DE60029800T2

DE60029800T2 - Frequenzbegrenzung und Überlastungsdetektion in einem Spannungsregler

Info

Publication number: DE60029800T2
Application number: DE60029800T
Authority: DE
Inventors: Derek Bernardon
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2000-12-05
Filing date: 2000-12-05
Publication date: 2007-02-22
Anticipated expiration: 2020-12-06
Also published as: EP1213822B1; JP2004516000A; CN1633741A; CN100380795C; DE60029800D1; EP1213822A1; US6801024B2; WO2002047244A1; US20030214276A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf das Gebiet der Spannungsregler, insbesondere der umschaltenden Spannungsregler, die gemäß dem Tiefsetzsteller-Prinzip funktionieren.
Elektronische Bauteile wie Computer-Prozessoren oder andere Lasten, die durch eine DC-Leistungsversorgung angetrieben werden, benötigen oftmals einen oder mehrere stabile DC-Versorgungsspannungen für den Betrieb. In der Vergangenheit wurden diese DC-Versorgungsspannungen konventionell mit der Hilfe von AC-DC-Wandlern erhalten, welche typische Transformer und Gleichrichter als auch geeignete Kondensatoren und Filter einsetzen, um eine AC-Versorgungsspannung in eine bestimmte DC-Spannung umzuwandeln. Die Spannungsanforderungen elektronischer Lasten wie Computer-Prozessoren und logische ICs sind jedoch relativ hoch in Bezug auf die DC-Spannungsstabilität. Ein Grund hierfür ist, dass prozessierende Schaltungen zu verschiedenen Zeitpunkten verschiedene Datenmengen verarbeiten, was bedeutet, dass ihre Arbeitsbelastungen und somit Energieanforderungen signifikant variieren. Derartigen Lasten würde eine einstellbare und wohl-definierte DC-Versorgungsspannung sehr zugute kommen.
Es existieren konventionelle Spannungsregler-Schaltungen, die eine konstante Ausgangsspannung eines vorbestimmten Wertes bereitstellen, indem der Ausgang überwacht wird und eine Rückkopplung verwendet wird, um den Ausgang konstant zu halten. In einer typischen Pulsbreitenmodulations-Reglerschaltung (PWM) wird eine Rechteckwelle dem Steueranschluss des Schaltungsbauteils zugeführt, um seine EIN- und AUS-Zustände zu steuern. Da ein Erhöhen der EIN-Zeit des Schaltungsbauteils die Ausgangsspannung erhöht und umgekehrt, kann die Ausgangsspannung durch Manipulieren des Einschaltzyklus oder der relativen Einschaltdauer der Rechteckwelle gesteuert werden. Diese Manipulation wird durch eine Steuerschaltung ausgeführt, welche die Ausgangsspannung kontinuierlich mit einer Referenzspannung vergleicht und den Einschaltzyklus oder die relative Einschaltdauer der Rechteckwelle nachstellt, um eine konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten.
Die US-PS 5,945,820 offenbart einen DC-DC-Schaltungsregler, welcher eine zugeführte DC-Spannung in eine DC-Ausgangsspannung umwandelt, um eine Last unter Verwendung eines DC-DC-Tiefsetzstellers zu treiben, der mit Pulsen fester Breite bei einer augenblicklichen Schaltungsrate betrieben wird. Der Regler weist eine Rückkopplung für die Berechnung einer nachfolgenden Schaltungsrate auf, die auf der augenblicklichen Schaltungsrate, einer durch einen Ringoszillator aus einer Ausgangsspannung abgeleiteten Ausgangsfrequenz und einer gewünschten Frequenz basiert, die durch ein Frequenz-Signalisierungsbauteil oder einen Frequenz-Signalisierungsanschluss der Last bereitgestellt wird. Durch Ändern der gewünschten Frequenz teilt die Last ihren Leistungsbedarf mit. Der Regler kann in einem Bereich niedriger Leistung und bei Pegeln mit hoher Leistung verwendet werden.
Ein anderer Typ eines Spannungsreglers ist in der WO 96/10287 beschrieben. Dieser Typ eines Spannungsreglers wird auch Tiefsetzsteller (buck converter) genannt und er erzielt hohe Effizienz durch automatisches Schalten zwischen einer Pulsfrequenzmodulations-Betriebsart (PFM) und einer Pulsbreitenmodulations-Betriebsart (PWM). Das Schalten zwischen den Betriebsarten der Spannungsregelung wird durch Überwachen der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms ausgeführt, wobei der Regler bei kleinen Ausgangsströmen in der PFM-Betriebsart und bei moderaten bis großen Ausgangsströmen in der PWM-Betriebsart arbeitet. Die PFM-Betriebsart hält eine konstante Ausgangsspannung aufrecht, indem sie das Schaltungsbauteil dazu zwingt, Zyklen auszulassen oder zu überspringen, wenn die Ausgangsspannung ihren Nominalwert überschreitet. In der PWM-Betriebsart steuert ein PWM-Signal mit einer variablen relativen Einschaltdauer oder einem variablen relativen Einschaltzyklus das Schaltungsbauteil. Eine konstante Ausgangsspannung wird durch einen Rückkopplungs-Schaltkreis aufrechterhalten, welcher den Einschaltzyklus oder die relative Einschaltdauer des PWM-Signals entsprechend den Fluktuationen in der Ausgangsspannung ändert. In einer PFM-Betriebsart der Spannungsregelung bietet das System bei kleinen Rusgangsstrompegeln eine bessere Effizienz als die PWM-Betriebsart dies vermag.
Wie erwähnt ist PFM eine Betriebsart des Tiefsetzstellers oder Tiefsetzwandlers, welcher für sehr niedrige Lastströme verwendet wird. In dieser Betriebsart tastet der Wandler die Ausgangsspannung mit einem Komparator ab, welcher auslöst, wenn die Ausgangsspannung zu niedrig ist. Er bewirkt das Einschalten des Schaltungselements, d.h. des Leistungstransistors, bis der Strom durch den Induktor einen vorbestimmten Wert erreicht, bei welchem der Ausgangstransistor abgeschaltet wird. Die Frequenz des Wandlers variiert somit abhängig von der Last. Eines der Probleme, die in der PFM-Betriebsart auftreten, liegt vor, wenn der DC/DC-Wandler überlastet ist. Ein weiteres Problem, welches noch nicht gelöst ist, ist das Zurückschalten von der PFM-Betriebsart in die PWM-Betriebsart, insbesondere das Auffinden eines digitalen Signals, welches den Wandler von PFM zu PWM umschalten kann.
In den meisten kommerziellen Produkten wie z.B. von Linear Technologies und Maxim wird ein Laststrom-Abtastungsschema verwendet, um zu bestimmen, wenn in die PWM-Betriebsart im Falle einer Überlastbedingung in der PFM-Betriebsart gewechselt wird.
Es ist somit eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein von einem Spannungsregler durchgeführtes Verfahren anzugeben, welches die oben erwähnten Probleme angeht. Insbesondere ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Lösung einer während der Ausführung der PFM-Betriebsart auftretenden Überlastbedingung bereitzustellen. Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Umschaltung von der PFM-Betriebsart zu der PWM-Betriebsart bereitzustellen.
Diese Aufgaben werden durch die Merkmale des beigefügten Anspruchs 1 gelöst. Beispielhafte und vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen angegeben.
Es ist ein wesentlicher Aspekt der vorliegenden Erfindung, dass in einem von einem Spannungsregler durchgeführten Verfahren eine Begrenzung der Pulsfrequenz in der PFM-Betriebsart eingeführt wird. Die Pulsfrequenz wird effektiv durch Einführen einer Zeitverzögerung in der zweiten Rückkopplungsschaltung des Spannungsreglers, d.h. der Rückkopplungsschaltung der PFM-Betriebsart, begrenzt. Aufgrund der Zeitverzögerung werden die erzeugten und an den LC-Filter ausgegebenen Pulse in der Zeit gespreizt, sodass die Pulsfrequenz effektiv begrenzt wird.
Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein durch einen Spannungsregler durchgeführtes Verfahren, welches die Schritte aufweist:

– Erzeugen einer geregelten Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms an einem Ausgangsanschluss des Reglers unter Verwendung eines Schaltungsbauteils für die Bereitstellung des Ausgangsstroms, wobei das Schaltungsbauteil einen EIN-Zustand und einen AUS-Zustand aufweist,
– Steuern des Schaltungsbauteils mit einer ersten Steuerschaltung, die in einer Pulsbreitenmodulations-Betriebsart (PWM) arbeitet, wobei die erste Steuerschaltung aufweist:
– einen Rechteckwellen-Generator zum Ausgeben einer Rechteckwelle mit einem Einschaltzyklus oder einer relativen Einschaltdauer entsprechend der geregelten Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss, wobei der Rechteckwellen- Generator die EIN- und AUS-Zustände des Schaltungsbauteils steuert, und
– eine erste Rückkopplungsschaltung zum Erzeugen eines Fehlersignals, welches auf einer Differenz zwischen einer Spannung entsprechend der Ausgangsspannung und einer ersten Referenzspannung basiert, und Variieren eines Einschaltzyklus oder einer relativen Einschaltdauer des Rechteckwellen-Generators als Antwort auf das Fehlersignal, um zu bewirken, dass die Ausgangsspannung einen vorbestimmten Spannungspegel hat, und
– Steuern des Schaltungsbauteils mit einer zweiten Steuerschaltung, wobei die zweite Steuerschaltung aufweist:
– einen Signalgenerator der ein Schaltungssignal mit einem festen Einschaltzyklus oder einer festen relativen Einschaltdauer ausgibt, wobei der Signalgenerator die EIN- und AUS-Zustände des Schaltungsbauteils steuert, und
– eine zweite Rückkopplungsschaltung, die in einer Pulsfrequenzmodulations-Betriebsart (PFM) arbeitet, wobei
– eine Zeitverzögerung in der zweiten Rückkopplungsschaltung eingeführt wird, um eine Begrenzung der Pulsfrequenz einzuführen.

Die zweite Rückkopplungsschaltung kann aufweisen einen Stromkomparator, der den durch das Schaltungsbauteil fließenden Strom abtastet, und einen ersten Spannungskomparator, der die Ausgangsspannung des Spannungsreglers abtastet. Der Stromkomparator kann so eingestellt sein, dass er eine Situation detektiert, in welcher der Strom einen vorbestimmten Pegel an einer ansteigenden Flanke des Pulses überschreitet, um somit ein Abschalten des Schaltungsbauteils und ein Einschalten der Zeitverzögerung zu bewirken, und der Spannungskomparator kann so eingestellt sein, dass er eine Situation detektiert, in welcher die Ausgangsspannung unter eine gewünschte Ausgangsspannung fällt, um somit ein Einschalten des Schaltungsbauteils zu bewirken.
Die Zeitverzögerung kann auf solche Weise in die zweite Rückkopplungsschaltung eingeführt werden, dass dem Schaltungsbauteil nicht erlaubt wird, auf EIN zu schalten, bis die Zeitverzögerung AUS ist.
Der Spannungsregler kann ebenso einen zweiten Spannungskomparator aufweisen, welcher ein Zurückschalten von der PFM-Betriebsart in die PWM-Betriebsart bewirkt, falls die Ausgangsspannung unter eine gewünschte Ausgangsspannung um einen vorbestimmten Betrag, z.B. 60 mV, fällt. Die Ausgangsspannung des Reglers wird durch den zweiten Spannungskomparator abgetastet und der zweite Spannungskomparator gibt ein digitales Signal aus, falls die Ausgangsspannung unter die gewünschte Ausgangsspannung um mehr als den vorbestimmten Betrag fällt. Dieses digitale Signal bewirkt dann das Zurückschalten von der PFM-Betriebsart in die PWM-Betriebsart.
In einer Ausführungsform des Spannungsreglers, wie verwendet in dem erfindungsgemäßen Verfahren, kann eine Treiber-Schaltung als Rechteckwellen-Generator in der PWM-Betriebsart als auch als Signalgenerator in der PFM-Betriebsart verwendet werden.
Das Schaltungsbauteil kann einen Transistor, insbesondere einen Leistungstransistor, aufweisen.
Im Folgenden werden Einzelheiten einer Ausführungsform und eines möglichen Schaltungsschemas zur Darstellung der Ausgangsspannung und des Induktorstroms unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen
1 die zeitliche Variation des Induktorstroms (a) und der Ausgangsspannung (b) eines Spannungsreglers zeigt, der entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeitet;
2 einen Teil einer Spannungsreglerschaltung zeigt, welche die PFM-Betriebsart entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren durchführt.
Die zeitliche Variation des Induktorstroms (a) und der Ausgangsspannung (b), wie dargestellt in 1, zeigt eine Ausführungsform, in welcher die Zeitverzögerung ausgelöst wird, wenn der Stromkomparator einen sogenannten Spitzenstrom, d.h. einen vorbestimmten Strompegel, detektiert, und das Schaltungsbauteil aufgrund der Detektion des Spitzenstroms ausschaltet. Auf der anderen Seite detektiert der erste Spannungskomparator eine Situation, in welcher die Ausgangsspannung mit der gewünschten Ausgangsspannung vergleichbar wird und schaltet aufgrund der Detektion den Ausgangstransistor ein.
Das Schaltungsschema wie dargestellt in der 2 ist nur der Teil der Spannungsreglerschaltung, welcher die PFM-Betriebsart durchführt. Sie enthält weder die Steuerung der PWM-Betriebsart noch die digitale Steuerung, welche entscheidet, wann sie in der PFM-Betriebsart oder in der PWM-Betriebsart zu sein hat. Für Einzelheiten des Tiefsetzsteller-Schaltungsmechanismus wird erneut Bezug genommen auf die WO 96/10287. Einige Teile und Bauteile der dargestellten Schaltung sind nummeriert und in der beigefügten Liste der Bezugszeichen aufgelistet.
Das Schaltungsbauteil 1 ist ein Leistungstransistor, welcher einen EIN-Zustand und einen AUS-Zustand aufweist, und welcher durch einen Treiber 2 gesteuert wird, welcher als ein Signalgenerator in der PFM-Betriebsart arbeitet. Der Treiber 2 kann von der PWM-Betriebsart und der PFM-Betriebsart anteilig verwendet werden und in der PWM-Betriebsart kann er als ein Rechteckwellen-Generator verwendet werden.
Der Unterschied in Bezug auf den Stand der Technik liegt in der Einführung einer Frequenzbegrenzung durch Einführung ei ner Zeitverzögerung in der Rückkopplungsschaltung der PFM-Betriebsart. Wenn der Leistungstransistor 1 auf EIN geschaltet wird, oder sogar noch besser, falls er auf AUS geschaltet wird (wie in 1), wird eine Zeitverzögerung ausgelöst. Falls der Spannungskomparator auslöst, bevor die Zeitverzögerung auf AUS geschaltet wird, tritt eine Überlastbedingung auf. Es ist möglich, dieses Signal zu verwenden, um das Zurückschalten zum PWM zu erzeugen. Eine Frequenzbegrenzung kann ebenso bewirkt werden, indem dem Leistungstransistor nicht erlaubt wird, auf EIN zu schalten, bis die Zeitverzögerung AUS ist. Da die Frequenz proportional zu dem Laststrom ist, ist dies ebenso eine Strombegrenzung, wodurch die Ausgangsspannung abnehmen wird und ein anderer Spannungskomparator wie der zweite Spannungskomparator 4 kann diese Bedingung abtasten. Die durch den zweiten Spannungskomparator 4 abzutastende niedrigere Spannung muss natürlich in dem Spannungsbereich der Spezifikationen liegen. Dies ermöglich auch mögliche temporäre Bedingungen, in denen der Wandler in der PFM-Betriebsart für eine kurze zeitliche Periode überlastet ist.

Claims

Verfahren, welches von einem Spannungsregler durchgeführt wird und welches die Schritte aufweist: – Erzeugen einer geregelten Ausgangsspannung und eines Ausgangsstroms an einem Ausgangsanschluss des Reglers unter Verwendung eines Schaltungsbauteils (1) für die Bereitstellung des Ausgangsstroms, wobei das Schaltungsbauteil (1) einen EIN-Zustand und einen AUS-Zustand aufweist, – Steuern des Schaltungsbauteils (1) mit einer ersten Steuerschaltung, die in einer Pulsbreitenmodulations-Betriebsart (PWM) arbeitet, wobei die erste Steuerschaltung aufweist: – einen Rechteckwellen-Generator (2) zum Ausgeben einer Rechteckwelle mit einem Einschaltzyklus oder einer relativen Einschaltdauer entsprechend der geregelten Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss, wobei der Rechteckwellen-Generator (2) die EIN- und AUS-Zustände des Schaltungsbauteils (1) steuert, und – eine erste Rückkopplungsschaltung zum Erzeugen eines Fehlersignals, welches auf einer Differenz zwischen einer Spannung entsprechend der Ausgangsspannung und einer ersten Referenzspannung basiert, und zum Variieren eines Einschaltzyklus oder einer relativen Einschaltdauer des Rechteckwellen-Generators als Antwort auf das Fehlersignal, um zu bewirken, dass die Ausgangsspannung einen vorbestimmten Spannungspegel hat, und – Steuern des Schaltungsbauteils (1) mit einer zweiten Steuerschaltung, wobei die zweite Steuerschaltung aufweist: – einen Signalgenerator (2) der ein Schaltungssignal mit einem festen Einschaltzyklus oder einer festen relativen Einschaltdauer ausgibt, wobei der Signalgenerator (2) die EIN- und AUS-Zustände des Schaltungsbauteils (1) steuert, und – eine zweite Rückkopplungsschaltung, die in einer Pulsfrequenzmodulations-Betriebsart (PFM) arbeitet, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Zeitverzögerung in der zweiten Rückkopplungsschaltung eingeführt wird, um eine Begrenzung der Pulsfrequenz einzuführen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – der durch das Schaltungsbauteil (1) fließende Strom durch einen Stromkomparator (7) abgetastet wird und die Ausgangsspannung durch einen ersten Spannungskomparator (3) abgetastet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass – der Stromkomparator (7) derart eingestellt ist, dass er eine Situation detektiert, in welcher der Strom einen vorbestimmten Pegel an der ansteigenden Flanke eines Pulses überschreitet, um somit das Schaltungsbauteil (1) auszuschalten und die Zeitverzögerung einzuschalten, und – der erste Spannungskomparator (3) derart eingestellt ist, dass er eine Situation detektiert, in welcher die Ausgangsspannung unter eine gewünschte Ausgangsspannung fällt, um somit zu bewirken, dass das Schaltungsbauteil (1) eingeschaltet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Zeitverzögerung auf solche Weise in die zweite Rückkopplungsschaltung eingeführt wird, dass dem Schaltungsbauteil (1) nicht erlaubt wird, eingeschaltet zu werden, bis die Zeitverzögerung aus ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Ausgangsspannung durch einen zweiten Spannungskomparator (4) abgetastet wird, welcher ein Zurückschalten von der PFM-Betriebsart in die PWM-Betriebsart bewirkt, falls die Ausgangsspannung unter eine gewünschte Ausgangsspannung um einen vorbestimmten Betrag, z.B. 60 mV, fällt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Treiber-Schaltung (2) als der Rechteckwellen-Generator in der PWM-Betriebsart und als der Signalgenerator in der PFM-Betriebsart verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Schaltungsbauteil (1) ein Transistor, insbesondere ein Leistungstransistor, ist.