DE19853626A1 - Schaltregler und Verfahren zum Betreiben von Schaltreglern - Google Patents

Schaltregler und Verfahren zum Betreiben von Schaltreglern

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DE19853626A1
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Kevin Scoones
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Abstract

Die Erfindung betrifft Schaltregler mit mindestens einer Induktivität und vier steuerbaren Schaltern, die von einer Regelungsschaltung so gesteuert werden können, daß die Schaltregler separat sowohl in einem Aufwärts- als auch in einem Abwärtsmodus betrieben werden können, wobei in jedem Taktzyklus eines jeden Modus nur jeweils zwei Schalter betätigt werden, was gegenüber bisherigen ähnlichen Schaltreglern, bei denen in jedem Taktzyklus vier Schaltvorgänge erfolgten, Stromspareffekte aufgrund geringerer Schaltverluste und niedrigerer Ströme mit sich bringt. Diese werden durch ein Element erzielt, das ständig den Tastgrad eines Schalters überwacht und dann, wenn sich im Abwärtsmodus der Tastgrad 100% nähert, in den Aufwärtsmodus und dann, wenn sich im Aufwärtsmodus der Tastgrad 0% nähert, in den Abwärtsmodus schaltet. Die Erfindung betrifft darüber hinaus Verfahren zum Betreiben der Schaltregler. Die erfindungsgemäßen Schaltregler können z. B. in Mobilfunktelefonen zum Einsatz kommen.

Description

Die Erfindung betrifft Schaltregler, d. h. Schaltungs­ anordnungen zur Stromversorgung, die eine Gleichspannung trafolos herauf- und herabsetzen und ausgangsseitig eine geregelte Spannung liefern (sogenannte "geregelte Wandler"). Darüber hinaus betrifft die Erfindung Verfahren zum Be­ treiben solcher Schaltregler.
Schaltregler werden z. B. eingesetzt, um eine optimale Ver­ sorgungsspannung für die Schaltungskomponenten in einem tragbaren und durch eine Batterie gespeisten Gerät, z. B. einem Mobilfunktelefon, einzustellen. Werden solche Geräte z. B. von einer 3-Zellen-Ni-Batterie oder eine Li+-Batterie versorgt, so kann die Batterie typischerweise von einem Aus­ gangswert von 5 Volt bis auf Spannungswerte von 2,7 Volt oder darunter entladen werden. Die Entladungskurve der Bat­ terie wird dabei an einem bestimmten kritischen Entladungs­ punkt die für die Schaltungskomponenten des Geräts minimal erforderliche Versorgungsspannung von beispielsweise 3,3 Volt unterschreiten. Um die Kapazität der Batterie optimal auszunutzen und insbesondere die Restkapazität der Batterie auszuschöpfen, werden Schaltregler eingesetzt, die die Schaltungskomponenten mit einer konstanten und leicht über der für die Schaltungskomponenten erforderlichen Spannung liegenden Spannung (von z. B. 3,4 Volt) versorgen, so daß zu Beginn der Entladungskurve der Batterie die Batterie­ spannung, die dann z. B. im Bereich von 5 V liegt, durch den Schaltregler abgeschwächt und nach Überschreiten des kri­ tischen Entladungspunktes die Batteriespannung verstärkt wird. Aber auch vor und hinter dem kritischen Entladungs­ punkt können je nach Belastungssituation Fälle auftreten, in denen mal eine Abschwächung und mal eine Verstärkung der Eingangsspannung erforderlich ist. Durch den Einsatz der Schaltregler kann so die Lebensdauer der Batterie und damit die Einsatzzeit von portablen Geräten beträchtlich verlän­ gert werden.
Da die Spannung der Batterie sowohl abgeschwächt als auch verstärkt werden muß, verwendet man hier sogenannte Aufwärts-/Abwärtsschaltregler, in denen die Funktionen der Aufwärts- und Abwärtswandelung kombiniert sind. Ein solcher Aufwärts-/Abwärtsschaltregler wird z. B. von Udo Leonhard Thiel in seinem 1998 im Franzis-Verlag, Poing erschienenen Buch "Schaltnetzteile" (2. Auflage) auf den Seiten 37 und 38 beschrieben und ist dort in der Abb. 3.5 dargestellt.
Der bekannte Schaltregler besitzt neben dem Schalt- und Regel-IC eine Induktivität, deren einer Anschluß über einen ersten Transistorschalter mit dem Eingang des Reglers und über eine erste Diode, deren Kathode mit dem einen Anschluß verbunden ist, mit Masse verbunden ist. Der andere Anschluß der Induktivität ist über eine zweite Diode, deren Anode mit dem anderen Anschluß verbunden ist, mit dem Ausgang des Schaltreglers und über einen zweiten Transistorschalter mit Masse verbunden. Wie bei Schaltreglern allgemein üblich ist am Ausgang des Reglers ein Kondensator parallel zum Ver­ braucher geschaltet, der zwischenzeitlich die Versorgung übernimmt, wenn aufgrund der Schalterstellungen kein direk­ ter Stromfluß von der Spannungsquelle zum Verbraucher er­ folgt. Der Wert der Ausgangsspannung wird bei diesem Regler durch das Verhältnis zwischen der Ein- und der Ausschaltzeit der Schalter geregelt.
Der erwähnte Schaltregler hat jedoch den Nachteil, daß er viele nicht integrierbare Bauelemente (Dioden, Induktivität, Kondensator) aufweist, was insbesondere dann stört, wenn er in einem Gerät untergebracht werden soll, bei dem eine mög­ lichst kleine Ausgestaltung aus praktischen Gründen er­ wünscht ist, wie es z. B. bei einem Mobilfunktelefon der Fall ist, bei dem die Gerätedimensionen einen starken Einfluß auf die Kaufentscheidung des Kunden haben. Zwar könnte man die Dioden durch integrierte Transistorschalter ersetzen, dann wäre es jedoch nötig, bei jedem Taktzyklus vier Schalter zu betätigen, da im ersten Teil des Zyklus der erste Schalter und der zweite Schalter eingeschaltet werden müßten, wobei die die Dioden ersetzenden Schalter ausgeschaltet wären und in zweiten Teil des Zyklus die die Dioden ersetzenden Schal­ ter eingeschaltet werden müßten, wobei gleichzeitig der erste Schalter und der zweite Schalter ausgeschaltet werden müßten. Durch das häufige Schalten ergäben sich hohe Schalt­ verluste, die den Wirkungsgrad des Schaltreglers und dadurch die Einsatzzeit des portablen Geräts vermindern würden.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt daher darin, Schaltregler zu schaffen, bei dem die oben geschilderten Probleme überwunden werden, und die einen geringen Strom­ verbrauch aufweisen, so daß sie insbesondere für den Einsatz in kleinen portablen Geräten wie Mobilfunktelefonen geeignet sind.
Eine erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe besteht in einem Schaltregler
  • - mit einer Induktivität, deren einer Anschluß über einen ersten Schalter mit dem Eingang des Reglers und über einen zweiten Schalter mit Masse verbunden ist und deren anderer Anschluß über einen dritten Schalter mit dem Ausgang des Reglers und über einen vierten Schalter mit Masse verbunden ist, wobei alle Schalter steuerbar sind und der Regler in einem Abwärtsmodus, in dem der dritte Schalter ständig ein- und der vierte Schalter ständig ausgeschaltet ist und der erste und zweite Schalter mit einem durch die Einschaltdauer des ersten Schalters bestimmten Tastgrad periodisch ab­ wechselnd ein- und ausgeschaltet werden, und einem Aufwärts­ modus, in dem der erste Schalter ständig ein- und der zweite Schalter ständig ausgeschaltet ist und der dritte und vierte Schalter mit einem durch die Einschaltdauer des vierten Schalters bestimmten Tastgrad periodisch abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, betreibbar ist, und
  • - einer Regelungsschaltung, die die Schalter steuert und
  • - einen Pulsdauermodulator, der in Abhängigkeit von der Regelabweichung der Ausgangsspannung des Reglers den jeweiligen Tastgrad zur Korrektur der Regelabweichung verändert, und
  • - ein Element umfaßt, das den Tastgrad überwacht und dann, wenn sich im Abwärtsmodus der Tastgrad 100% nähert, in den Aufwärtsmodus und dann, wenn sich im Auf­ wärtsmodus der Tastgrad 0% nähert, in den Abwärtsmodus schaltet.
Dieser Schaltregler läßt sich auch in besonders kleiner Form herstellen, da sich bis auf die Induktivität sämtliche Bau­ elemente des Schaltreglers in Form einer integrierten Schal­ tung herstellen lassen.
Eine andere Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe besteht in einem Schaltregler
  • - mit einer ersten Induktivität, deren einer Anschluß mit dem Eingang des Reglers und deren anderer Anschluß mit einem Ende eines ersten Schalters sowie über einen zweiten Schal­ ter mit Masse verbunden ist und einer zweiten Induktivität, deren einer Anschluß über einen dritten Schalter mit dem anderen Ende des ersten Schalters sowie über einen vierten Schalter mit Masse verbunden ist und deren anderer Anschluß den Ausgang des Reglers bildet, wobei ein Kondensator zwi­ schen den zwischen dem ersten und dritten Schalter liegenden Verbindungspunkt und Masse geschaltet ist, alle Schalter steuerbar sind und der Regler in einem Abwärtsmodus, in dem der erste Schalter ständig ein- und der zweite Schalter ständig ausgeschaltet ist und der dritte und vierte Schalter mit einem durch die Einschaltdauer des dritten Schalters bestimmten Tastgrad periodisch abwechselnd ein- und aus­ geschaltet werden, und einem Aufwärtsmodus, in dem der drit­ te Schalter ständig ein- und der vierte Schalter ständig ausgeschaltet ist und der erste und zweite Schalter mit einem durch die Einschaltdauer des zweiten Schalters be­ stimmten Tastgrad periodisch abwechselnd ein- und aus­ geschaltet werden, betreibbar ist, und
  • - einer Regelungsschaltung, die die Schalter steuert und
  • - einen Pulsdauermodulator, der in Abhängigkeit von der Regelabweichung der Ausgangsspannung des Reglers den jeweiligen Tastgrad zur Korrektur der Regelabweichung verändert, und
  • - ein Element umfaßt, das den Tastgrad überwacht und dann, wenn sich im Abwärtsmodus der Tastgrad 100% nähert, in den Aufwärtsmodus und dann, wenn sich im Auf­ wärtsmodus der Tastgrad 0% nähert, in den Abwärtsmodus schaltet.
Dieser Schaltregler läßt sich zwar nicht so stark miniaturi­ sieren wie der als erste Lösung der erfindungsgemäßen Auf­ gabe dargestellte Schaltregler, er besitzt gegenüber diesem jedoch Vorteile hinsichtlich seines Wirkungsgrads.
Darüber hinaus wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltreglers mit einer Induk­ tivität gelöst, deren einer Anschluß über einen ersten Schalter mit dem Eingang des Reglers und über einen zweiten Schalter mit Masse verbunden ist und deren anderer Anschluß über einen dritten Schalter mit dem Ausgang des Reglers und über einen vierten Schalter mit Masse verbunden ist, wobei alle Schalter steuerbar sind, wobei bei dem Verfahren
  • - in einem Abwärtsmodus des Schaltreglers der dritte Schal­ ter ein- und der vierte Schalter ausgeschaltet ist und der erste und zweite Schalter mit einem durch die Einschalt­ dauer des ersten Schalters bestimmten Tastgrad periodisch abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden,
  • - in einem Aufwärtsmodus des Schaltreglers der erste Schal­ ter ein- und der zweite Schalter ausgeschaltet ist und der dritte und vierte Schalter mit einem durch die Ein­ schaltdauer des vierten Schalters bestimmten Tastgrad periodisch abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden,
  • - im Abwärts- und Aufwärtsmodus in Abhängigkeit von der Regelabweichung der Ausgangsspannung des Reglers der jeweilige Tastgrad zur Korrektur der Regelabweichung ver­ ändert wird,
  • - der Tastgrad laufend überwacht wird,
  • - dann, wenn sich im Abwärtsmodus der Tastgrad 100% nähert, in den Aufwärtsmodus und
  • - dann, wenn sich im Aufwärtsmodus der Tastgrad 0% nähert, in den Abwärtsmodus geschaltet wird.
Schließlich liegt eine weitere erfindungsgemäße Lösung in einem Verfahren zum Betreiben eines Schaltreglers mit einer ersten Induktivität, deren einer Anschluß mit dem Eingang des Reglers und deren anderer Anschluß mit einem Ende eines ersten Schalters sowie über einen zweiten Schalter mit Masse verbunden ist, und einer zweiten Induktivität, deren einer Anschluß über einen dritten Schalter mit dem anderen Ende des ersten Schalters sowie über einen vierten Schalter mit Masse verbunden ist und deren anderer Anschluß den Ausgang des Reglers bildet, wobei ein Kondensator zwischen den zwi­ schen dem ersten und dritten Schalter liegenden Verbindungs­ punkt und Masse geschaltet ist und alle Schalter steuerbar sind, bei dem
  • - in einem Abwärtsmodus des Schaltreglers der erste Schalter ein- und der zweite Schalter ausgeschaltet werden und der dritte und vierte Schalter mit einem durch die Einschalt­ dauer des dritten Schalters bestimmten Tastgrad periodisch abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden,
  • - in einem Aufwärtsmodus des Schaltreglers der dritte Schal­ ter ein- und der vierte Schalter ausgeschaltet werden und der erste und zweite Schalter mit einem durch die Einschalt­ dauer des zweiten Schalters bestimmten Tastgrad periodisch abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden,
  • - im Abwärts- und Aufwärtsmodus in Abhängigkeit von der Regelabweichung der Ausgangsspannung des Reglers der jeweilige Tastgrad zur Korrektur der Regelabweichung ver­ ändert wird,
  • - der Tastgrad laufend überwacht wird,
  • - dann, wenn sich im Abwärtsmodus der Tastgrad 100% nähert, in den Aufwärtsmodus und
  • - dann, wenn sich im Aufwärtsmodus der Tastgrad 0% nähert, in den Abwärtsmodus geschaltet wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfin­ dung sind, in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels an Hand der Zeichnungen. In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen besonders klein ausführbaren Schaltreglers;
Fig. 2a) bis d) Schaltbilder, die die verschiedenen Betriebsarten des in der Fig. 1 dargestellten Schaltreglers zeigen;
Fig. 3a) bis e) Zeitablaufdiagramme, die die Funktion des Taktüberwachungselements der erfindungsgemäßen Schaltregler veranschaulichen sollen; und
Fig. 4 ein Schaltbild eines anderen erfindungsgemäßen Schaltreglers, der gegenüber dem in der Fig. 1 dargestellten Schaltregler einen verminderten Stromverbrauch aufweist.
In der Fig. 1 ist ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltreglers dargestellt. Der Schaltregler besitzt eine Drosselspule (Induktivität) L, deren einer Anschluß 1 über einen ersten Schalter S1 mit dem Spannungseingang Ue des Schaltreglers und über einen zweiten Schalter S2 mit Masse verbunden ist und deren anderer Anschluß 2 über einen dritten Schalter S3 mit dem Spannungsausgang Ua des Schalt­ reglers und über einen vierten Schalter S4 mit Masse verbun­ den ist. Sämtliche Schalter sind MOS-FETs vom N-Kanal-An­ reicherungstyp, es können jedoch auch andere Schalter ver­ wendet werden, so lange es sich um steuerbare Schalter han­ delt. Am Ausgang des Schaltreglers liegt der einen Ver­ braucher symbolisierende Widerstand R sowie ein Speicher­ kondensator Cs, wobei beide zwischen Ua und Masse geschaltet sind.
Die restlichen Bestandteile der in der Fig. 1 dargestellten Schaltung bilden eine Regelungsschaltung, deren Aufgabe es ist, die Ausgangsspannung Ua so zu regeln, daß sie einen konstanten vorgegebenen Wert annimmt. Die Regelungsspannung umfaßt einen aus den Widerständen R1 und R2 bestehenden Spannungsteiler, der einem Eingang eines Fehlerspannungs­ verstärkers 3 eine zur Ausgangsspannung proportionale Span­ nung zuführt, wobei am anderen Eingang des Fehlerspannungs­ verstärkers eine von einer (nicht dargestellten) Referenz­ spannungserzeugungsschaltung erzeugte Referenzspannung Uref liegt. Der Ausgang des Fehlerspannungsverstärkers 3 ist mit einem Eingang eines Komparators 4 verbunden, an dessen an­ derem Eingang die am Schalter S1 anliegende Spannung U(S1) anliegt. Die Verbindung zwischen dem Schalter S1 und dem anderen Eingang des Komparators 4 ist der Übersichtlichkeit halber nicht dargestellt. Der Ausgang des Komparators 4 ist mit einer Steuerschaltung 5 verbunden, die eine Logikeinheit und eine Treiberstufe zur Ansteuerung der Gate-Anschlüsse der Schalter S1-S4 umfaßt, was durch vier Pfeile dar­ gestellt ist. Auch die Verbindungen zwischen der Steuer­ schaltung 5 und den einzelnen Schaltern sind der Übersicht­ lichkeit halber nicht dargestellt. Schließlich umfaßt die Regelungsschaltung noch einen Taktoszillator 6, der ein Haupttaktsignal Th und ein weiter unten erläutertes soge­ nanntes "Tastgradüberwachungstaktsignal" Td erzeugt und an die Steuerschaltung abgibt. Vorzugsweise sind bis auf die Induktivität L und den Kondensator Cs sämtliche Bestandteile des Schaltreglers in einer integrierten Schaltung zusammen­ gefaßt, wodurch sich der Regler in sehr kleiner Form her­ stellen läßt, so daß er sich hervorragend für kleine por­ table Geräte wie Mobilfunktelefone eignet.
In der Fig. 2 sind an Hand von vier Schaltbildern a) bis d) verschiedene Betriebsarten des in der Fig. 1 dargestellten Schaltreglers dargestellt, die sich aus unterschiedlichen Schalterstellungen der Schalter S1 bis S4 ergeben. Der Übersichtlichkeit halber sind dabei nur die Schalter S1 bis S4, der Speicherkondensator Cs und der Lastwiderstand R dargestellt.
Der Schaltregler läßt sich in einem Abwärtsmodus betreiben, in dem die Eingangsspannung über der Ausgangsspannung liegt, und in einem Aufwärtsmodus betreiben, in dem die Eingangs­ spannung unter der Ausgangsspannung liegt. Beide Modi be­ stehen jeweils aus zwei verschiedenen Schaltphasen.
Der Abwärtsmodus ist in den Fig. 2a) und b) dargestellt. Im Abwärtsmodus ist der Schalter S3 stets geschlossen und der Schalter S4 stets geöffnet. Die Schalter S1 und S2 werden dabei abwechsend ein- und ausgeschaltet.
In der Anfangsphase des Abwärtsmodus, die in der Fig. 2a) dargestellt ist, ist S1 geschlossen und S2 geöffnet. Während dieser Leitendphase tein(S1) fließt ein stetig ansteigender Strom durch den Schalter S1, lädt die Drosselspule L mit magnetischer Energie sowie den Kondensator C mit elektri­ scher Energie und führt Energie an den Verbraucher R. Beim Öffnen des Schalters S1 in der Schlußphase des Abwärtsmodus, die in der Fig. 2b) dargestellt ist, erzeugt die Drossel­ spule L durch die Rückführung der gespeicherten magnetischen Energie in elektrische Energie eine Spannung umgekehrter Polarität. In dieser Phase fließt der Strom über den jetzt geschlossenen Schalter S2 und speist den Kondensator Cs und die Last R1. Die Ausgangsspannung Ua hängt im Aufwärtsmodus von der in der Drosselspule L gespeicherten Energie ab und kann durch Verändern der Einschaltdauer tein(S1) im Verhält­ nis zu der sich aus der Summe der Zeitdauer beider dar­ gestellter Phasen ergebenden Periodendauer Δt eingestellt werden.
Mit der Gleichung für den Tastgrad D
D = tein(S1)/Δt (1)
erhält man für die Ausgangsspannung im Abwärtsmodus:
Ua = D.Ue (2).
Der Aufwärtsmodus ist in den Fig. 2c) und d) dargestellt. Im Aufwärtsmodus ist der Schalter S1 stets geschlossen und der Schalter S2 stets geöffnet. Die Schalter S3 und S4 werden dabei abwechselnd ein- und ausgeschaltet.
In der Anfangsphase des Aufwärtsmodus, die in der Fig. 2c) dargestellt ist, ist S4 geschlossen und S3 geöffnet. Hier fließt ein stetig steigender Strom durch die Drosselspule L und die Schalter S1 und S4. Die Drosselspule L wandelt in dieser Zeit die elektrische Energie in magnetische Energie um und speichert sie. Während dieser Phase wird der Ver­ braucher R von dem Speicherkondensator Cs versorgt. Die Unterbrechung des Eingangsstromes in der Schlußphase des Aufwärtsmodus, die in der Fig. 2d) dargestellt ist und in der der Schalter S4 geöffnet und der Schalter S3 geschlossen wird, hat die Rückführung der gespeicherten magnetischen Energie in elektrischen Strom zur Folge. Die jetzt als Energiequelle wirkende Drosselspule L mit umgekehrtem Poten­ tial gegenüber der Anfangsphase wirkt mit der Eingangs­ spannung Ue wie eine Reihenschaltung zweier Spannungs­ quellen. Die Ausgangsspannung Ua ist gegenüber der Eingangs­ spannung Ue um die Drosselspannung erhöht worden. Der Strom fließt über den Schalter S3 in den Speicherkondensator Cs und in die Last R1. Im Aufwärtsmodus erreicht der durch den Schalter S1 fließende Strom unmittelbar vor dem Umschalten von der Anfangsphase in die Schlußphase seinen maximalen Wert. Durch Verändern der Einschaltdauer tein(S4) des Schal­ ters S4 im Verhältnis zur Periodendauer Δt kann die Höhe der Ausgangsspannung eingestellt werden.
Mit der Gleichung für den Tastgrad D
D = tein(S4)/Δt (3)
erhält man für die Ausgangsspannung im Aufwärtsmodus:
Ua = Ue/(1-D) (4).
Betrachtet man die Gleichungen (2) und (4), so erkennt man, daß dann, wenn sich der Tastgrad D im Abwärtsmodus 100% nähert, und dann, wenn sich der Tastgrad D im Aufwärtsmodus 0% nähert, sich der Wert der Ausgangsspannung Ua dem Wert der Eingangsspannung Ue nähert. Die Erkennung der Tendenz des Tastgrads D, gegen einen der beiden Grenzwerte zu laufen, kann daher ausgenutzt werden, um den Zeitpunkt der Umschaltung zwischen den beiden Modi des Schaltreglers zu bestimmen, was im einzelnen weiter unten erläutert wird.
Die Arbeitsweise des in der Fig. 1 dargestellten erfindungs­ gemäßen Schaltreglers wird nun an Hand der Fig. 3 (in Ver­ bindung mit der Fig. 1) erläutert. Damit wird gleichzeitig ein Verfahren zum Betreiben eines Schaltreglers beschrie­ ben.
Der Beginn der Anfangsphase des Abwärts- oder des Aufwärts­ modus wird jeweils durch die ansteigende Flanke des vom Taktoszillator 6 abgegebenen und in der Fig. 3d) darge­ stellten Haupttaktsignals Th durch die Steuerschaltung 5 eingeleitet (Zeitpunkt t0), die dann die entsprechenden Schalterstellungen der Schalter S1-S4 vornimmt. Die Periodendauer Δt des Haupttaktsignals bestimmt so die Dauer der sich aus der Summe aus Anfangs- und Schlußphase des Abwärtsmodus oder des Aufwärtsmodus gebildeten Schalt­ periode. Bei Schaltreglern für Mobilfunktelefone kann die Schaltfrequenz z. B. 500 kHz betragen, so daß sich eine Periodendauer von 2 µs ergibt.
Während des Betriebs des Schaltreglers verstärkt der Fehler­ spannungsverstärker 3 die Spannungsdifferenz zwischen einer der Ausgangsspannung Ua proportionalen Spannung und der Referenzspannung Uref und gibt den verstärkten Spannungs­ differenzwert ΔV als einen Schwellenwert an einen Eingang des Komparators 4 weiter.
Der Komparator 4 gibt ein Schaltsignal ab, wenn die von ihm an seinem anderen Eingang überwachte und am Schalter S1 an­ liegende Spannung U(S1) den Schwellenwert überschreitet. Beim Empfang des vom Komparator abgegebenen Schaltsignals schaltet die Steuerschaltung die Schalter S1-S4 in die der Schlußphase des Abwärts- bzw. Aufwärtszyklus entsprechenden Schalterstellungen. So wird durch den Komparator 4 im Abwärtsmodus die Einschaltzeit tein(S1) des ersten Schalters und im Aufwärtsmodus die Einschaltzeit tein(S4) des vierten Schalters und damit in beiden Modi der Tastgrad D bestimmt. Durch Änderung des Tastgrads D können so durch den Kom­ parator 4 entsprechend den obigen Gleichungen (2) und (4) Abweichungen der aktuellen Ausgangsspannung Ua vom Sollwert, der durch die Referenzspannung Uref vorgegeben wird, korri­ giert werden. Der Komparator fungiert somit als Pulsdauer­ modulator.
Die Schlußphase im Abwärts- bzw. Aufwärtsmodus wird beendet, wenn die Steuerschaltung 5 bei der nächsten ansteigenden Flanke des Haupttaktsignals Th zum Zeitpunkt t0 + Δt die Schalter wieder in die der Anfangsphase entsprechenden und in den Fig. 2a) und c) dargestellten Stellungen bringt.
Die Umschaltung zwischen Abwärts- und Aufwärtsmodus erfolgt mit Hilfe eines in der Regelschaltung integrierten Tastgrad­ überwachungselements, das den Tastgrad D laufend überwacht. Durch Überwachen des Tastgrads D läßt sich nämlich fest­ stellen, ob sich der Schaltregler im Abwärts- oder Aufwärts­ modus an einer seiner Grenzen befindet, an denen eine Um­ schaltung in den jeweils anderen Modus notwendig ist. Nähert sich der Tastgrad D im Aufwärtsmodus 0%, so ist eine wei­ tere Spannungsverminderung im Aufwärtsmodus nach Gleichung (4) nicht möglich, und es muß zwecks weiterer Spannungs­ verminderung in den Abwärtsmodus geschaltet werden. Um­ gekehrt ist dann, wenn sich der Tastgrad D im Abwärtsmodus 100% nähert nach der Gleichung (2) eine weitere Spannungs­ zunahme nicht möglich, so daß dann in den Aufwärtsmodus zu schalten ist.
Das Tastgradüberwachungselement verwendet ein in der Fig. 3 e) dargestelltes und vom Taktoszillator 6 ausgegebenes Tast­ gradüberwachungstaktsignal Td, um den Tastgrad D zu über­ wachen. Dabei besitzt das Tastgradüberwachungstaktsignal Td die gleiche Frequenz wie das Haupttaktsignal. Seine Impuls­ dauer ist jedoch im Vergleich zur Periodendauer Δt relativ klein und beträgt beispielsweise nur 10% der Periodendauer Δt. Zudem eilt der Impuls des Tastgradüberwachungssignals Td dem Impuls des Haupttaktsignal Th um die Hälfte der Impuls­ dauer des Tastgradüberwachungssignals Td voraus. In der Steuerschaltung 5 ist ein (in der Fig. 1 nicht dargestell­ tes) z. B. durch eine Logikschaltung wie ein UND-Gatter zu realisierendes Vergleichselement integriert, das das Aus­ gangssignal des Komparators 4 und das Tastgradüberwachungs­ taktsignal Td empfängt.
Erfolgt das Komparatorschaltsignal, wie in der Fig. 3a) dargestellt, z. B. im Aufwärtsmodus zum Zeitpunkt t1, also vor dem durch die nach Beginn der Periode auftretende erste fallende Flanke des in der Fig. 3e) dargestellten Tastgrad­ überwachungstaktsignals definierten Zeitpunkt t(D0), so gibt das Vergleichselement ein Signal zur Steuerschaltung 5, die dann durch entsprechende Änderung der Stellungen der Schal­ ter S1-S4 vom Aufwärts- in den Abwärtsmodus umschaltet. Denn dann liegt der durch den Abstand des Komparatorschaltsignals vom Zeitpunkt t0 der ersten steigenden Flanke des Haupttakt­ signals Th definierte Tastgrad D nahe an 0%. Beträgt die Impulsdauer des Tastgradüberwachungstaktsignals Th in der Fig. 3e) beispielsweise wie oben dargestellt nur 10% der Periodendauer Δt, so wird dann, wenn D im Aufwärtsmodus zwischen 0 und 5% liegt, in den Abwärtsmodus umgeschaltet.
Erfolgt das Komparatorschaltsignal, wie in der Fig. 3c) dargestellt, z. B. im Abwärtsmodus zum Zeitpunkt t3, also nach dem durch die nach Beginn der Periode erste auftretende steigende Flanke des Tastgradüberwachungstaktsignals defi­ nierten Zeitpunkt t(D100), so gibt das Vergleichselement ein Signal zur Steuerschaltung 5, die dann durch entsprechende Änderungen der Stellungen der Schalter S1-S4 vom Abwärts- in den Aufwärtsmodus umschaltet. Denn jetzt liegt der durch den Abstand des Komparatorschaltsignals vom Zeitpunkt t0 der ersten steigenden Flanke des Haupttaktsignals Th definierte Tastgrad D nahe an 100%. Bei der oben angenommenen Impuls­ dauer des Tastgradüberwachungstaktsignals Th, wird dann, wenn D im Abwärtsmodus zwischen 95 und 100% liegt, vom Abwärtsmodus in den Aufwärtsmodus geschaltet.
Erfolgt das Komparatorschaltsignal, wie in der Fig. 3b) dargestellt, z. B. im Abwärtsmodus zum Zeitpunkt t2, der zwischen den Zeitpunkten t(D0) und t(D100) liegt, so wird kein Schaltsignal durch das Vergleichselement erzeugt und der Modus beibehalten.
Natürlich kann auch ein zu dem in der Fig. 3e) dargestell­ ten Signal inverses Signal als Tastgradüberwachungs­ taktsignal verwendet werden, bei dem die Impulspausendauer klein im Verhältnis zur Periodendauer Δt ist. In diesem Fall gibt das Vergleichselement dann ein Schaltsignal zur Steuer­ schaltung ab, wenn der Komparator im Aufwärtsmodus das Schaltsignal vor der nach Beginn der Periode auftretenden ersten fallenden Flanke des Tastgradüberwachungstaktsignals abgibt oder wenn der Komparator im Abwärtsmodus das Schalt­ signal nach der nach Beginn der Periode ersten auftretenden steigenden Flanke des Tastgradüberwachungstaktsignals ab­ gibt.
Vorzugsweise beträgt die Impulsdauer (bzw. die Impulspausen­ dauer) des Tastgradüberwachungstaktsignals Td 5 bis 10% der Periodendauer Δt des Haupttaktsignals Th.
Falls die Schalter S1 bis S4 integrierte Schalter (z. B. MOS- FETs) sind, so ist ein Sicherheitsmechanismus zum Schutz der Schalter vorzusehen, durch den die Umschaltung zwischen Auf­ wärts- und Abwärtsmodus verhindert wird, solange der Betrag der Differenz zwischen der Eingangsspannung Ue und der Aus­ gangsspannung Ua einen bestimmten Sicherheitsgrenzwert über­ schreitet. Hierzu kann beispielsweise ein Fensterkomparator vorgesehen werden, der die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung des Reglers überwacht und bei Überschreiten des Sicherheitsgrenzwerts ein Signal abgibt, durch das die Umschaltung zwischen Aufwärts- und Abwärtsmodus bis zum Unterschreiten des Sicherheitsgrenzwerts deaktiviert wird.
Gegenüber einem in der Einleitung beschriebenen Abwärts-/Auf- wärtsschaltregler, bei dem Abwärts- und Aufwärtsmodus nicht getrennt voneinander erfolgen und bei dem pro Schalt­ periode vier Schalter geschaltet werden, ergeben sich bei dem dargestellten erfindungsgemäßen Schaltregler deutliche Stromeinsparungen, da hier nur zwei Schalter pro Schalt­ periode betätigt werden, was zu einer starken Reduzierung der Schaltverluste führt.
Darüber hinaus ergeben sich weitere Stromeinsparungen da­ durch, daß der durch die Drosselspule L fließende Strom bei dem erfindungsgemäßen Schaltregler mit getrenntem Abwärts- und Aufwärtsmodus gegenüber dem in nur einem kombinierten Abwärts-/Aufwärtsmodus arbeitenden Regler stets geringer ist. Das ergibt sich aus der nachstehenden Tabelle, in der der durch die Drosselspule L fließende Strom IL für die separaten Abwärts- und Aufwärtsmodi sowie für den kombinier­ ten Abwärts-/Aufwärtsmodus einander gegenübergestellt sind, wobei IR der durch die Last R fließende Strom ist:
Im Abwärtsmodus fließt der Drosselspulenstrom IL immer durch die Last R. Im Aufwärtsmodus und im Abwärts-/Aufwärtsmodus fließt der Drosselspulenstrom IL nur während der Schlußphase einer Schaltperiode durch die Last R, und zwar während der Zeitdauer (1-D).Δt. Daher ist der Drosselspulenstrom IL stets größer als der Laststrom IR.
Wenn Ua < Ue gilt, ist der Abwärts-/Aufwärtmodus mit dem Abwärtsmodus zu vergleichen. Da (Ue + Ua)/Ue < 1 gilt, ist IL im Abwärtsmodus kleiner als im Abwärts-/Aufwärtsmodus.
Wenn Ua < Ue gilt, ist der Abwärts-/Aufwärtsmodus mit dem Auf­ wärtsmodus zu vergleichen. Da (Ue + Ua)/Ue < Ua/Ue, ist IL im Aufwärtsmodus kleiner als im Abwärts-/Aufwärtsmodus.
Für den Fall, daß Ua = Ue gilt, ist zu erkennen, daß für den Abwärtsmodus und den Aufwärtsmodus IL = IR gilt, während im Abwärts-/Aufwärtsmodus IL = 2.IR gilt.
Somit folgt, daß der Drosselspulenstrom IL im kombinierten Abwärts-/Aufwärtsmodus immer größer als im Fall der erfin­ dungsgemäßen Trennung von Abwärts- und Aufwärtsmodus ist. Daraus ergibt sich natürlich auch ein geringerer Strom durch die Schalter, so daß auch hierdurch die Verluste verringert werden. Insgesamt ergibt sich dadurch ein deutlich ver­ besserter Wirkungsgrad des in der Fig. 1 dargestellten erfindungsgemäßen Schaltreglers gegenüber bisherigen Lösun­ gen.
Der verminderte Drosselspulenstrom IL kann auch ausgenutzt werden, um eine im Vergleich zum Abwärts-/Aufwärtsschalt­ regler kleiner dimensionierte Spule, sowie kleinere Schalter zu verwenden, was zur Einsparung von Chipfläche führt.
Der in der Fig. 1 dargestellte Schaltregler, bei dem bis auf die Induktivität L und den Kondensator Cs vorzugsweise sämt­ liche Bauelemente in Form einer einzigen integrierten Schal­ tung realisiert sind, eignet sich hervorragend für den Ein­ satz in kleinen portablen Geräten wie Mobilfunktelefonen. Der Wert der Induktivität L liegt dabei z. B. im Bereich von 10 µH, was sich in integrierter Form nicht realisieren läßt.
Ein weiterer erfindungsgemäßer Schaltregler ist in der Fig. 4, dargestellt. Dieser Schaltregler ist dem in der Fig. 1 dargestellten Schaltregler ähnlich, wobei sich glei­ che Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen.
Der in der Fig. 4 dargestellte Schaltregler besitzt eine erste Drosselspule (Induktivität) L1, deren einer Anschluß mit dem Eingang des Reglers (Ue) und deren anderer Anschluß mit einem Ende eines ersten Schalters S1 sowie über einen zweiten Schalter S2 mit Masse verbunden ist, und eine zweite Drosselspule (Induktivität) L2, deren einer Anschluß über einen dritten Schalter S3 mit dem anderen Ende des ersten Schalters S1 sowie über einen vierten Schalter S4 mit Masse verbunden ist und deren anderer Anschluß den Ausgang des Reglers (Ua) bildet, wobei ein Kondensator C mit Bezugs­ zeichen 8 zwischen den zwischen dem ersten Schalter S1 und dritten Schalter S3 liegenden Verbindungspunkt 10 und Masse geschaltet ist. Alle Schalter sind wiederum steuerbar und bestehen vorzugsweise aus MOS-FETs vom N-Kanal-Anreiche­ rungstyp. Die Induktivitäten der Drosselspulen L1 und L2 sind von gleicher Größe.
Der in der Fig. 4 dargestellte Schaltregler arbeitet ähnlich wie der in der Fig. 1 dargestellte Schaltregler und kann auch separat in einem Abwärtsmodus und in einem Aufwärts­ modus betrieben werden. Dabei übernimmt die Spule L1 im Auf­ wärtsmodus die Funktion der Spule L des in der Fig. 1 dar­ gestellten Schaltreglers, während die Spule L2 im Abwärts­ modus die Funktion der Spule L des in der Fig. 1 dargestell­ ten Schaltreglers übernimmt. Der Kondensator C ist erforder­ lich, um sicherzustellen, daß der Schaltungspunkt 10 bei der Schaltfrequenz eine niedrige Impedanz aufweist, so daß eine Beschädigung der MOS-FETs S1-S4 vermieden und die korrekte Funktion des Komparators 4 gewährleistet wird.
Im Abwärtsmodus des in der Fig. 4 dargestellten Schalt­ reglers ist der erste Schalter S1 ständig ein- und der zwei­ te Schalter S2 ständig ausgeschaltet. Dabei werden der drit­ te Schalter S3 und der vierte Schalter S4 mit einem durch die Einschaltdauer des dritten Schalters S3 bestimmten Tast­ grad D periodisch abwechselnd ein- und ausgeschaltet. Im Aufwärtsmodus sind der dritte Schalter S3 ständig ein- und der vierte Schalter S4 ständig ausgeschaltet. Dabei werden der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 mit einem durch die Einschaltdauer des zweiten Schalters S2 bestimmten Tastgrad periodisch abwechselnd ein- und ausgeschaltet.
Die Regelungsschaltung funktioniert hier im Prinzip wie bei dem in der Fig. 1 dargestellten Schaltregler. Die Regelungs­ schaltung steuert wiederum die Schalter S1-S4 und enthält einen Pulsdauermodulator, der in Abhängigkeit von der Regel­ abweichung der Sollausgangsspannung des Reglers den jewei­ ligen Tastgrad D zur Korrektur der Regelabweichung verän­ dert. Die Regelungsschaltung umfaßt darüber hinaus auch hier ein Tastgradüberwachungselement, das wie bei dem Verfahren, nach dem der in der Fig. 1 dargestellte Schaltregler arbei­ tet, den Tastgrad überwacht und dann, wenn sich im Abwärts­ modus der Tastgrad 100% nähert, in den Aufwärtsmodus und dann, wenn sich im Aufwärtsmodus der Tastgrad 0% nähert, in den Abwärtsmodus schaltet.
Die Regelungsschaltung weist auch hier einen Taktoszillator 6 auf, dessen Haupttaktsignal Th im Abwärts- und Aufwärts­ modus die aus der Ein- und Ausschaltdauer des dritten Schal­ ters S3 (im Abwärtsmodus) bzw. zweiten Schalters S2 (im Auf­ wärtsmodus) zusammengesetzte Periodendauer Δt definiert und dessen ansteigende Flanke den Beginn einer Schaltperiode bestimmt, bei der im Abwärtsmodus der dritte Schalter S3 ein- und der vierte Schalter S4 ausgeschaltet werden und im Aufwärtsmodus der zweite Schalter S2 ein- und der erste Schalter S1 ausgeschaltet werden.
Der Phasenmodulator besteht auch bei dem in der Fig. 4 dar­ gestellten Schaltregler aus einem Komparator 4, der am einen Eingang im Abwärtsmodus die am zweiten Schalter S2 anliegen­ de Spannung und im Aufwärtsmodus die am dritten Schalter S3 anliegende Spannung und am anderen Eingang die von einem Fehlerspannungsverstärker 3 ausgegebene verstärkte Regel­ abweichung empfängt, wobei der Komparator dann, wenn die am zweiten Schalter S2 (im Abwärtsmodus) bzw. am dritten Schal­ ter S3 (im Aufwärtsmodus) anliegende Spannung einen Wert erreicht hat, der zur Kompensation der Regelabweichung aus­ reicht, ein Schaltsignal zur Steuerschaltung abgibt, wodurch diese im Abwärtsmodus den dritten Schalter S3 aus- und den vierten Schalter S4 einschaltet und im Aufwärtsmodus den zweiten Schalter S2 aus- und den ersten Schalter S1 ein­ schaltet.
Im Unterschied zu dem in der Fig. 1 dargestellten Schalt­ regler besitzt der in der Fig. 4 dargestellte Schaltregler einen Schalter 12, der durch das vom Tastgradüberwachungs­ element erzeugte Schaltsignal so gesteuert wird, daß dann, wenn das Tastgradüberwachungselement in den Abwärtsmodus schaltet, der eine Eingang des Komparators 4 mit der am zweiten Schalter S2 anliegenden Spannung U(S2) verbunden wird und dann, wenn das Tastgradüberwachungselement in den Aufwärtsmodus schaltet, der eine Eingang des Komparators 4 mit der am dritten Schalter S3 anliegenden Spannung U(S3) verbunden wird. Im Gegensatz zu dem in der Fig. 1 dar­ gestellten Komparator 4 ist hier nämlich die Ableitung des den Tastgrad D bestimmenden Stroms von einem einzigen der Schalter S1-S4 aufgrund der störenden Einwirkung der zweiten Drosselspule nicht möglich. Als Alternative zu dem Schalter 12 können natürlich auch 2 separate Komparatoren an Stelle des Komparators 4 verwendet werden.
Obwohl der in der Fig. 4 dargestellte Schaltregler wegen der zusätzlichen zur externen Beschaltung gehörenden und nicht integrierbaren Bauelemente (zweite Spule, Kondensator C) größer als der in der Fig. 1 dargestellte Schaltregler ist, weist er hinsichtlich seines Stromverbrauch gegenüber diesem zusätzliche Vorteile auf und besitzt einen höheren Wirkungs­ grad als der in der Fig. 1 dargestellte Schaltregler.
Wird z. B. der Aufwärtsmodus betrachtet, so ist unter der Annahme verschwindender Verluste der Laststrom IR mit Ua/Ue zu multiplizieren, um den Drosselspulenstrom IL zu erhalten.
Bei dem in der Fig. 1 dargestellten Schaltregler gibt es einen mehr oder weniger starken Spannungsabfall von IL.Rdson am Eingang, wobei Rdson der Einschaltwiderstand des Schal­ ters S1 ist. Dadurch wird die effektive Eingangsspannung Ue vermindert, was automatisch zu einem höheren Wert des Drosselspulenstroms IL führt. Das bedeutet jedoch, daß auch die Schalter S3 und S4 diesen größeren Strom IL führen müs­ sen.
Betrachtet man nun das in der Fig. 4 dargestellte Schalt­ bild, so ist zu erkennen, daß es hier keinen Transistor­ schalter am Eingang des Schaltreglers gibt, so daß der effektive Wert der Eingangsspannung Ue hier nicht vermindert wird. Es gibt zwar auch hier einen in Reihe zum Ausgang des Schaltreglers geschalteten Transistorschalter S3, dieser führt jedoch nur den Strom IR, dessen Betrag unter dem des Drosselspulenstroms IL liegt.
Diese Überlegungen lassen sich leicht auf den Abwärtsmodus übertragen, wobei sich entsprechende Einsparungen ergeben.
Somit weist der in der Fig. 4 dargestellte Schaltregler gegenüber dem in der Fig. 1 dargestellten Schaltregler einen verminderten Stromverbrauch und damit einen höheren Wir­ kungsgrad auf. So können z. B. die Einsparungen bei Eingangs­ spannungen bei Mobilfunktelefonanwendungen, die z. B. im Bereich von 2,7 bis 3 Volt liegen können, beträchtlich sein. Diese Vorteile führen bei gleicher Dimensionierung der Schalter zu einer Verlängerung der Batterielebensdauer. Sie können jedoch auch ausgenutzt werden, um die Transistoren im Vergleich zu dem Schaltregler der Fig. 1 kleiner zu gestal­ ten, was wiederum Chipfläche einspart.

Claims (21)

1. Schaltregler
  • 1. mit einer Induktivität, deren einer Anschluß über einen ersten Schalter mit dem Eingang des Reglers und über einen zweiten Schalter mit Masse verbunden ist und deren anderer Anschluß über einen dritten Schalter mit dem Ausgang des Reglers und über einen vierten Schalter mit Masse verbunden ist, wobei alle Schalter steuerbar sind und der Regler in einem Abwärtsmodus, in dem der dritte Schalter ständig ein- und der vierte Schalter ständig ausgeschaltet ist und der erste und zweite Schalter mit einem durch die Einschaltdauer des ersten Schalters bestimmten Tastgrad periodisch ab­ wechselnd ein- und ausgeschaltet werden, und einem Aufwärts­ modus, in dem der erste Schalter ständig ein- und der zweite Schalter ständig ausgeschaltet ist und der dritte und vierte Schalter mit einem durch die Einschaltdauer des vierten Schalters bestimmten Tastgrad periodisch abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden, betreibbar ist, und
  • 2. einer Regelungsschaltung, die die Schalter steuert und
  • 3. einen Pulsdauermodulator, der in Abhängigkeit von der Regelabweichung der Ausgangsspannung des Reglers den jeweiligen Tastgrad zur Korrektur der Regelabweichung ver­ ändert, und
  • 4. ein Element umfaßt, das den Tastgrad überwacht und dann, wenn sich im Abwärtsmodus der Tastgrad 100% nähert, in den Aufwärtsmodus und dann, wenn sich im Auf­ wärtsmodus der Tastgrad 0% nähert, in den Abwärtsmodus schaltet.
2. Schaltregler nach Anspruch 1, bei der die Regelungs­ schaltung einen Taktoszillator aufweist, der ein Haupttakt­ signal abgibt, das im Abwärts- und Aufwärtsmodus die aus der Ein- und Ausschaltdauer des ersten Schalters (Abwärtsmodus) bzw. vierten Schalters (Aufwärtsmodus) zusammengesetzte Periodendauer bestimmt und dessen ansteigende Flanke den Beginn einer Schaltperiode bestimmt, bei der im Abwärtsmodus der erste Schalter ein- und der zweite Schalter aus­ geschaltet werden und im Aufwärtsmodus der vierte Schalter ein- und der dritte Schalter ausgeschaltet werden.
3. Schaltregler nach Anspruch 2, bei dem der Phasenmodulator aus einem Komparator besteht, der am einen Eingang die am ersten Schalter anliegende Spannung und am anderen Eingang die von einem Fehlerspannungsverstärker ausgegebene ver­ stärkte Regelabweichung empfängt, wobei der Komparator dann, wenn die am ersten Schalter anliegende Spannung einen Wert erreicht hat, der zur Kompensation der Regelabweichung aus­ reicht, ein Schaltsignal zur Steuerschaltung abgibt, wodurch diese im Abwärtsmodus den ersten Schalter aus- und den zwei­ ten Schalter einschaltet und im Aufwärtsmodus den vierten Schalter aus- und den dritten Schalter einschaltet.
4. Schaltregler
  • 1. mit einer ersten Induktivität, deren einer Anschluß mit dem Eingang des Reglers und deren anderer Anschluß mit einem Ende eines ersten Schalters sowie über einen zweiten Schal­ ter mit Masse verbunden ist und einer zweiten Induktivität, deren einer Anschluß über einen dritten Schalter mit dem anderen Ende des ersten Schalters sowie über einen vierten Schalter mit Masse verbunden ist und deren anderer Anschluß den Ausgang des Reglers bildet, wobei ein Kondensator zwi­ schen den zwischen dem ersten und dritten Schalter liegenden Verbindungspunkt und Masse geschaltet ist, alle Schalter steuerbar sind und der Regler in einem Abwärtsmodus, in dem der erste Schalter ständig ein- und der zweite Schalter ständig ausgeschaltet ist und der dritte und vierte Schalter mit einem durch die Einschaltdauer des dritten Schalters bestimmten Tastgrad periodisch abwechselnd ein- und aus­ geschaltet werden, und einem Aufwärtsmodus, in dem der drit­ te Schalter ständig ein- und der vierte Schalter ständig ausgeschaltet ist und der erste und zweite Schalter mit einem durch die Einschaltdauer des zweiten Schalters be­ stimmten Tastgrad periodisch abwechselnd ein- und aus­ geschaltet werden, betreibbar ist, und
  • 2. einer Regelungsschaltung, die die Schalter steuert und
  • 3. einen Pulsdauermodulator, der in Abhängigkeit von der Regelabweichung der Ausgangsspannung des Reglers den jeweiligen Tastgrad zur Korrektur der Regelabweichung verändert, und
  • 4. ein Element umfaßt, das den Tastgrad überwacht und dann, wenn sich im Abwärtsmodus der Tastgrad 100% nähert, in den Aufwärtsmodus und dann, wenn sich im Auf­ wärtsmodus der Tastgrad 0% nähert, in den Abwärtsmodus schaltet.
5. Schaltregler nach Anspruch 4, bei der die Regelungs­ schaltung einen Taktoszillator aufweist, der ein Haupttakt­ signal abgibt, das im Abwärts- und Aufwärtsmodus die aus der Ein- und Ausschaltdauer des dritten Schalters (Abwärtsmodus) bzw. zweiten Schalters (Aufwärtsmodus) zusammengesetzte Periodendauer bestimmt und dessen ansteigende Flanke den Beginn einer Schaltperiode bestimmt, bei der im Abwärtsmodus der dritte Schalter ein- und der vierte ausgeschaltet werden und im Aufwärtsmodus der zweite Schalter ein- und der erste Schalter ausgeschaltet werden.
6. Schaltregler nach Anspruch 5, bei dem der Phasenmodulator aus einem Komparator besteht, der am einen Eingang im Ab­ wärtsmodus die am zweiten Schalter anliegende Spannung und im Aufwärtsmodus die am dritten Schalter anliegende Spannung und am anderen Eingang die von einem Fehlerspannungs­ verstärker ausgegebene verstärkte Regelabweichung empfängt, wobei der Komparator dann, wenn die am zweiten Schalter (Abwärtsmodus) bzw. dritten Schalter (Aufwärtsmodus) an­ liegende Spannung einen Wert erreicht hat, der zur Kompen­ sation der Regelabweichung ausreicht, ein Schaltsignal zur Steuerschaltung abgibt, wodurch diese im Abwärtsmodus den dritten Schalter aus- und den vierten Schalter einschaltet und im Aufwärtsmodus den zweiten Schalter aus- und den ersten Schalter einschaltet.
7. Schaltregler nach Anspruch 6, bei dem ein Schalter vor­ gesehen ist, der durch das vom Tastgradüberwachungselement erzeugte Schaltsignal so gesteuert wird, daß dann, wenn das Tastgradüberwachungselement in den Abwärtsmodus schaltet, der eine Eingang des Komparators mit der am zweiten Schalter anliegenden Spannung verbunden wird, und dann, wenn das Tastgradüberwachungselement in den Aufwärtsmodus schaltet, der eine Eingang des Komparators mit der am dritten Schalter anliegenden Spannung verbunden wird.
8. Schaltregler nach einem der Ansprüche 3, 6 oder 7, bei dem der Fehlerspannungsverstärker ein Differenzverstärker ist, der an einem Eingang ein zur Ausgangsspannung des Schaltreglers proportionales Signal und am anderen Eingang eine Referenzspannung empfängt, die die Sollausgangsspannung des Schaltreglers festlegt.
9. Schaltregler nach einem der Ansprüche 3, 6, 7 oder 8, bei dem das Tastgradüberwachungselement durch ein Vergleichs­ element realisiert ist, das ein von dem Taktoszillator er­ zeugtes und die Frequenz des Haupttaktsignals aufweisendes Tastgradüberwachungstaktsignal, dessen Impulsdauer im Ver­ gleich zur Periodendauer klein ist und das um die Hälfte seiner Impulsdauer dem Haupttaktsignal vorauseilt, laufend mit dem Schaltsignal des Komparators vergleicht, wobei das Vergleichselement, dann, wenn der Komparator im Aufwärts­ modus des Schaltreglers das Schaltsignal vor der nach der ersten ansteigenden Flanke des Haupttaktsignals auftretenden ersten fallenden Flanke des Tastgradüberwachungstaktsignals abgibt, ein Signal zur Steuerschaltung abgibt, durch das diese veranlaßt wird, in den Abwärtsmodus zu schalten, und dann, wenn der Komparator im Abwärtsmodus des Schaltreglers das Schaltsignal nach der nach der ersten ansteigenden Flan­ ke des Haupttaktsignals auftretenden ersten steigenden Flan­ ke des Tastgradüberwachungstaktsignals abgibt, ein Signal zur Steuerschaltung abgibt, durch das diese veranlaßt wird, in den Aufwärtsmodus zu schalten.
10. Schaltregler nach Anspruch 9, bei dem die Impulsdauer des Tastgradüberwachungstaktsignals 5 bis 10% der Perioden­ dauer des Haupttaktsignals beträgt.
11. Schaltregler nach Anspruch 3, 6, 7 oder 8, bei dem das Tastgradüberwachungselement durch ein Vergleichselement realisiert ist, das ein von dem Taktoszillator erzeugtes und die Frequenz des Haupttaktsignals aufweisendes Tastgrad­ überwachungstaktsignal, dessen Impulspausendauer im Ver­ gleich zur Periodendauer klein ist und das um die Hälfte seiner Impulspausendauer dem Haupttaktsignal hinterhereilt, laufend mit dem Schaltsignal des Komparators vergleicht, wobei das Vergleichselement, dann, wenn der Komparator im Aufwärtsmodus des Schaltreglers das Schaltsignal vor der nach der ersten ansteigenden Flanke des Haupttaktsignals auftretenden ersten steigenden Flanke des Tastgrad­ überwachungstaktsignals abgibt, ein Signal zur Steuer­ schaltung abgibt, durch das diese veranlaßt wird, in den Abwärtsmodus zu schalten, und dann, wenn der Komparator im Abwärtsmodus des Schaltreglers das Schaltsignal nach der nach der ersten steigenden Flanke des Haupttaktsignals auf­ tretenden ersten fallenden Flanke des Tastgradüberwachungs­ taktsignals abgibt, ein Signal zur Steuerschaltung abgibt, durch das diese veranlaßt wird, in den Aufwärtsmodus zu schalten.
12. Schaltregler nach Anspruch 11, bei dem die Impulspausen­ dauer des Tastgradüberwachungstaktsignals 5 bis 10% der Periodendauer des Haupttaktsignals beträgt.
13. Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die die steuerbaren Schalter integrierte Schalter sind.
14. Schaltregler nach Anspruch 13, bei dem die integrierten Schalter MOS-FETs vom N-Kanal-Anreicherungstyp sind und die Regelungsschaltung eine Gatetreiberschaltung zur Steuerung der MOS-FETs umfaßt.
15. Schaltregler nach Anspruch 14, bei dem die Umschaltung zwischen Aufwärts- und Abwärtsmodus nur dann aktiviert wird, wenn der Betrag der Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung des Reglers einen bestimmten Sicherheitsgrenzwert nicht überschreitet.
16. Schaltregler nach Anspruch 15, bei dem ein Fenster­ komparator überwacht, ob der Betrag der Differenz zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung des Reglers den Sicherheitsgrenzwert nicht überschreitet, und bei Über­ schreiten des Sicherheitsgrenzwerts ein Signal abgibt, durch den die Umschaltung zwischen Aufwärts- und Abwärtsmodus deaktiviert wird.
17. Schaltregler nach einem der Ansprüche 1-3, bei dem bis auf die Induktivität sämtliche Bestandteile des Reglers auf einem IC integriert sind.
18. Schaltregler nach einem der Ansprüche 4-7, bei dem bis auf die beiden Induktivitäten und den Kondensator sämtliche Bestandteile des Reglers auf einem IC integriert sind.
19. Schaltregler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der in einem Mobilfunktelefon die von einer Batterie ge­ lieferte Spannung in eine konstante Versorgungsspannung wan­ delt.
20. Verfahren zum Betreiben eines Schaltreglers mit einer Induktivität, deren einer Anschluß über einen ersten Schal­ ter mit dem Eingang des Reglers und über einen zweiten Schalter mit Masse verbunden ist und deren anderer Anschluß über einen dritten Schalter mit dem Ausgang des Reglers und über einen vierten Schalter mit Masse verbunden ist, wobei alle Schalter steuerbar sind, bei dem
  • 1. in einem Abwärtsmodus des Schaltreglers der dritte Schal­ ter ein- und der vierte Schalter ausgeschaltet sind und der erste und zweite Schalter mit einem durch die Einschalt­ dauer des ersten Schalters bestimmten Tastgrad periodisch abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden,
  • 2. in einem Aufwärtsmodus des Schaltreglers der erste Schal­ ter ein- und der zweite Schalter ausgeschaltet sind und der dritte und vierte Schalter mit einem durch die Ein­ schaltdauer des vierten Schalters bestimmten Tastgrad periodisch abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden,
  • 3. im Abwärts- und Aufwärtsmodus in Abhängigkeit von der Regelabweichung der Ausgangsspannung des Reglers der jeweilige Tastgrad zur Korrektur der Regelabweichung ver­ ändert wird,
  • 4. der Tastgrad laufend überwacht wird,
  • 5. dann, wenn sich im Abwärtsmodus der Tastgrad 100% nähert, in den Aufwärtsmodus und
  • 6. dann, wenn sich im Aufwärtsmodus der Tastgrad 0% nähert, in den Abwärtsmodus geschaltet wird.
21. Verfahren zum Betreiben eines Schaltreglers mit einer ersten Induktivität, deren einer Anschluß mit dem Eingang des Reglers und deren anderer Anschluß mit einem Ende eines ersten Schalters sowie über einen zweiten Schalter mit Masse verbunden ist, und einer zweiten Induktivität, deren einer Anschluß über einen dritten Schalter mit dem anderen Ende des ersten Schalters sowie über einen vierten Schalter mit Masse verbunden ist und deren anderer Anschluß den Ausgang des Reglers bildet, wobei ein Kondensator zwischen den zwi­ schen dem ersten und dritten Schalter liegenden Verbindungs­ punkt und Masse geschaltet ist und alle Schalter steuerbar sind, bei dem
  • 1. in einem Abwärtsmodus des Schaltreglers der erste Schalter ein- und der zweite Schalter ausgeschaltet sind und der dritte und vierte Schalter mit einem durch die Einschalt­ dauer des dritten Schalters bestimmten Tastgrad periodisch abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden,
  • 2. in einem Aufwärtsmodus des Schaltreglers der dritte Schal­ ter ein- und der vierte Schalter ausgeschaltet sind und der erste und zweite Schalter mit einem durch die Einschalt­ dauer des zweiten Schalters bestimmten Tastgrad periodisch abwechselnd ein- und ausgeschaltet werden,
  • 3. im Abwärts- und Aufwärtsmodus in Abhängigkeit von der Regelabweichung der Ausgangsspannung des Reglers der jeweilige Tastgrad zur Korrektur der Regelabweichung ver­ ändert wird,
  • 4. der Tastgrad laufend überwacht wird,
  • 5. dann, wenn sich im Abwärtsmodus der Tastgrad 100% nähert, in den Aufwärtsmodus und
  • 6. dann, wenn sich im Aufwärtsmodus der Tastgrad 0% nähert, in den Abwärtsmodus geschaltet wird.
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