DE19814681B4

DE19814681B4 - Current-Mode-Schaltregler

Info

Publication number: DE19814681B4
Application number: DE19814681A
Authority: DE
Inventors: Karim-Thomas Taghizadeh Kaschani
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1998-04-01
Publication date: 2008-11-13
Anticipated expiration: 2018-04-02
Also published as: DE19814681A1; US6222356B1

Abstract

Current-Mode-Schaltregler zur Stromversorgung mit den folgenden Merkmalen:
(a) mit einer ersten Regeleinrichtung (1) zur Spannungsregelung und einer zweiten Regeleinrichtung zur Laststromregelung, die jeweils zwei Eingänge und jeweils einen Ausgang aufweisen, wobei
– einem ersten Eingang der ersten Regeleinrichtung (1) ein Referenzsignal (2) und einen zweiten Eingang als Regelgröße ein Ausgangssignal (3) des Current-Mode-Schaltreglers zuführbar ist und wobei
– der Ausgang der ersten Regeleinrichtung (1) mit einem ersten Eingang der zweiten Regeleinrichtung (5) gekoppelt ist,
(b) mit mindestens einem durch ein Steuersignal (11) der zweiten Regeleinrichtung (5) steuerbaren Leistungsschalter (12), dessen Laststrecke zwischen einem ersten Pol mit einem ersten Versorgungspotential (13) und einem zweiten Pol mit einem zweiten Versorgungspotential (14) angeordnet ist,
(c) mit einer Drosseleinrichtung (15) und einer Last (16), die in Reihe zueinander und zur Laststrecke des steuerbaren Leistungsschalters (12) angeordnet sind und die zusammen ohne Zwischenschaltung eines Messwiderstandes einen Spannungsteiler (15, 16) bilden,...

Description

Die Erfindung betrifft einen Current-Mode-Schaltregler zur Stromversorgung insbesondere zur Anwendung in getakteten Stromversorgungen.
Getaktete Stromversorgungen umfassen üblicherweise einen Gleichrichter, einen zur Pulsweitenmodulation vorgesehenen Leistungsschalter, einen Filter sowie einen Regler zur Steuerung des Leistungsschalters. Eine Eingangsspannung – beispielsweise eine gleichgerichtete Netzspannung – wird von dem als Pulsweitenmodulator wirkenden Leistungsschalter in eine gepulste Gleichspannung mit variablen Tastverhältnis umgewandelt. Die Pulsfrequenz kann dabei variabel oder fest eingestellt sein.
Die Aufgabe des Reglers besteht darin, die Spannung am Ausgang des Filters über einen weiten Ausgangsstrombereich konstant zu halten. Der Regler muß also die Spannung am Ausgang des Filters und den Strom am Ausgang des Filters als Eingangsgrößen verarbeiten und daraus ein Steuersignal für den Leistungsschalter bilden. Das Taktverhältnis des Schalters wird dabei durch das Steuersignal beeinflußt.
Zur Regelung von solchen Schaltreglern existieren im wesentlichen drei verschiedene Regelstrategien: die Voltage-Mode-Regelung, die Feed-Forward-Regelung und die Current-Mode-Regelung.
Eine besonders elegante und effektive Regelung, die zudem nur vergleichsweise kleine Kompensationskapazitäten erfordert und somit ideal für den Einsatz in integrierten Schaltungen ist, stellt dabei die Current-Mode-Regelung dar.
Current-Mode Schaltregler weisen zwei Regelkreise auf. Der innere Regelkreis dient dabei zur Regelung des Laststromes, während der äußere Regelkreis zusammen mit dem inneren Regelkreis zur Regelung der Ausgangsspannung dient. Bei eingeschaltetem Schalttransistor weist die Spannung an einem Meßwiderstand verursacht durch den rampenförmig ansteigenden Strom durch die Drosselspule des Schaltreglers ebenfalls eine rampenförmige Gestalt auf. Bei Erreichen einer durch den äußeren Regelkreis vorgegebenen Sollspannung schaltet der Schalttransistor ab.
Bei Current-Mode Schaltreglern ist zur Stromabfassung an der Drossel bisher, wie oben beschrieben, ein Meßwiderstand im Laststromkreis erfordert. Dieser Meßwiderstand ist zur Stromerfassung typischerweise niederohmig ausgebildet und aufgrund seiner Verluste für den Einsatz in integrierten Schaltung nicht geeignet. Solche Meßwiderstände müssen kostenintensiv extern an den integrierten Schaltungen angeschlossen werden, was erheblichen Aufwand bei der Herstellung erfordert.
Das Vorsehen eines typischerweise externen Meßwiderstandes erweist sich jedoch nicht nur aus Kostengründen als nachteilig, sondern reduziert auch den Wirkungsgrad des Schaltreglers. Da der Meßwiderstand typischerweise extern an der integrierten Schaltung angeschlossen werden muß, ist es, abgesehen von einem größeren Platzbedarf auf der Platine, unter Umständen notwendig, einen zusätzlichen Ausgangsanschluß an der integrierten Schaltung vorzusehen.
Schließlich weist der gemessene Spannungsabfall am Meßwiderstand pro Schaltperiode eine anfängliche Spannungsspitze auf, die beim Einschalten des Leistungsschalters durch Umladung parasitärer Kapazitäten entsteht. Diese unerwünschten Span nungsspitzen müssen durch zusätzliche, schaltungstechnisch aufwendige Maßnahmen – wie z. B. dem sogenannten "Leading Edge Current Blanking" – ausgeblendet werden, da sie sonst den tatsächlichen Meßwert unzulässig verfälschen.
Die DE 26 25 036 A1 beschreibt einen Schaltwandler mit Eingangsklemmen zum Anlegen einer Eingangsspannung, einem Tiefpassfilter, das Ausgangsklemmen zur Spannungsversorgung einer Last aufweist, und mit einem zwischen die Eingangsklemmen und das Tiefpassfilter geschalteten Schalter. Der Schalter wird durch ein Ansteuersignal pulsweitenmoduliert angesteuert, wobei einem Regler zur Einstellung eines Duty-Cycle des Ansteuersignals die Ausgangsspannung des Schaltwandlers über einen PI-Regler sowie die Eingangsspannung des Tiefpassfilters über einen integrierenden Regler zugeführt sind.
Die DE 41 01 892 A1 beschreibt einen Transkonduktanzverstärker (OTA) der beispielsweise in Integratoren einsetzbar ist.
Die DE 44 22 399 A1 beschreibt ein Schaltnetzteil mit einer Spule und mit einem parallel zu der Spule geschalteten Integrator, der die Spannung über der Spule integriert und der ein zu dem Spulenstrom proportionales Signal bereitstellt.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen sogenannten Current-Mode-Schaltregler anzugeben, der für die Realisierung in integrierter Schaltungstechnik besser geeignet ist.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch einen Current-Mode-Stromregler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Demgemäß ist ein Current-Mode Schaltregler zur Stromversorgung mit den folgenden Merkmalen vorgesehen:

(a) mit einer ersten Regeleinrichtung zur Spannungsregelung und einer zweiten Regeleinrichtung zur Laststromregelung, die jeweils zwei Eingänge und jeweils einen Ausgang auf weisen, wobei einem ersten Eingang der ersten Regeleinrichtung ein Referenzsignal und einen zweiten Eingang als Regelgröße ein Ausgangssignal des Current-Mode-Schaltreglers zuführbar ist und wobei der Ausgang der ersten Regeleinrichtung mit einem ersten Eingang der zweiten Regeleinrichtung gekoppelt ist,
(b) mit mindestens einem durch ein Steuersignal der zweiten Regeleinrichtung steuerbaren Leistungsschalter, dessen Laststrecke zwischen einem ersten Pol mit einem ersten Versorgungspotential und einem zweiten Pol mit einem zweiten Versorgungspotential angeordnet ist,
(c) mit einer in Reihe zur dieser Laststrecke angeordneten Drosseleinrichtung,
(d) mit einem Integrator, der durch zeitliche Integration der an der Drosseleinrichtung abfallenden Drosselspannung ein einen Laststrom abbildendes Regelsignal erzeugt, das als Regelgröße in einen zweiten Eingang der zweiten Regeleinrichtung eingekoppelt wird.

Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der Unteransprüche.
Bei dem erfindungsgemäßen Current-Mode-Schaltregler kann auf einen Meßwiderstand zur Abfassung der Meßspannung wie bisher üblich, verzichtet werden. Die zur Regelung des Laststromes notwendige Meßspannung wird hier an der Drosselinduktivität selbst, die ohnehin für die Funktionsweise des Schaltreglers erforderlich ist, abgegriffen. Man nutzt dabei die Beziehung zwischen Strom I und Spannung U an einer Induktivität I, d. h. U = L dI/dt.
Diese Drosselspannung U wird anschließend einem Integrator, z. B. einer spannungsgesteuerten Stromquelle mit nachgeschaltetem Integrierglied, zugeführt. Es wird also die an der Drosselinduktivität abfallende Spannung über die Zeit aufintegriert. Auf diese Weise ist ein zusätzlicher, typischerweise extern ausgebildeter Meßwiderstand mit allen oben beschriebenen Nachteilen nicht mehr erforderlich.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnung angegebenen Ausführungsbeispiele näher erläutert.
Es zeigt dabei:
1 ein allgemeines Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Current-Mode-Schaltreglers;
2 ein Detailschaltbild mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Schaltreglers;
3 einige Signal-/Zeit-Diagramme des erfindungsgemäßen Schaltreglers entsprechend 2.
In den Figuren der Zeichnung sind gleiche bzw. funktionsgleiche Elemente und Signale, sofern nicht anders angegeben, mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 zeigt ein allgemeines Blockschaltbild des erfindungsgemäßen Current-Mode-Schaltreglers beispielsweise für den Einsatz in einem Schaltnetzteil.
Der Current-Mode-Schaltregler in 1 enthält eine erste Regeleinrichtung 1. Die erste Regeleinrichtung 1 weist zwei Regeleingänge und einen Ausgang auf. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird dem positiven Eingang der ersten Regeleinrichtung 1 ein Referenzpotential 2 zugeführt. Dem negativen Eingang der ersten Regeleinrichtung 1 wird über einen Rückkopplungszweig 4 als Regelgröße das Ausgangspotential 3 des Schaltreglers eingekoppelt. Am Ausgang der ersten Regeleinrichtung 1 ist ein Sollpotential 23 abgreifbar, das einer nachgeschalteten zweiten Regeleinrichtung 5 zugeführt wird.
Die zweite Regelreinrichtung 5 enthält beispielsweise eine Einrichtung zur Pulsweitenmodulation (PWM), der über einen Rückkopplungszweig 7 die Regelgröße zuführbar ist. Die PWM-Einrichtung umfaßt einen PWM-Komparator 8, in dessen positiven Eingang das Sollpotential 23 und in dessen negativen Eingang als Regelgröße das Regelsignal 24 der zweiten Regeleinrichtung 5 eingekoppelt wird. Das Ausgangssignal des PWM-Komparators 8 wird zusammen mit dem Systemtakt 10 einem nachgeschalteten Latch 9 zugeführt. Am Ausgang des Latches 9 ist dann ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal 11 abgreifbar, über das der Steueranschluß eines nachgeschalteten Laststromschalter 12 angesteuert wird.
Der Laststromschalter 12 ist zwischen einem ersten Pol mit einem ersten Versorgungspotential 13 und einem zweiten Pol mit einem zweiten Versorgungspotential 14 geschaltet. Das erste Versorgungspotential 13 kann dabei das Eingangspotential sein, während das zweite Versorgungspotential 14 das Potential der Bezugspotential sein kann.
In Reihe zur Laststromstrecke des Leistungsschalters 12 ist eine Drosselinduktivität 15 sowie eine Last 16, die nicht notwendigerweise resistiv sein muß, geschaltet. Am Abgriff zwischen Drosselinduktivität 15 und Last 16 ist das Ausgangspotential 3 des Current-Mode-Schaltreglers abgreifbar. Am Abgriff zwischen Drosselinduktivität 15 und Leistungsschalter 12 ist ein Meßpotential 17 abgreifbar. Die an der Drosselinduktivität 15 abfallende Drosselspannung 18 wird einem Integrator, z. B. einer spannungsgesteuerten Stromquelle 19 zugeführt. Dabei wird das Meßpotential 17 dem positiven Eingang und das Ausgangspotential 3 dem negativen Eingang der spannungsgesteuerten Stromquelle 19 zugeführt. Die spannungsgsteuerte Stromquelle 19 erzeugt das Regelsignal 24, das wie oben erwähnt über den Rückkopplungszweig 7 als Regelgröße der PWM-Einrichtung zugeführt wird.
Zusätzlich ist in 1 ein Freilaufelement 20 sowie ein Element zur Spannungsglättung 21 vorgesehen. Das Freilaufelement 20 ist hier als Freilaufdiode vorgesehen, während das Element zur Spannungsglättung als Glättungskondensator 21 ausgebildet ist. Der Glättungskondensator 21 ist dabei der Last 16 parallel geschaltet, während die Freilaufdiode 20 zwischen Bezugsmasse 14 und dem Abgriff des Leistungsschalters 12 und der Drosselspule 15 geschaltet ist.
Der steuerbare Leistungsschalter 12 kann durch jede Art von Feldeffekt gesteuerten Transistoren, gesteuerten Bipolartransistoren oder ähnlichen steuerbaren Schaltern gebildet sein. Wesentlich ist hier lediglich, daß der steuerbare Leistungsschalter 12 für das Schalten eines (gepulsten) Laststromes 22 im Lastkreis des Schaltreglers geeignet ist.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Drosselspule 15 zwischen Last 16 und Leistungsschalter 12 geschaltet. Die Drosselspule 15 kann jedoch auch zwischen Leistungsschalter 12 und erstem Pol der Versorgungsspannungsquelle 13 geschaltet sein. Die Drosselinduktivität 15 kann als Spule, als Teil eines Transformators oder einem ähnlichen induktiven Element gebildet sein. Wesentlich ist hier lediglich, daß die Drosselinduktivität im Lastkreis des Schaltreglers angeordnet ist.
Der Glättungskondensator 21 und die Drosselinduktivität 15 dienen zur Glättung des Ausgangspotentials 3 bzw. des Laststromes 22 des Current-Mode-Schaltreglers. Das Freilaufelement 20 dient dabei zum Schutz des Leistungsschalters 12 vor Zerstörung bei Überschreiten dessen Sperrspannung.
Die erste Regeleinrichtung 1 wird typischerweise auch als äußerer Regelkreis bezeichnet, während die zweite Regeleinrichtung 5 als innerer Regelkreis bezeichnet wird. Die erste Regeleinrichtung 1 dient dabei zur Regelung des Ausgangspotentiales 3 des Schaltreglers, während die zweite Regeleinrichtung 5 zur Regelung des Laststromes 22 vorgesehen ist.
Die zweite Regeleinrichtung 5 weist typischerweise, jedoch nicht notwendigerweise, eine PWM-Einrichtung entsprechend 1 auf. Wesentlich ist hier lediglich, daß die zweite Regeleinrichtung 5 Mittel zur Regelung des Laststromes 22 aufweist.
In der Schaltungsanordnung entsprechend 1 wird die Meßspannung nicht wie bisher üblich an einem resistiven Meßelement, beispielsweise einem Meßwiderstand, abgegriffen und als Regelgröße des inneren Regelkreises rückgekoppelt. Es wird hier vielmehr die Spannung an der ohnehin vorhandenen und zwingend notwendigen Drosselinduktivität 15 abgegriffen. Diese Drosselspannung 18 wird dann einem Integrator zugeführt. Auf diese Weise wird der Laststrom 22 durch Messung des Spannungsabfalls 18 über der Drosselinduktivität 15 und zeitliche Integration ermittelt. Am Ausgang der spannungsgesteuerten Stromquelle ist dann ein vom Laststrom 22 abgeleitetes Regelsignal 24 abgreifbar, das als Regelgröße des inneren Regelkreises der PWM-Einrichtung zuführbar ist.
Die genaue Funktionsweise des erfindungsgemäßen Current-Mode Schaltreglers wird anhand eines Detailschaltbildes entsprechend 2 näher erläutert. In 2 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung aus 1 angegeben, das zusätzlich Mittel zur Kompensation einer Regelabweichung des äußeren Regelkreises aufweist.
In 2 ist die erste Regeleinrichtung 1 als Verstärker ausgebildet, dessen Verstärkung in der Regel frequenzabhängig ist. Die erste Regeleinrichtung 1 enthält einen Komparator 30, zwischen dessen Ausgang und negativem Eingang ein erster Widerstand 31 geschaltet ist. Der Parallelschaltung des Komparators 30 und des Widerstandes 31 ist ein zweiter Widerstand 32 in Reihe vorgeschaltet ist. über das Verhältnis der Widerstandswerte des ersten Widerstandes 31 und des zweiten Widerstandes 32 ist somit bekanntermaßen der Verstärkungsfaktor des Verstärkers und damit der ersten Regeleinrichtung 1 dimensionierbar.
Die PWM-Einrichtung 5 ist in 2 durch einen PWM-Komparator 8 und einem dem PWM-Komparator 8 nachgeschalteten RS-Flip-Flop 9 realisiert. Dabei wird das Ausgangssignal des PWM-Komparators 8 in den Reset-Eingang und der Systemtakt 10 in den Set-Eingang des RS-Flip-Flops 9 eingekoppelt. Das am Ausgang des RS-Flip-Flops 9 abgreifbare pulsweitenmodulierte Ansteuersignal 11 wird dem Steueranschluß des nachgeschalteten Leistungsschalters 12 zugeführt. Der Leistungsschalter 12 ist hier als npn-Bipolartransistor realisiert. Das als RS-Flip-Flop 9 ausgebildete Latch dient dazu, daß jeweils nur ein Puls pro Taktperiode dem Steueranschluß des nachgeschalteten Leistungsschalters 12 zugeführt wird. Im eingeschwungenen Zustand und bei geschlossenen Leistungsschalter 12 fließt im Mittel ein konstanter Laststrom.
Die durch die Drosselspannung 18 gesteuerte spannungsgesteuerte Stromquelle 19 ist in 2 als Transkonduktanzverstarker 33 mit nachgeschaltetem integrierenden Element 34 ausgebildet. Zwischen dem Ausgang des Transkonduktanzverstärkers 33 und dem zweiten Pol der Versorgungsspannungsquelle ist als integrierendes Element 34 ein Kondensator geschaltet. Es wäre selbstverständlich auch denkbar, als spannungsgesteuerte Stromquelle 19 einen Operationsverstärker zu verwenden, jedoch wäre diese Möglichkeit schaltungstechnisch sehr viel aufwendiger.
Der Transkonduktanzverstärker erzeugt aus der Meßspannung über der Drosselinduktivität 15, d. h. aus der Differenz des Meßpotentiales 17 und des Ausgangspotentiales 3, einen Ausgangsstrom, der über das integrierende Element 34 über die Zeit aufintegriert wird. Der aufintegrierte Ausgangsstrom 24 bildet dann den Laststrom 22 ab. Über den Rückkopplungszweig 7 wird dann das sich ergebende Regelpotential 40 über eine Spannungsquelle 38 als Regelgröße des inneren Regelkreises rückgekoppelt. Die Trägheit dieses inneren Regelkreises bzw. der zweiten Regeleinrichtung 5 ist dabei über den Kondensator 34 dimensionierbar.
Zusätzlich ist in 2 eine sogenannte "Feed-Forward Regelschaltung" zur Kompensation einer Regelabweichung der Sollspannung des äußeren Regelkreises vorgesehen. Dazu ist eine Kompensationseinrichtung 35 vorgesehen, die einen zweiten Transkonduktanzverstärker 36 und einen Kondensator enthält. Dem negativen Eingang des Transkonduktanzverstärkers 36 wird das Sollpotential 23 der ersten Reglereinrichtung 1 zugeführt. Dem positiven Eingang des Transkonduktanzverstärkers 36 wird ein zweites Sollpotential 37 einer Sollwertspannungsquelle zugeführt. Am Ausgang der Kompensationseinrichtung ist dann ein Kompensationssignal 39 abgreifbar, das über den Rückkopplungszweig 7 zusammen mit dem Ausgangsstrom 24 das Regelpotential 40 erzeugt und in den Regeleingang der PWM-Einrichtung eingekoppelt wird.
Nachfolgend wird die Funktionsweise dieser Kompensationseinrichtung 35 näher erläutert.
Wie oben erläutert ergibt sich der Verstärkungsfaktor des Komparators 30 und damit der ersten Regeleinrichtung 1 über das Verhältnis der Widerstandswerte der Widerstände 31 und 32. Weist jedoch der Komparator 30 eine zu kleine Verstärkung auf, dann kann es zu einer Regelabweichung im Ausgangssignal der ersten Reglereinrichtung 1 kommen, d. h. es kommt zu einer Abweichung des von der ersten Reglereinrichtung 1 ausgangsseitig erzeugten Sollpotentiales 23 von einem vorgegebenen Sollpotential 37.
Eine Vergrößerung des Verstärkungsfaktors des Komparators 30 durch geeignete Dimensionierung der Widerstände 31, 32 ist jedoch nur begrenzt möglich, da bei einer zu großen Verstärkung der äußere Regelkreis nicht stabil ist und anfängt zu schwingen. Beispielsweise ergibt sich bei einem Verstärkungsfaktor V = 10 eine Regelabweichung des Sollpotentials 23 der ersten Reglereinrichtung 1 vom vorgegebenen Sollpotential 37 von etwa 10%.
Zur Kompensation dieser Regelabweichung wird das Sollpotentials 23 der ersten Regeleinrichtung 1 der Kompensationsvorrichtung 35 zugeführt. Bei einer Regelabweichung wird am Ausgang der Kompensationsvorrichtung 35 ein Kompensationsignal 39 erzeugt. Dieses Gleichspannungssignal 39 wird dem ausgangsseitig von der spannungsgesteuerten Stromquelle 19 bereitgestellten Wechselspannungssignal 24 überlagert. In die PWM-Einrichtung wird dann ein wechselspannungsüberlagertes Gleichspannungssignal 40 als Regelgröße zugeführt. Bei einer Regelabweichung des Sollpotentials 23 wird somit ein der Regelabweichung entsprechender Gleichanteil zur Kompensation in den negativen Eingang der PWM-Einrichtung eingekoppelt. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Ausgangsspannung des äußeren Reglers und damit auch dessen Eingangsspannung auf einem festen, daß heißt dem vorgegebenen Sollwertpegel des Sollpotentials liegt. Es wird dadurch vermieden, daß eine Regelabweichung im Ausgangssignal des äußeren Regelkreises beibehalten wird und sich somit ungünstig auf die Stabilität des Regelsystems auswirkt.
Bei geringen Regelabweichungen ist es nicht erforderlich bzw. häufig auch nicht erwünscht, diese sofort, d. h. dynamisch ohne Verzögerung auszuregeln. Es ist daher typischerweise ein die Trägheit der Kompensationseinrichtung bestimmendes Element, das typischerweise durch einen Kondensator gebildet ist, vorgesehen. Vorteilhafterweise wird in 2 dieser Kondensator durch den Kondensator 34 der spannungsgesteuerten Stromquelle 19 gebildet. Auf diese Weise kann ein Kondensator eingespart werden.
Die Kompensationseinrichtung ist bekanntermaßen ein Integrator und kann daher, ähnlich wie der Integrator 19, durch jede Art von spannungsgesteuerten Stromquellen ausgebildet sein. Die Spannungs-Strom-Wandlung der Kompensationseinrichtung 35 ist somit auch nicht notwenigerweise auf einen Transkonduktanzverstärker 36 beschränkt, sondern kann beispielsweise auch durch einen Operationsverstärker ersetzt werden.
3 zeigt drei Signal-/Zeit-Diagramme der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung entsprechend 2. 3a zeigt in einer Simulation der Schaltungsanordnung entsprechend 2 den zeitlichen Verlauf des Laststromes 22, 3b den zeitlichen Verlauf der Drosselspannung 18 und 3c den zeitlichen Verlauf des durch die spannungsgesteuerte Stromquelle 19 ermittelten Laststromes 22, bei dem der Gleichspannungsanteil des Regelsignals durch das Kompensationssignal 39 der dritten Regeleinrichtung "verfälscht" wurde.
Im eingeschwungenen Zustand stellt sich ein Laststrom 22 im Lastkreis des Schaltreglers ein (3a). Die gemessene Drosselspannung 18 repräsentiert die zeitliche Ableitung dieses Laststromes 22 (3b). Nach Aufintegration der rechteckförmigen Drosselspannung 18 ergibt sich dann ein Regelpotential 40, das exakt die gleiche Kurvenform wie der Laststrom 22 aufweist.
In den 1 und 2 ist der Current-Mode-Schaltregler als Tiefsetzsteller (Buck-Converter) ausgebildet. Die Erfindung ist jedoch nicht auf einen Tiefsetzsteller beschränkt, sondern kann bei jedem Current-Mode-Schaltregler, wie beispielsweise bei einem Hochsetzsteller (Boost-Converter), Sperrwandler (Fly-Back-Converter), oder daraus abgeleiteten Konvertern angewendet werden.
Die bevorzugte, jedoch nicht notwendigerweise ausschließliche Anwendung, finden die erfindungsgemäßen Current-Mode-Schaltregler bei getakteten Stromversorgungen. Besonders vorteilhaft ist die Erfindung in einem Schaltnetzteil mit Current-Mode-Schaltregler.

1: erste Regeleinrichtung, Regler des äußeren Regelkreises
2: Referenzpotential
3: Ausgangspotential des Schaltreglers
4: (erster) Rückkopplungszweig
5: zweite Regeleinrichtung, Regler des inneren Regelkreises, PWM-Einrichtung
7: (zweiter) Rückkopplungszweig
8: PWM-Komparator
9: Latch, Flip-Flop
10: Systemtakt
11: (pulsweitenmoduliertes) Ansteuersignal
12: steuerbarer Leistungsschalter/Leistungstransistor
13, 14: erstes/zweites Versorgungspotential
15: Drosselinduktivität, Drosselspule
16: Last
17: Meßpotential
18: Drosselspannung
19: spannungsgesteuerte Stromquelle
20: Freilaufelement, Freilaufdiode
21: Element zur Spannungsglättung, Glättungskondensator
22: Laststrom
23: (von der ersten Regeleinrichtung erzeugtes) Sollpotential
24: Ausgangssignal des Integrators
30: Komparator der ersten Regeleinrichtung
31, 32: erster/zweiter Widerstand der ersten Regeleinrichtung
33: (erster) Transkonduktanzverstärker
34: integrierendes Element, Kondensator
35: Kompensationseinrichtung
36: (zweiter) Transkonduktanzverstärker
37: (vorgegebenes) Sollpotential
38: Spannungsquelle
39: Kompensationssignal
40: Regelsignal/-potential des inneren Regelkreises

Claims

Current-Mode-Schaltregler zur Stromversorgung mit den folgenden Merkmalen: (a) mit einer ersten Regeleinrichtung (1) zur Spannungsregelung und einer zweiten Regeleinrichtung zur Laststromregelung, die jeweils zwei Eingänge und jeweils einen Ausgang aufweisen, wobei – einem ersten Eingang der ersten Regeleinrichtung (1) ein Referenzsignal (2) und einen zweiten Eingang als Regelgröße ein Ausgangssignal (3) des Current-Mode-Schaltreglers zuführbar ist und wobei – der Ausgang der ersten Regeleinrichtung (1) mit einem ersten Eingang der zweiten Regeleinrichtung (5) gekoppelt ist, (b) mit mindestens einem durch ein Steuersignal (11) der zweiten Regeleinrichtung (5) steuerbaren Leistungsschalter (12), dessen Laststrecke zwischen einem ersten Pol mit einem ersten Versorgungspotential (13) und einem zweiten Pol mit einem zweiten Versorgungspotential (14) angeordnet ist, (c) mit einer Drosseleinrichtung (15) und einer Last (16), die in Reihe zueinander und zur Laststrecke des steuerbaren Leistungsschalters (12) angeordnet sind und die zusammen ohne Zwischenschaltung eines Messwiderstandes einen Spannungsteiler (15, 16) bilden, (d) mit einem Integrator (19), der mit dem Mittelabgriff des Spannungsteilers (15, 16) verbunden ist und der durch zeitliche Integration der an der Drosseleinrichtung (15) abfallenden Drosselspannung (18) ein einen Laststrom (22) abbildendes Regelsignal (40) erzeugt, das als Regelgröße in einen zweiten Eingang der zweiten Regeleinrichtung (5) eingekoppelt wird, wobei der Integrator (19) ein erster Transkonduktanzverstärker (33) mit nachgeschaltetem kapazitiven Element (34) ist, mit einer Kompensationseinrichtung (35), die bei einer Regelabweichung der ersten Regeleinrichtung (1) ein von dieser Regelabweichung abgeleitetes Kompensationssignal (39) erzeugt, das dem vom Laststrom (22) abgeleiteten und als Regelgröße in die zweite Regeleinrichtung (5) eingekoppelten Regelsignal (24) überlagert wird, wobei die Kompensationseinrichtung (35) einen zweiten Transkonduktanzverstärker (36) mit einem positiven und einen negativen Eingang und mit einem Ausgang aufweist, dessen negativer Eingang an den Ausgang der ersten Regeleinrichtung (1) angeschlossen ist, dessen positiven Eingang ein Sollpotential zugeführt ist und dessen Ausgang an das kapazitive Element (34) angeschlossen ist.
Schaltregler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Regeleinrichtung (5) einen Pulsweitenmodulator (6) aufweist, der zumindest einen pulsweiten modulierten Komparator (8) und eine taktgesteuerte Speichereinrichtung (9) enthält.
Schaltregler nach einen der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der steuerbare Leistungsschalter (12) ein durch Feldeffekt gesteuerter Transistor oder ein Bipolartransistor ist.
Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler einen Tiefsetzsteller aufweist.
Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler einen Hochsetzsteller aufweist.
Schaltregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaltregler einen Sperrwandler aufweist.
Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Lastkreis des Schaltreglers Mittel zur Signalglättung vorgesehen sind, wobei die Mittel zur Signalglättung zumindest einen Glättungskondensator (21) und/oder zumindest eine Drosselspule (15) enthalten.
Schaltregler nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelung der Kompensationseinrichtung (35) träge erfolgt, wobei als das die Trägheit bestimmende Element das integrierende Element (34) der ersten Regeleinrichtung (5) vor gesehen ist.
Schaltnetzteil mit einem Current-Mode-Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche.