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    Die Erfindung betrifft einen Schaltwandler, der folgende Merkmale aufweist: DOLLAR A - wenigstens zwei Wandlerstufen (11, 12, 1n), die jeweils Spannungsversorgungsanschlüsse zum Anschließen an eine Versorgungsspannung, einen Steueranschluss zum Zuführen eines Ansteuersignals (S11, S12, S1n), einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen eines Ausgangsstromes (I1, I2, In) und einen Messanschluss zum Bereitstellen eines von dem jeweiligen Ausgangsstrom (I1, I2, In) abhängigen Messsignals (S21, S22, S2n) aufweisen, DOLLAR A - einen Ausgang (OUT) zum Anschließen einer Last und Bereitstellen einer Ausgangsspannung für die Last, an den die Ausgangsanschlüsse der wenigstens zwei Wandlerstufen (11, 12, 1n) angeschlossen sind, DOLLAR A - eine Ansteuerschaltung, der die Messsignale (S21, S22, S2n) und ein von der Ausgangsspannung (Vout) abhängiges Signal zugeführt sind und die die Ansteuersignale (S21, S22, S2n) bereitstellt, wobei DOLLAR A - die Wandlerstufen (11, 12, 1n) dazu ausgebildet sind, ein pulsweitenmoduliertes Messsignal (S21, S22, S2n) zur Verfügung zu stellen, dessen Pulsdauer von dem jeweiligen Ausgangsstrom (I1, I2, In) abhängig ist.
    公开号:DE102004017146A1
    申请号:DE200410017146
    申请日:2004-04-07
    公开日:2005-10-27
    发明作者:Alfred Hesener
    申请人:Infineon Technologies AG；
    IPC主号:G05F1-40
    专利说明:
    [0001] Dievorliegende Erfindung betrifft einen Schaltwandler mit wenigstenszwei parallel geschalteten Wandlerstufen.
    [0002] ZurSpannungs- und Stromversorgung von Lasten mit hoher Stromaufnahmeist es bekannt, Schaltwandler vorzusehen, die mehrere parallel geschalteteWandlerstufen umfassen, von denen jede einen Teil des von der Lastaufgenommenen Stromes bereitstellt. Ziel ist es dabei, die einzelnenWandlerstufen so anzusteuern, dass diese jeweils gleiche Ausgangsströme an dieLast liefern, um eine gleichmäßige Strombelastungder einzelnen Wandlerstufen zu erhalten. Derartige Wandlerstufenwerden auch als Mehrphasenwandler bezeichnet, wenn die einzelnenWandlerstufen zeitlich versetzt zueinander angesteuert werden.
    [0003] ZurGewährleistungeiner solchen gleichmäßigen Strombelastungder einzelnen Wandlerstufen in einem Schaltwandler, der mehrereparallel geschaltete Wandlerstufen umfasst, ist es beispielweise ausder GB 2012501 A ,der US 6,404,175 B1 oder derUS 2003/0048648 A1 bekannt, die Ausgangströme der einzelnen Wandlerstufenzu erfassen und an einem Bus, an den alle Wandlerstufen angeschlossensind, ein gemeinsames Stromsignal zur Verfügung zu stellen. Dieses Stromsignalist von den Ausgangsströmender einzelnen Wandlerstufen abhängigund wird zur Ansteuerung der einzelnen Wandlerstufen verwendet.Den einzelnen Wandlerstufen ist bei diesem Konzept darüber hinausein von der Ausgangsspannung abhängigesSignal zugeführt,das zur Regelung der Ausgangsspannung der einzelnen Wandlerstufendient. Die Ausgangsspannung ist dabei die von dem Wandler bereitgestellte über einer angeschlossenenLast anliegende Spannung.
    [0004] Beieinem anderen Konzept zur Ansteuerung der Wandlerstufen eines Mehrphasenwandlers,das beispielsweise in der US 2002/0036486 A1 beschrieben ist, isteine gemeinsame Ansteuerschaltung für die einzelnen Wandlerstufenvorhanden, der ein von der Ausgangsspannung abhängiges Signal sowie Strommesssignaleder einzelnen Wandlerstufen zugeführt sind. Die Ansteuerschaltunggeneriert aus diesen Signalen Ansteuersignale für die einzelnen Wandlerstufen.
    [0005] Esbesteht zunehmend der Wunsch, derartige Ansteuerschaltungen alsdigitale Schaltungen zu realisieren, die die Strommesssignale unddas Ausgangsspannungssignal digital verarbeiten, um Ansteuersignalefür dieeinzelnen Wandlerstufen zu erzeugen. Dies erfordert den Einsatzvon Analog-Digital-Wandlern(A/D-Wandler) zur Umsetzung der üblicherweiseals Analogsignale vorliegenden Strom- und Spannungsmesssignale indigital verarbeitbare Signale. Hierbei wird pro Wandlerstufe ein A/D-Wandlerbenötigt.Derartige A/D-Wandler, die einen Amplitudenwert eines Analogsignalsin einen digital verarbeitbaren Messwert umsetzen, sind allerdingsaufwendig zu realisieren, wobei der erforderliche Aufwand mit zunehmenderAuflösungder A/D-Wandlung und zunehmender Geschwindigkeit der A/D-Wandlung.Insbesondere bei den erläuterten Schaltwandlernmit mehreren Wandlerstufen werden an die A/D-Wandler zur Wandlungder Strommesssignale hohe Anforderungen an die Genauigkeit/Auflösung undderen Geschwindigkeit gestellt, was zu einer hohen Komplexität, und damitzu hohen Kosten eines solchen Systems führt.
    [0006] Zielder vorliegenden Erfindung ist es, einen Schaltwandler mit mehrerenparallelen Wandlerstufen, die durch eine Ansteuerschaltung angesteuert sind,zur Verfügungzu stellen, der einfach und kostengünstig realisierbar ist.
    [0007] DiesesZiel wird durch einen Schaltwandler gemäß der Merkmale des Anspruchs1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstandder Unteransprüche.
    [0008] DerSchaltwandler umfasst wenigstens zwei Wandlerstufen, die jeweilsSpannungsversorgungsanschlüssezum Anschließenan eine Versorgungsspannung, einen Steueranschluss zum Zuführen einesAnsteuersignals, einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen einesAusgangsstromes und einen Messanschluss zum Bereitstellen einesvon dem jeweiligen Ausgangsstrom abhängigen Messsignals aufweisen.Der Schaltwandler umfasst außerdemeinen Ausgang zum Anschließeneiner Last und Bereitstellen einer Ausgangsspannung für die Last,an den die Ausgangsanschlüsseder wenigstens zwei Wandlerstufen angeschlossen sind. Zur Bereitstellungvon Ansteuersignalen fürdie wenigstens zwei Wandlerstufen dient eine Ansteuerschaltung,der die Messsignale und ein von der Ausgangsspannung abhängiges Signalzugeführtsind, und die die Ansteuersignale bereitstellt. Die Wandlerstufensind hierbei dazu ausgebildet, ein pulsweitenmoduliertes Messsignal zurVerfügungzu stellen, dessen Pulsdauer bzw. dessen Duty-Cycle von dem jeweiligenAusgangsstrom abhängigist.
    [0009] Die Übertragungder Strominformationen von den einzelnen Wandlerstufen an die Ansteuerschaltungmittels pulsweitenmodulierter Signale, deren jeweilige Pulsdauerbzw. deren jeweiliger Duty-Cycle eine Information über denAusgangsstrom darstellt, bietet verschiedene Vorteile: PulsweitenmodulierteSignale könnenmit geringem schaltungstechnischem Aufwand in digital verarbeitbareSignale gewandelt werden. Darüberhinaus sind pulsweitenmodulierte Signale robust gegenüber Schwankungen einerVersorgungsspannung, die zu Schwankungen der Amplitude des pulsweitenmoduliertenSignals führenkönnen,da die Amplitude pulsweitenmodulierter Signale – anders als die Amplitudeamplitudenmodulierter Signale – keineInformation trägt.
    [0010] Dieeinzelnen Wandlerstufen des Schaltwandlers sind beispielsweise alsTiefsetzsteller (Buck Converter) ausgebildet und umfassen jeweils eineInduktivitätund einen ersten Tran sistor, wobei die Induktivität an diejeweilige Ausgangsklemme angeschlossen ist und nach Maßgabe desjeweiligen Ansteuersignals an die Spannungsversorgung angeschlossenwird.
    [0011] Einein den einzelnen Wandlerstufen vorhandene Messanordnung, die denAusgangsstrom des Wandlers ermittelt und ein von diesem AusgangsstromabhängigesMesssignal bereitstellt, ist beispielsweise an den ersten Transistorgekoppelt, um den Strom durch diesen ersten Transistor zu erfassen.Eine Messung des Ausgangsstromes des jeweiligen Wandlers erfolgthierbei nur bei leitend angesteuertem erstem Transistor.
    [0012] DieMessanordnung umfasst bei einer Ausführungsform eine Stromspiegelanordnungzur Bereitstellung eines zu einem Strom durch den ersten Transistorproportionalen Messstrom, einen Strom-Spannungs-Wandler zur Bereitstellungeiner von dem Messstrom abhängigenMessspannung, und eine Vergleicheranordnung zum Vergleichen der Messspannungmit einem Referenzwert und Bereitstellen des pulsweitenmoduliertenMesssignals. Die Vergleicheranordnung ist hierbei vorzugsweise dazu ausgebildet,mit Einschalten des ersten Transistors einen ersten Pegel des Messsignalszur Verfügung zustellen und einen zweiten Pegel des Messsignals zur Verfügung zustellen, wenn die Messspannung den Referenzwert erreicht.
    [0013] Dievorliegende Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand vonFiguren näher erläutert.
    [0014] 1 veranschaulichteinen erfindungsgemäßen Schaltwandlermit mehreren parallel geschalteten Wandlerstufen, die gemeinsamzur Stromversorgung einer Last beitragen und die durch eine gemeinsameAnsteuerschaltung angesteuert sind.
    [0015] 2 veranschaulichteine beliebige der Wandlerstufen, die eine Strommessanordnung zur Bereitstellungei nes von einem Ausgangsstrom abhängigen pulsweitenmoduliertenMesssignals aufweist.
    [0016] 3 zeigtein erstes schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel der Strommessanordnung.
    [0017] 4 veranschaulichtdie Funktionsweise der Strommessanordnung anhand ausgewählter in derStrommessanordnung vorkommender Signale.
    [0018] 5 zeigtein zweites schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel der Strommessanordnung.
    [0019] 6 veranschaulichtdie Ansteuerschaltung, die einen Regler und eine der Anzahl derWandlerstufen entsprechende Anzahl Wandlereinheiten aufweist, diejeweils ein pulsweitenmoduliertes Messsignal in ein Digitalsignalumsetzen.
    [0020] 7 zeigt ein Realisierungsbeispiel einer Wandlereinheitzur Umsetzung eines pulweitenmodulierten Signals in ein digitalesSignal (7a) und zeitliche Verläufe ausgewählter inder Wandlereinheit vorkommender Signale (7b).
    [0021] 8 zeigtein Realisierungsbeispiel einer Ausgangsstufe der Ansteuerschaltung.
    [0022] 9 veranschaulichtzeitliche Verläufeder Ansteuersignale der einzelnen Wandlerstufen.
    [0023] Inden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichengleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
    [0024] Bezugnehmendauf 1 weist der erfindungsgemäße Schaltwandler mehrere Wandlerstufen 11, 12, 1n auf.Die einzelnen Wandlerstufen umfassen jeweils Spannungsversorgungsanschlüsse zumAnschließenan eine Versorgungsspannung, die zwischen einer Klemme für ein erstesVersorgungspotential V+ und einer Klemme für ein zweites Versorgungspotentialanliegt, einen Steueranschluss zum Zuführen eines AnsteuersignalsS11, S12, S1n, einen Ausgangsanschluss zum Bereitstellen eines AusgangsstromesI1, I2, In und einen Messanschluss zum Bereitstellen eines von demjeweiligen Ausgangsstrom I1, I2, In abhängigen Strommesssignals S21,S22, S2n aufweisen. Wenngleich bei dem Schaltwandler gemäß 1 lediglichdrei Wandlerstufen 11, 12, 1n dargestelltsind, sei darauf hingewiesen, dass selbstverständlich beliebig viele Wandlerstufenparallel geschaltet werden können,die jeweils an die Versorgungsspannung angeschlossen sind, denenjeweils ein Ansteuersignal zugeführtist und die jeweils einen Ausgangsstrom und ein von dem AusgangsstromabhängigesMesssignal bereitstellen.
    [0025] DieAusgängeder einzelnen Wandlerstufen 11, 12, 1n,an denen die AusgangsströmeI1, I2, In zur Verfügungstehen, sind gemeinsam an eine Ausgangsklemme OUT des Schaltwandlersangeschlossen, an die eine Last Z anschließbar ist. Aufgabe des Schaltwandlersist es, eine wenigstens annäherungsweisekonstante Ausgangsspannung Vout für die Last zur Verfügung zustellen. Der zur Aufrechterhaltung der Ausgangsspannung Vout erforderliche,von der Last Z aufgenommene Ausgangsstrom Iout wird hierbei gemeinsamvon den einzelnen Wandlerstufen 11, 12 In zurVerfügunggestellt wird.
    [0026] ZurAnsteuerung der einzelnen Wandlerstufen 11, 12 Inist eine Ansteuerschaltung 20 vorgesehen, die die AnsteuersignaleS11, S12, S1n fürdie einzelnen Wandlerstufen bereitstellt. Aufgabe dieser Ansteuerschaltungist es dabei, die einzelnen Wandlerstufen 11, 12, 1n soanzusteuern, dass die Ausgangsspannung Vout lastunabhängig konstantgehalten wird und dass die einzelnen Wandlerstufen 11, 12, 1n wenigstensannäherndgleiche AusgangsströmeI1, I2, In bereitstellen. Zur Regelung der Ausgangsspannung Voutist der Ansteuerschaltung 20 ein von der AusgangsspannungVout abhängiges AusgangssignalSout zugeführt.Dieses Ausgangssignal Sout stimmt in dem dargestellten Beispielmit der Ausgangsspannung Vout überein,kann jedoch in nicht näherdargestellter Weise auch mittels eines Spannungsteilers aus derAusgangsspannung Vout erzeugt werden. Zur Regelung der Strombelastung dereinzelnen Wandlerstufen 11, 12, 1n sindder Ansteuerschaltung 20 Strommesssignale S21, S22, S2nvon den einzelnen Wandlerstufen 11, 12, 1n zugeführt, dievon dem Ausgangsstrom I1, I2, In der jeweiligen Wandlerstufe 11, 12,In abhängigsind.
    [0027] DieWandlerstufen 11, 12, 1n sind dazu ausgebildet,pulsweitenmodulierte Strommesssignale S21, S22, S2n zur Verfügung zustellen. Die Information überdie Amplitude des jeweiligen Ausgangsstromes I1, I2, In ist hierbeiin der Pulsdauer bzw. in dem Duty-Cycle des jeweiligen pulsweitenmodulierten MesssignalsS21, S22, S2n enthalten. Die Übertragungder Informationen überdie AusgangsströmeI1, I2, In der einzelnen Wandlerstufen 11, 12, 1n mittels pulsweitenmodulierterSignale an die Ansteuerschaltung 20 bietet den Vorteil,dass pulsweitenmodulierte Signale anders als amplitudenmodulierteSignale in der Ansteuerschaltung 20 vergleichsweise einfachin digitale Messsignale zur weiteren Verarbeitung gewandelt werdenkönnen.Ein A/D-Wandler zur Wandlung eines amplitudenmodulierten Signalsin ein digitales Signal ist bei dem erfindungsgemäßen Schaltwandlerlediglich zur Wandlung des analogen Ausgangssignals Sout in eindigitales Ausgangssignal DSout, der der Ansteuerschaltung 20 vorgeschaltet ist,erforderlich.
    [0028] Dieeinzelnen Wandlerstufen 11, 12, 1n sind beispielsweiseals Tiefsetzsteller (Buck Converter) ausgebildet, wie anhand von 2 veranschaulicht wird. 2 zeigtbeispielhaft eine beliebige der Wandlerstufen 11, 12, 1n,die in 2 mit dem Bezugszeichen 1x bezeichnetist. Die Signale S1x, S2x und Ix stehen entsprechend für einesder Ansteuersignale S11, S12, S1n, eines der Messsignale S21, S22,S2n und einen der AusgangsströmeI1, I2, In. Die als Tiefsetzsteller ausgebil dete Wandlerstufe umfasstzwei Transistoren T1, T2, die in dem Beispiel als MOSFET ausgebildetsind, und deren Laststrecken zwischen das erste VersorgungspotentialV+ und das zweite Versorgungspotential GND geschaltet sind. Daserste Versorgungspotential V+ ist hierbei beispielsweise ein positivesVersorgungspotential, währenddas zweite Versorgungspotential ein Bezugspotential, insbesondereMasse ist. An einen den beiden Transistoren T1, T2 gemeinsamen Lastanschlussist eine InduktivitätLout angeschlossen, die von dem Ausgangsstrom Ix durchflossen wird.
    [0029] Diebeiden Transistoren T1, T2 sind durch eine Treiberschaltung 60 nachMaßgabedes Ansteuersignals S1x angesteuert. Die Treiberschaltung 60 setztdas Ansteuersignal S1x in Ansteuersignale ST1, ST2 mit geeignetenPegeln fürdie beiden Transistoren T1, T2 um und stellt dabei sicher, dassdie beiden Transistoren T1, T2 nie gleichzeitig leiten. Der AusgangsstromIx der Wandlerstufe ist maßgeblich bestimmtdurch den Duty-Cycle der Ansteuerung des ersten Transistors T1,also das Verhältniszwischen Einschaltdauer und Periodendauer einer Ansteuerperiodedieses ersten Transistors T1. Der Duty-Cycle des Ansteuersignals ST1 des erstenTransistors T1 entspricht vorzugsweise dem Duty-Cycle des AnsteuersignalsS1x. Es sei darauf hingewiesen, dass die Treiberschaltung 60 auchBestandteil der Ansteuerschaltung 20 sein kann, so dassdie Ansteuerschaltung 20 für jede der Wandlerstufen zweiAnsteuersignale liefert, nämlichein erstes Ansteuersignal fürden jeweiligen ersten Transistor T1 und ein zweites Ansteuersignalfür denjeweiligen zweiten Transistor T2.
    [0030] Derzweite Transistor T2 dient lediglich als Freilaufelement für die Induktivität Lout beisperrendem ersten Transistor T1 und kann in hinlänglich bekannter Weise auchdurch eine Diode ersetzt werden.
    [0031] DieWandlerstufe 1x umfasst weiterhin eine Strommessanordnung 30,die an die Lastanschlüsse undden Steueranschluss des ersten Transistors T1 gekoppelt ist, unddie ein pulsweitenmoduliertes Strommesssignal S2x bereitstellt.Ein schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel einer solchen Messanordnung 30 istin 3 dargestellt.
    [0032] DieseMessanordnung funktioniert nach dem sogenannten Stromsense-Prinzipund umfasst einen dritten Transistor T3, dessen Steueranschlussan den Steueranschluss des ersten Transistors T1 angeschlossen istund dessen erster Lastanschluss an den entsprechenden Lastanschlussdes ersten Transistors T1 angeschlossen ist. Weiterhin ist eineRegelanordnung mit einem Operationsverstärker 31 und einemvierten Transistor T4 vorgesehen, die bewirkt, dass der dritte TransistorT3 im selben Arbeitspunkt wie der erste Transistor T1 betriebenwird, so dass ein den dritten Transistor T3 durchfließender MessstromIm zu einem den ersten Transistor T1 durchfließenden Laststrom Iin proportionalist. Der Proportionalitätsfaktorergibt sich aus dem Flächenverhältnis derbeiden Transistoren, wobei der als Lasttransistor dienende ersteTransistor T1 üblicherweiseeine wesentlich größere Transistorfläche als derMesstransistor T3 aufweist. ÜblicheFlächenverhältnisseliegen im Bereich von 3000 : 1. Zur Einstellung des Arbeitspunktesdes Messtransistors T3 ist die Laststrecke des vierten TransistorsT4 zwischen den zweiten Lastanschluss des dritten Transistors T3 undBezugspotential GND geschaltet. Der Operationsverstärker 31 vergleichtdas Potential an dem zweiten Lastanschluss des ersten TransistorsT1 mit dem Potential an dem zweiten Lastanschluss des MesstransistorsT3 und steuert den vierten Transistor T4 derart an, dass diese Potentialegleich sind, wodurch die beiden Transistoren T1, T3 im selben Arbeitspunktbetrieben werden.
    [0033] Dererste, dritte und vierte Transistor T1, T3, T4 sind beispielsweiseals n-Kanal-Transistor ausgebildet, deren Gate-Anschluss den Steueranschluss, derenDrain-Anschluss den ersten Lastanschluss und deren Source-Anschlussden zweiten Lastanschluss bildet.
    [0034] DerGate-Anschluss G des vierten Transistors ist an den Ausgang desOperationsverstärkers 31 gekoppeltist, und dessen Source-Anschluss liegt auf Bezugspotential GND.Für dieRegelung der Arbeitspunkte des ersten und dritten Transistors T1,T3 jeweils auf denselben Arbeitspunkt, d.h. für die Regelung der Source-Potentialedieser Transistoren T1, T3 auf den denselben Wert stellt sich zwischenGate und Source G, S des vierten Transistors T4 eine Gate-Source-SpannungVgs4 ein, die überdie Kennlinie des vierten Transistors T4 zu dem den vierten TransistorT4 durchfließendenMessstrom Im in Beziehung steht. Die Messanordnung 30 nutztdiese Gate-Source-SpannungVgs4 als Maß für den zu demLaststrom Iin proportionalen Messstrom Im und zur Erzeugung despulsweitenmodulierten Strommesssignals S2x. Der vierte TransistorT4 funktioniert hierbei als Strom-Spannungswandler.
    [0035] ZurErmittlung und Weiterverarbeitung dieser Gate-Source-Spannung Vgs4 istein kapazitives Speicherelement 39, im vorliegenden Fallein Kondensator, vorgesehen, der nach Maßgabe des Ansteuersignals ST1des ersten Transistors T1 parallel zur Gate-Source-Strecke Vgs4des vierten Transistors T4, d.h. zwischen den Ausgang des Operationsverstärkers 31 undBezugspotential GND geschaltet ist. Zwischen diesen Ausgang desOperationsverstärkers 31 unddas kapazitive Speicherelement 39 ist ein erster Schalter 32 geschaltet,der bei leitend angesteuertem ersten Transistor T1 geschlossen ist, wodurcheine Spannung V39 überdem Kondensator 39 der Gate-Source-Spannung Vgs4 des vierten TransistorsT4 folgt.
    [0036] DieseKondensatorspannung V39 wird mittels eines Komparators 35 miteiner durch eine Referenzspannungsquelle 36 bereitgestelltenReferenzspannung REF verglichen. Der Ausgang des Komparators 35 steuertden RücksetzeingangR eines RS-Flip-Flopsan, dessen Setz-Eingang durch das Ansteuersignal ST1 des erstenTransistors T1 angesteuert ist. An einem Ausgang Q dieses Flip-Flops stehtdas pulsweitenmodulierte Stromsignal S2x zur Verfügung.
    [0037] DerKondensator C39 ist außerdem über einenzweiten Schalter 33 und eine Entladestromquelle 34 anBezugspotential GND angeschlossen. Der zweite Schalter 33 istkomplementärzu dem ersten Schalter 32 angesteuert und dient dazu denKondensator 39 nach Sperren des ersten Transistors T1 für einennachfolgendem Messvorgang zu entladen. Eine Ermittlung des AusgangsstromesIx findet bei dieser Messanordnung nur bei eingeschaltetem erstenTransistor T1 statt, wobei der den ersten Transistor T1 durchfließende LaststromIin dabei dem Ausgangsstrom Ix entspricht.
    [0038] DieFunktionsweise der Strommessanordnung 30 gemäß 3 wirdnachfolgend anhand zeitlicher Verläufe des Ansteuersignals ST1des ersten Transistors T1, der Last- und Messströme Iin, Im, der KondensatorspannungV39 und des Messsignals S2x nähererläutert.Für dieDarstellung wird davon ausgegangen, dass der erste Transistor T1bei einem High-Pegel des Ansteuersignals ST1 leitet und bei einemLow-Pegel dieses Ansteuersignals sperrt. Für die Darstellung wird weiterhindavon ausgegangen, dass der Schalter T1 zuvor bereits eingeschaltetwar und dass die InduktivitätLout zwischen einzelnen Einschaltvorgängen nicht vollständig abkommutiert, sodass der Laststrom Iin durch den ersten Transistor T1 bei Einschaltendes ersten Transistors T1 unmittelbar auf einen Wert ungleich Nullansteigt. Ausgehend von diesem Anfangswert steigt der Laststrom Iin,und entsprechend der zu dem Laststrom Iin proportionale MessstromIm mit zunehmender Einschaltdauer annähernd linear an.
    [0039] Entsprechenddes Messstromes Im nimmt auch die Gate-Source-Spannung Vgs4 des vierten TransistorsT4 und damit die Kondensatorspannung V39 mit Einschalten des erstenTransistors T1 rasch einen Anfangswert an, ausgehend von dem diese Spannungmit zunehmenden Messstrom Im ebenfalls ansteigt. Es sei darauf hingewiesen,dass der Zusammenhang zwischen dem Messstrom Im und der Gate-Source-SpannungVgs4 grundsätzlichnicht linear ist. Zur Vereinfachung der Darstellung wurde jedochvon einer solchen linearen Abhängigkeitdes Messstromes Im von der Gate-Source-Spannung Vgs4 ausgegangen.
    [0040] Miteiner steigenden Flanke des Ansteuersignals ST1 wird das Flip-Flop 37 gesetzt,wodurch das Messsignal S2x einen High-Pegel annimmt. Das Flip-Flop 37 bleibtdabei gesetzt, bis die Kondensatorspannung V39 den Wert des ReferenzsignalsREF erreicht. Mit Rücksetzendieses Flip-Flops 37 nimmt das Messsignal S2x einen Low-Pegelan. Die Pulsdauer der einzelnen Impulse des Messsignals ist somitabhängigvon der Zeitdauer zwischen dem Einschalten des ersten TransistorsT1 und dem Erreichen der Referenzspannung REF durch die KondensatorspannungV39. Bei einer angenommenen Linearität zwischen dem Messstrom Imund der Kondensatorspannung V39 ist diese Zeitdauer unmittelbar proportionalzu der mittleren Stromaufnahme währendder Einschaltdauer des ersten Transistors T1, und damit unmittelbarproportional zu dem Ausgangsstrom Ix. Wegen der Nicht-Linearität zwischen demMessstrom Im und der Kondensatorspannung V39 ist diese Zeitdauernicht proportional zu dem mittleren Ausgangsstrom Ix der Wandlerstufe.Dies stellt allerdings keinen Nachteil bezüglich eines korrekten Funktionierensdes Schaltwandlers dar, da es fürdie Regelung der Stromaufnahme der einzelnen Wandlerstufen nichtrelevant ist, den tatsächlichfließendenAusgangsstrom zu ermitteln, sondern da es lediglich relevant ist,eine Information dahingehend zu erhalten, ob die Wandlerstufen gleicheAusgangsströmeliefern, bzw. welche(r) der Wandlerstufen einen kleineren oder größeren Stromliefern. Bei gleichen Ausgangsströmen I1, I2, In sind die Pulsdauern derpulsweitenmodulierten Signale S21, S22, S2n aller Wandlerstufengleich. Liefert eine Wandlerstufe einen geringeren AusgangsstromI1, I2, In als die anderen Wandlerstufen, so resultiert hierauseine längerePulsdauer des jeweiligen Messsignals, da eine Zeitdauer zwi schendem Einschalten des ersten Transistors T1 und einem Erreichen derReferenzspannung REF entsprechen größer ist.
    [0041] AlsKondensator 39, dessen Spannung V39 mit der ReferenzspannungREF verglichen wird, kann insbesondere die Gate-Source-Kapazität eines MOS-Transistorsverwendet werden, wie in 3 veranschaulicht ist.
    [0042] Selbstverständlich können beliebigeweitere Strom-Spannungswandlerin der Messanordnung 30 zur Umsetzung des Messstroms Imin einen Spannungswert vorgesehen werden.
    [0043] 5 zeigtein weiteres Ausführungsbeispiel derStrommessanordnung, bei der ein Widerstand 40 in Reihezu dem vierten Transistor T4 geschaltet ist. Dieser Widerstand 40 liefertein zu dem Messstrom Im proportionales Spannungssignal V40, dasentsprechend der Kondensatorspannung V39 gemäß 3 durchden Komparators 35 mit der Referenzspannung REF verglichenwird. Bei dieser Ausführungsformbesteht eine Linearitätzwischen der Dauer der Impulse des Messsignals S2x und dem MessstromIm.
    [0044] 6 veranschaulichtein Beispiel fürdie Ansteuerschaltung 20 zur Erzeugung der AnsteuersignaleS11, S12, S2n aus dem digitalen Ausgangssignal DSout und den pulsweitenmoduliertenStrommesssignalen S21, S22, S2n.
    [0045] DieAnsteuerschaltung weist einen digitalen Regler 21 auf,der beispielsweise als PI-Regler ausgebildet ist, und dem das digitaleAusgangssignal DSout und ein zweiter Referenzwert REF2 zugeführt sind.Dieser zweite Referenzwert REF2 repräsentiert einen Sollwert für die AusgangsspannungVout des Schaltwandlers. Am Ausgang dieses digitalen Reglers 21 stehtein digitales Regelsignal RS zur Verfügung, das in noch erläuterterWeise zur Erzeugung der Ansteuersignale S11, S12, S1n für die einzelnen Wandlerherangezogen wird. Die Ansteuerschaltung umfasst außerdem weiterhinWandlereinheiten 221, 222, 22n, zur Umsetzungpulsweitenmodulierter Signale in digitale Signale denen jeweilseines der pulsweitenmodulierten Strommesssignale S21, S22, S2n zugeführt sind,und die jeweils ein digitales Messsignal S221, S222, S22n bereitstellen.Jedes dieser digitalen Strommesssignale S221, S222, S22n wird mittelseines Addierers 231, 232, 23n zu demdigitalen Regelsignal RS addiert, um digitale Steuersignale S31,S32, S3n fürdie einzelnen Wandlerstufen zur Verfügung zu stellen. Diese digitalenSteuersignale S31, S32, S3n werden einer Ausgangsstufe 24 der Ansteuerschaltungzugeführt,die diese digitalen Steuersignale in pulsweitenmodulierte AnsteuersignaleS11, S12, S1n fürdie einzelnen Wandlerstufen 11, 12, 1n umsetzt.Der Duty-Cycle jedes dieser Ansteuersignale S11, S12, S1n ist dabeivon einem der digitale Steuersignale D31, S32, S3n abhängig.
    [0046] Vorzugsweiseist die Ausgangsstufe 24 der Ansteuerschaltung dazu ausgebildet,die einzelnen Wandlerstufen zeitlich versetzt zueinander anzusteuern,wie in 9 dargestellt ist. 9 zeigtdie Ansteuersignale S11, S12, S1n der einzelnen Wandlerstufen während einerPeriode T innerhalb derer jede Wandlerstufe genau einmal angesteuertwird. Wie ersichtlich ist, sind Ansteuerimpulse der einzelnen AnsteuersignaleS11, S12, S1n zeitlich zueinander versetzt, so dass während einerZeitdauer nur jeweils eine der Wandlerstufen angesteuert ist. DieZeitdauern t11, t12, t1n der Ansteuerung sind dabei abhängig vonden zugehörigendigitalen Steuersignalen S31, S32, S3n, das heißt, die Ansteuerdauer t11 der erstenWandlerstufe ist abhängigvon dem digitalen Steuersignal S31, die Zeitdauer t12 ist abhängig von demdigitalen Steuersignal S32 und die Zeitdauer t1n ist abhängig vondem digitalen Steuersignal S3n. Bei Verwendung von Tiefsetzstellerngemäß 2 in denWandlerstufen entsprechen die Ansteuerdauern t11, t12, t1n jeweilsden Einschaltdauern des ersten Transistors T1 der jeweiligen Wandlerstufe.Die Ansteuerdauern t11, t12, t1n beeinflussen unmittelbar die Stromaufnahmeder jeweiligen Wandlerstufe, wobei gilt, dass die Stromaufnahmeder jeweiligen Wandlerstufe um so größer ist, je länger dieAnsteuerdauer ist.
    [0047] Diedigitalen Steuersignale S31, S32, S3n enthalten eine von der AusgangsspannungVout abhängige,aus dem Regelsignal RS resultierende Komponente und eine aus demAusgangsstrom I1, I2, In der jeweiligen Wandlerstufe 11, 12, 1n resultierendeKomponente. Ist der Ausgangsstrom I1, I2, In einer der Wandlerstufen 11, 12, 1n kleinerals der Ausgangsstrom I1, I2, In der anderen Wandlerstufen 11, 12, 1n,so resultiert hieraus eine grö0ßere Pulsdauerdes zugehörigenStrommesssignals S21, S22, S2n und ein größeres digitales SteuersignalS31, S32, S3n. Dies hat zur Folge, dass die Einschaltdauer der jeweiligenWandlerstufe 11, 12, 1n während einerAnsteuerperiode T vergrößert wird,mit der Folge, dass der Ausgangsstrom I1, I2, In der Wandlerstufe steigt,um sich den Ausgangsströmender anderen Wandlerstufen anzugleichen.
    [0048] Sinktdie Ausgangsspannung Vout, beispielsweise bedingt durch eine höhere Stromaufnahmeder Last, so vergrößert sichdas digitale Regelsignal, woraus eine gleichmäßige Vergrößerung der digitalen SteuersignaleS31, S32, S3n resultiert, wodurch die Ausgangsströme I1, I2,In aller Wandlerstufen gleichermaßen erhöht werden. Bei einem Ansteigender Ausgangsspannung Vout werden die Ausgangsströme aller Wandlerstufen entsprechendverkleinert.
    [0049] 7a zeigtein Realisierungsbeispiel fürdie Wandlereinheiten 221, 222, 22n, zurUmwandlung der pulsweitenmodulierten Messsignale S21, S22, S2n indigitale Messwerte S221, S222, S22n. Das Bezugszeichen 22x in 7 steht für eine beliebige dieser Wandlereinheiten,S2x steht fürein beliebiges der pulsweitenmodulierten Messsignale und S22x stehtfür einender digitale Messwerte. Die Wandlereinheit umfasst einen digitalenZähler 45 miteinem Freigabeeingang 451, einem Rücksetzeingang 452 undeinem Taktsignaleingang 453. Dem Freigabeeingang 451 istdabei das pulsweitenmodulierte Mess signal S2x zugeführt. DerZähler 45 istdazu ausgebildet, bei einem vorgegebenen Pegel des pulsweitenmoduliertenSignals, beispielsweise dem High-Pegel, nach Maßgabe des Taktsignals CLK ausgehendvon einem Anfangswert hochgezähltzu werden. Dieser Anfangswert, auf den der Zähler bei Anlegen eines Rücksetzsignalsan dem Rücksetzeingang 452 zurückgesetztwird, ist vorzugsweise Null. Die Frequenz bzw. die Periodendauerdes Taktsignals CLK ist so auf die durch die Wandlerstufen bereitgestelltenpulsweitenmodulierten Messsignale S2x abgestimmt, dass die Periodendauerdes Taktsignals CLK kleiner ist als die minimale Pulsdauer des pulsweitenmoduliertenSignals S2x.
    [0050] DieFunktionsweise dieser Wandlereinheit wird nachfolgend unter Verwendungvon 7b erläutert. 7b veranschaulichtzeitliche Verläufedes pulsweitenmodulierten Messsignals S2x, des Taktsignals CLK sowieeines an einem Ausgangs 454 des Zählers zur Verfügung stehendendigitalen ZählerwertesS45. Der Zähler 45 wirdnach einer steigenden Flanke des pulsweitenmodulierten Signals S2x mitjedem Takt des Taktsignals CLK inkrementiert, vorzugsweise jeweilsum den Wert Eins. Der ZählerstandS45 wird am Ende der Pulsdauer in einem dem Zähler 45 nachgeschaltetenRegister 46 abgespeichert. Hierzu ist einem Ladeingangdes Registers 46 das invertierte pulsweitenmodulierte MesssignalS2x zugeführt,um am Ende der Pulsdauer den von dem Zähler 45 zur Verfügung gestelltenZählerwertS45 zu speichern. Nach Ablauf einer Verzögerungsdauer τ nach derfallenden Flanke des Messsignals S2x wird der Zähler 45 wieder aufden Anfangswert, vorzugsweise Null, zurückgesetzt. Hierzu ist dem Rücksetzeingang 452 desZählers 45 dasinvertierte und mittels eines Verzögerungsglieds 44 verzögerte MesssignalS2x zugeführt.Am Ausgang des Registers 46 steht das digitale MesssignalS22x zur weiteren Verarbeitung in der Ansteuerschaltung zur Verfügung. Optionalist dem Register 46 ein Dividierer 47 nachgeschaltet,der zur Skalierung des zu dem digitalen Regelsignal RS addiertendigitalen Strommesswertes S2x dient, um die Amplituden des Regelsignals RSund der digitalen Strommesssignale S21, S22, S2n aufeinander abstimmenzu können.
    [0051] EinRealisierungsbeispiel der Ausgangsstufe 24 der Ansteuerschaltungist in 8 dargestellt. Diese Ausgangsstufe 24 istals Pulsweitenmodulatoranordnung ausgebildet und umfasst eine derAnzahl der anzusteuernden Wandlerstufe entsprechende Anzahl digitalerPulsweitenmodulatoren zur Umwandlung der digitalen SteuersignaleS31, S32, S3n in pulsweitenmodulierte Signale S11, S12, S1n, wobeidie Pulsdauern der einzelnen Impulse dieser pulsweitenmoduliertenSignale jeweils von einem der digitalen Steuersignale S31, S32,S3n abhängigsind.
    [0052] DieseWandlereinheiten 241, 242, 24n können innicht näherdargestellter Weise beispielsweise jeweils unter Verwendung einesRückwärtszählers realisiertwerden, der mit dem jeweiligen digitalen Steuersignalwert geladenwird und der nach Maßgabeeines Taktsignals bis auf einen vorgegebenen Endwert, vorzugsweiseNull, heruntergezähltwird. Die Impulsdauer eines Impulses des Ansteuersignals S11, S12,S1n entspricht dabei der Zeitdauer, die für das Herunterzählen desZählersausgehend von dem Anfangswert benötigt wird.
    [0053] DieAusgangsstufe umfasst weiterhin eine Steuerschaltung 25,die die einzelnen Modulatoren 241, 242, 24n ansteuert,um jeweils die Anfangszeitpunkte der einzelnen Impulse der Ansteuersignale festzulegen,wobei die Steuerschaltung 25 insbesondere dahingehend ausgebildetist, die einzelnen Wandlereinheiten 241, 242, 24n zeitlichversetzt zueinander anzusteuern, um eine zeitliche Abfolge der Ansteuerimpulseder einzelnen Wandlerstufen gemäß 9 zuerreichen.
    11,12, 1n Wandlerstufen 1x Wandlerstufe 20 Ansteuerschaltung 21 Regler 221,222, 22n Wandlereinheiten 231,232, 23n Addierer 24 Ausgangsstufe 241,242, 24n Wandlereinheiten 25 Steuerschaltung 30 Strommessanordnung 31 Operationsverstärker 32,33 Schalter 34 Stromquelle 35 Komparator 36 Referenzspannungsquelle 37 Flip-Flop 38 Inverter 39 Kondensator 40 Widerstand 44 Verzögerungsglied 45 Zähler 451 Freigabeeingangdes Zählers 452 Rücksetzeingangdes Zählers 453 Takteingangdes Zählers 454 Ausgangdes Zählers 46 Register 47 Dividierer 48 Inverter 50 Analog-Digital-Wandler DSout digitalesAusgangssignal GND Bezugspotential I1,I2, In Ausgangsströme der Wandlerstufen Iout Ausgangsstrom Ix Ausgangsstrom Lout Induktivität OUT Ausgangsklemme REF Referenzspannung S11,S12, S1n Ansteuersignale S1x Ansteuersignal S21,S22, S2n pulsweitenmodulierteStrommesssignale S221,S222, S22n digitaleStrommesssignale S2x pulsweitenmoduliertesStrommesssignal S31,S32, S3n digitaleSteuersignale S45 Zählerausgangssignal Sout analogesAusgangssignal ST1,ST2 Transistoransteuersignale T1,T2 Transistoren T3,T4 Transistoren V+ Versorgungspotential Vout Ausgangsspannung Z Last
    权利要求:
    Claims (8)
    [1] Schaltwandler der folgende Merkmale aufweist: – wenigstenszwei Wandlerstufen (11, 12, 1n), diejeweils Spannungsversorgungsanschlüsse zum Anschließen an eineVersorgungsspannung, einen Steueranschluss zum Zuführen einesAnsteuersignals (S11, S12, S1n), einen Ausgangsanschluss zum Bereitstelleneines Ausgangsstromes (I1, I2, In) und einen Messanschluss zum Bereitstelleneines von dem jeweiligen Ausgangsstrom (I1, I2, In) abhängigen Messsignals(S21, S22; S2n) aufweisen, – einen Ausgang (OUT) zum Anschließen einerLast und Bereitstellen einer Ausgangsspannung für die Last, an den die Ausgangsanschlüsse derwenigstens zwei Wandlerstufen (11, 12, 1n)angeschlossen sind, – eineAnsteuerschaltung, der die Messsignale (S21, S22, S2n) und ein vonder Ausgangsspannung (Vout) abhängigesSignal zugeführtsind, und die die Ansteuersignale (S21, S22, S2n) bereitstellt, dadurchgekennzeichnet, dass die Wandlerstufen (11, 12, 1n)dazu ausgebildet sind, ein pulsweitenmoduliertes Messsignal (S21,S22, S2n) zur Verfügungzu stellen, dessen Pulsdauer von dem jeweiligen Ausgangsstrom (I1,I2, In) abhängig ist.
    [2] Schaltwandler nach Anspruch 1, bei der die Ansteuerschaltungeinen Regler (21) aufweist, dem das von der Ausgangsspannung(Vout) abhängige Signal(Sout), sowie ein Referenzsignal (REF2) zugeführt sind und der einen erstendigitalen Regelsignalwert (RS) bereitstellt, der zur Erzeugung derAnsteuersignale (S11, S12, S1n) dient.
    [3] Schaltwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, beider die Ansteuerschaltung (20) eine Analog-Digital-Wandlereinrichtung(221, 222, 22n) aufweist, der die Messsignale(S21, S22, S2n) zugeführtsind, und die digitale Messwerte (S221, S222, S22n) bereitstellt,die jeweils von der Pulsdauer der einzelnen pulsweitenmoduliertenMesssignale (S21, S22, S2n) abhängigsind.
    [4] Schaltwandler nach Anspruch 3, bei der die Ansteuerschaltungjeden der digitalen Messwerte (S221, S222, S22n) mit dem Regelsignal(RS) zu jeweils einem Steuersignal (S31, S32, S3n) verknüpft, dieeiner Pulsweitenmodulatoranordnung zugeführt sind, der aus jedem dieserSteuersignale (S31, S32, S3n) ein Ansteuersignal für eine derWandlerstufen (11, 12, 1n) erzeugt.
    [5] Schaltwandler nach einem der vorangehenden Ansprüche, beider die einzelnen Wandlerstufen jeweils eine Induktivität (Lout)und einen ersten Transistor (T1) aufweisen, wobei die Induktivität (Lout)an die jeweilige Ausgangsklemme angeschlossen ist und nach Maßgabe desjeweiligen Ansteuersignals an die Spannungsversorgung (V+, GND)angeschlossen wird.
    [6] Schaltwandler nach Anspruch 5, bei der die einzelnenWandlerstufen jeweils eine Messanordnung (30) zur Bereitstellungdes jeweiligen Messsignals (S21, S22, S2n) aufweisen, die an denersten Halbleiterschalter (T1) gekoppelt ist.
    [7] Schaltwandler nach Anspruch 6, bei der die Messanordnungfolgende Merkmale aufweist: – eine Stromspiegelanordnung(T3, T4, 31) zur Bereitstellung eines zu einem Strom (Iin)durch den ersten Halbleiterschalter (T1) proportionalen Messstrom (Im), – einenStrom-Spannungs-Wandler (31, T5; 40) zur Bereitstellungeiner von dem Messstrom abhängigen Messspannung, – eine Vergleicheranordnung(35, 36, 37) zum Vergleichen der Messspannungmit einem Referenzwert (REF) und Bereitstellen des Messsignals (S2x).
    [8] Schaltwandler nach Anspruch 7, bei dem die Vergleicheranordnung(35, 36, 37) dazu ausgebildet ist, mitEinschalten des ersten Transistors (T1) einen ersten Pegel des Messsignals(S2x) zur Verfügung zustellen und einen zweiten Pegel des Messsignals (S2x) zur Verfügung zustellen, wenn die Messspannung den Referenzwert erreicht.
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    同族专利:
    公开号 | 公开日
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    US7330362B2|2008-02-12|
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    引用文献:
    公开号 | 申请日 | 公开日 | 申请人 | 专利标题
    法律状态:
    2005-10-27| OP8| Request for examination as to paragraph 44 patent law|
    2006-08-10| 8364| No opposition during term of opposition|
    优先权:
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