaltung, die zwischen einem Spannungsausgang des Leistungswandlers und Masse verbunden ist; eine Induktivität, die zwischen der Buck-Teilstreckenschaltung und der Boost-Teilstreckenschaltung verbunden ist; einen Fehlerverstärker, der ausgebildet ist, um den Spannungsausgang des Leistungswandlers mit einer Referenzspannung zu vergleichen, um ein Rückkopplungssignal zu erhalten; und eine Steuerschaltung, die ausgebildet ist, um: eine Referenz-Buck-Rampe zu erzeugen, die mit dem Rückkopplungssignal verglichen zu werden soll, um zu bestimmen, ob die Buck-Teilstreckenschaltung im Buck-Modus betrieben werden soll; und eine Referenz-Boost-Rampe zu erzeugen durch Überlagern eines variablen Boost-Rampen-Anteils auf die Referenz-Buck-Rampe, wobei die Referenz-Boost-Rampe ausgebildet ist, um mit dem Feedback-Signal verglichen zu werden, um zu bestimmen, ob die Boost-Teilstreckenschaltung im Boost-Modus betrieben werden soll.
  8. System nach Anspruch 7, wobei der Leistungswandler weiterhin eine Burst-Modus-Schaltung aufweist, die so ausgebildet ist, dass sie ein Signal an die Steuerschaltung sendet, um die Buck-Teilstreckenschaltung oder die Boost-Teilstreckenschaltung basierend auf der Feststellung, dass eine mit dem Leistungswandler verbundene Last einen Schwellenwert unterschritten hat, in einem Burst-Modus zu betreiben.
  9. System nach Anspruch 8, wobei der Leistungswandler weiterhin eine Klemmschaltung aufweist, die so ausgebildet ist, dass das Rückkopplungssignal basierend darauf, ob der Burst-Modus verwendet werden soll, auf zumindest einen Mindestwert geändert wird.
  10. System nach Anspruch 9, wobei die Klemmschaltung weiterhin ausgebildet ist, um das Rückkopplungssignal basierend auf Spannungseingang und Spannungsausgang des Leistungswandlers zu ändern.
  11. System nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei der Leistungswandler weiterhin einen Stromsensor aufweist, der ausgebildet ist, um im Leistungswandler fließenden Strom zu erfassen, und wobei die Steuerschaltung weiterhin ausgebildet ist, die Referenz-Buck-Rampe basierend auf dem vom Stromsensor erfassten Strom zu erzeugen.
  12. System nach Anspruch 11, wobei der Stromsensor so ausgebildet ist, dass er Strom in der Boost-Teilstreckenschaltung erfasst.
  13. Verfahren zur Leistungswandlung, das aufweist: Empfangen eines Eingangssignals von einer Spannungsquelle an einem Spannungseingang eines Leistungswandlers; Betreiben des Leistungswandlers im Buck-Modus mit einer zwischen dem Spannungseingang des Leistungswandlers und Masse verbundenen Buck-Teil streckenschaltung; Betreiben der Leistungswandler im Boost-Modus mit einer zwischen einem Spannungsausgang des Leistungswandlers und Masse verbundenen Boost-Teil streckenschaltung; Verbinden einer Induktivität zwischen der Buck-Teilstreckenschaltung und der Boost-Teil streckenschaltung; mit einem Fehlerverstärker Vergleichen des Spannungsausgangs des Leistungswandlers mit einer Referenzspannung, um ein Rückkopplungssignal zu erhalten; und mit einer Steuerschaltung: Erzeugen einer Referenz-Buck-Rampe, die so ausgebildet ist, dass sie mit dem Rückkopplungssignal verglichen wird, um zu bestimmen, ob die Buck-Teilstreckenschaltung im Buck-Modus betrieben werden soll; und Erzeugen einer Referenz-Boost-Rampe durch Überlagern eines variablen Boost-Rampen-Anteils auf die Referenz-Buck-Rampe, wobei die Referenz-Boost-Rampe ausgebildet ist, um mit dem Feedback-Signal verglichen zu werden, um zu bestimmen, ob die Boost-Teilstreckenschaltung im Boost-Modus betrieben werden soll.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Leistungswandler weiterhin eine Burst-Modus-Schaltung aufweist, die so ausgebildet ist, dass sie ein Signal an die Steuerschaltung sendet, um die Buck-Teilstreckenschaltung oder die Boost-Teilstreckenschaltung basierend auf der Feststellung, dass eine mit dem Leistungswandler verbundene Last einen Schwellenwert unterschritten hat, in einem Burst-Modus zu betreiben.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, wobei der Leistungswandler weiterhin eine Klemmschaltung aufweist, die so ausgebildet ist, dass das Rückkopplungssignal basierend darauf, ob der Burst-Modus verwendet werden soll, auf zumindest einen Mindestwert geändert wird.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die Klemmschaltung weiterhin ausgebildet ist, um das Rückkopplungssignal basierend auf Spannungseingang und Spannungsausgang des Leistungswandlers zu ändern.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Leistungswandler weiterhin einen Stromsensor aufweist, der so ausgebildet ist, dass er Strom erfasst, der im Leistungswandler fließt, und wobei die Steuerschaltung weiterhin so ausgebildet ist, dass sie basierend auf dem vom Stromsensor erfassten Strom die Referenz-Buck-Rampe erzeugt.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei der Stromsensor so ausgebildet ist, dass er Strom in der Boost-Teilstreckenschaltung erfasst.
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