DE60035362T2 - Schaltung zur adaptiven einstellung der totzeit in gegentaktschaltstufen - Google Patents

Schaltung zur adaptiven einstellung der totzeit in gegentaktschaltstufen Download PDF

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    • H03K5/1515—Arrangements in which pulses are delivered at different times at several outputs, i.e. pulse distributors with two complementary outputs non-overlapping

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung und Verfahren zur adaptiven Verringerung der Totzeit in Schaltkreisen.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • 1 (Stand der Technik) zeigt eine Leistungsausgangsstufe, die für einen Audioschaltverstärker typisch ist. Der Pulsbreitenmodulationssteuer- bzw. Regelungsblock 101 ist die Steuer- bzw. Regelschaltung, welche den Eingang (in diesem Fall Audio) in pulsbreitenmodulierte Steuer- bzw. Regelungssignale ändert. Der Eingang kann analog oder digital sein. Treiber 102 und 103 schalten die Gatter der Schalter 104 und 105 ein und aus. In diesem Fall sind die Schalter FETs, aber andere aktive Bauelemente können verwendet werden. Die Verwendung von FETs ist typisch für die Audioverstärkung. Der Filter 106, normalerweise ein LC-Tiefpassfilter, entfernt die Schaltfrequenzen aus dem Signal. Der Verbraucher 107 empfängt die Leistung; in dem Audiofall ist dies ein Lautsprechersystem. Ein Snubber-Netzwerk 108 ist optional und wird verwendet, um die Schaltwellenform zu steuern. Freilaufdioden 110 und 111 steuern bzw. regeln den Spannungsbereich während Übergängen, da der Filter 106 normalerweise induktiv ist. Diese Freilaufdioden sind häufig in Transistoren 104 und 105 integriert.
  • Es ist wichtig, dass die Ausgabevorrichtungen 104 und 105 nicht gleichzeitig ein oder leitend sind, da zwischen den Versorgungen und durch die Vorrichtungen ein hoher Strom fließen wird, was einen Mangel an Wirkungsgrad oder sogar die Zerstörung der Vorrichtungen bewirkt. Eine Totzeit, was die Zeit bedeutet, wenn keine Vorrichtung an ist, wird verwendet, um sicherzustellen, dass dies nicht passiert. 2 (Stand der Technik) stellt dieses Prinzip dar.
  • Jeder Schalter 104, 105 wird für eine Zeitdauer 201 ausgeschaltet, bevor der andere angeschaltet wird. Die Zeitdauer 201 wird die Totzeit genannt.
  • Es ist wichtig, dass die Totzeit 201 so klein wie möglich ist, ohne dass eine Überlappung von Einschaltsignalen auftritt. Während der Totzeit wird die Spannung an den Filter nicht richtig gesteuert bzw. geregelt. Dies bewirkt eine Verzerrung am Ausgang. In aktuellen Konstruktionen minimiert die Verwendung eines sehr hohen Treiberstroms in den Treibern 102 und 103 und die Durchführung sehr kurzer Schaltzeiten die Totzeit. Dieser Ansatz hat den unerwünschten Effekt, dass die Anforderungen an die Stromversorgung und die Verdrahtung erhöht werden, und auch mehr HF-Strahlung emittiert wird.
  • WO 98/07237 offenbart einen tiefgekühlten MOSFET-Halbbrückenwandler mit einer Totzeit, die ansprechend auf eine Ausgangsverbraucherstrommessung dynamisch gesteuert bzw. geregelt wird.
  • Es bleibt in der Technik ein Bedarf an einer Vorrichtung und Verfahren zur Minimierung der Totzeit in Schaltkreisen, ohne eine Überlappung der Leitung in den Schaltern zu bewirken.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Die Vorrichtung zum adaptiven Verringern der Totzeit in einem Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung umfasst eine Überlappungserfassungsschaltung zum Messen der Totzeit/Überlappung und eine Steuer- bzw. Regelschaltung zum Festlegen der Totzeit auf das optimale Niveau (im allgemeinen die minimal mögliche Totzeit, ohne dass eine Überlappung auftritt).
  • Die optimale Totzeit wird wie folgt festgelegt. Beim Einschalten des Verstärkers wird die maximal mögliche Totzeit festgelegt. Die Totzeit wird dann inkrementell bzw. schrittweise verringert, und die Totzeit/Überlappung wird bei jedem schrittweisen Betrag der Totzeit gemessen. Wenn eine sehr kleine vorgegebene Menge an Totzeit gemessen wird, wird die Totzeit für den Schaltkreis festgelegt.
  • Ein Strommesser kann in Reihe mit den Schaltern geschaltet sein. Wenn der Zeitablauf von der Totzeit in eine Überlappung geändert wird, wird es eine Änderung in dem gemessenen Strom geben. Der Punkt an dem Knick in einer Kurve Strom versus Totzeit/Überlappung wird im Hinblick auf die Verzerrung und den Wirkungsgrad nahezu optimal sein. Mehr Überlappung ergibt eine ein wenig bessere Leistung und einem geringeren Wirkungsgrad. Der Arbeitspunkt kann nach den gewünschten Kompromissen gewählt werden. Die Strommessung kann erledigt werden, indem die Spannung an einem kleinen Widerstand gemessen wird oder indem ein Stromwandler verwendet wird.
  • Als eine Variante des Strommessmodells in einem Mehrkanalverstärker kann ein Strommesser von allen Kanälen gemeinsam genutzt werden, indem er in die gemeinsame Stromversorgung geschaltet wird (um z.B. den Strom in die Stromversorgung zu messen). Es wird jeweils ein Kanal justiert.
  • Die Spannungswellenform an dem Schaltpunkt kann ebenfalls überwacht werden. Die Wellenform kann von einem A-D-Wandler digitalisiert und die Änderungen in der Kurve und Überschwingungen überwacht werden, um die gewünschte Steuerung bzw. Regelung auszuwählen.
  • Ein anderes Verfahren für die Verwendung einer Spannungsmessung ist wie folgt. Ein durchschnittlicher Wert der Ausgangsspannung wird erzeugt, indem die Ausgabe durch ein analoges Tiefpassfilter geleitet wird. Eine Wellenform, welche die durchschnittliche (gefilterte) Spannung darstellt, kann dann als ein empfindliches Maß für die Zeitschaltung verwendet werden.
  • Die Steuer- bzw. Regelschaltung zum Festlegen der Totzeit auf das optimale Niveau kann wie folgt implementiert werden. Ein Verzögerungselement wird zwischen die Pulsbreitenmodulationsschaltung und jeden Treiber geschaltet. Die Anstiegs- und Abfallverzögerung jedes Elements kann durch den Steuer- bzw. Regelungsblock separat gesteuert bzw. geregelt werden. Der Schaltkreis kann entweder eine digitale Verzögerung oder eine analoge Verzögerung verwenden.
  • In einer zweiten Ausbildung der Steuer- bzw. Regelschaltung wird der Treiberstrom in jedes Steuergatter der Schaltvorrichtung gesteuert bzw. geregelt, indem der Zeitablauf der Treiber gesteuert bzw. geregelt wird. Das Gatter eines Leistungs-FET hat eine sehr erhebliche Kapazität, wobei häufig mehr als 100 nC Ladung gespeichert werden.
  • Der notwendige Treiberstrom zum Aufladen und Entladen dieser Gatterladung ist erheblich, häufig höher als 1 Ampere. Der Zeitablauf jedes Steuergatters kann variiert werden, indem der Lade- und Entladestrom für das Gatter variiert werden. Dies kann unter Verwendung mehrerer Transistoren in der Treiberschaltung und unter Verwendung einer Logik zum Steuern bzw. Regeln der Anzahl verwendeter (angeschalteter) Treibertransistoren erreicht werden. Wenn als ein Beispiel vier abgestimmte Vorrichtungen verwendet werden, wird eine Vorrichtung etwa viermal so lang brauchen, um das Gatter aufzuladen, wie vier Vorrichtungen brauchen würden. Dieses variable Treiben kann auch verwendet werden, um die Ausgangsflankensteilheit zu steuern bzw. zu regeln, was eine weitere Steuerung bzw. Regelung ermöglicht.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 (Stand der Technik) ist ein Blockdiagramm, das eine Leistungsausgangsstufe zeigt, die typisch für einen Audioschaltverstärker ist.
  • 2 (Stand der Technik) ist ein Zeitablaufdiagramm, das die für den Schaltkreis von 1 typische Totzeit darstellt.
  • 3 ist ein Blockschaltbild, das die Vorrichtung zur adaptiven Verringerung der Totzeit in einem Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt.
  • 4 ist ein Flussdiagramm, das darstellt, wie die Vorrichtung von 3 verwendet werden könnte, um die festgelegte Totzeit zu messen.
  • 5a ist ein Blockdiagramm, welches das erste Verfahren zum Messen der Totzeit/Überlappung in 3 zeigt, das die Messung des Stroms durch die Schalter bedingt.
  • 5b zeigt eine Wellenform, die den in 5a gemessenen Strom darstellt, während der Zeitablauf von der Totzeit auf die Überlappung geändert wird.
  • 6 ist ein Blockdiagramm, das ein zweites Verfahren zum Messen der Totzeit/Überlappung zeigt, das die Messung des Stroms in die Stromversorgung bedingt.
  • 7a ist ein Blockdiagramm, das ein drittes Verfahren zum Messen der Totzeit/Überlappung zeigt, das die Messung der Spannungswellenform an dem Schaltpunkt bedingt.
  • 7b zeigt typische Spannungswellenformen, die sich aus dem Schaltkreis von 7a ergeben, wenn die Steuerung bzw. Regelung der Totzeit variiert wird.
  • 8 ist ein Blockdiagramm, das ein viertes Verfahren zum Messen der Totzeit/Überlappung darstellt, das die Messung der durchschnittlichen Spannung an dem Schaltpunkt bedingt.
  • 9 zeigt eine erste Ausbildung der Steuer- bzw. Regelschaltung von 3, die Verzögerungselemente vor den Treibern verwendet.
  • 10 zeigt eine zweite Ausbildung der Steuer- bzw. Regelschaltung von 3, die einen Schaltkreis zum Steuern bzw. Regeln des Treiberzeitablaufs nutzt.
  • Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausbildung
  • 3 zeigt die Vorrichtung zur adaptiven Verringerung der Totzeit in einem Schaltkreis gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Konstruktion von 3 ist wie im bisherigen Stand der Technik (siehe 1), wobei der Überlappungserfassungsblock 310 zum Messen der Totzeit/Überlappung von dem Schaltblock 305 und die Steuer- bzw. Regelungseinrichtung 320 zum Festlegen der Totzeit auf das optimale Niveau hinzugefügt sind.
  • Die Überlappungserfassung 310 misst die Menge der Totzeit oder der Überlappung, indem sie einen Aspekt des Schaltblocks 305 (siehe 5a, 6, 7a, 8a) misst. Die Steuerung bzw. Regelung 320 stellt die Treibersteuerung bzw. Regelung so ein, dass die Totzeit die minimal mögliche ist, ohne dass eine Überlappung auftritt (siehe 9, 10).
  • 4 ist ein Flussdiagramm, das darstellt, wie die Vorrichtung von 3 verwendet werden könnte, um die festgelegte Totzeit zu messen. Nach dem Einschalten des Verstärkers 402 wird in Schritt 404 die maximal mögliche Totzeit festgelegt. Die Totzeit wird in dem Block 408 schrittweise verringert, wobei die Überlappung bei jedem Mengenschritt der Totzeit in dem Schritt 406 gemessen wird, bis eine sehr kleine Überlappungsmenge 407 gemessen wird.
  • 5a ist ein Blockdiagramm, das ein erstes Verfahren zum Messen der Totzeit/Überlappung zeigt. Ein Strommesser 501 ist in Reihe mit Schaltern 110, 111 geschaltet, um den Strom des Schaltblocks 305 zu messen. Wenn der Zeitablauf von der Totzeit auf die Überlappung geändert wird, gibt es, wie in 5b dargestellt, eine Änderung in dem gemessenen Strom. Der Punkt an dem Knick der Kurve ist im Hinblick auf die Verzerrung und den Wirkungsgrad nahezu optimal. Mehr Überlappung ergibt eine ein wenig bessere Leistung, aber einen geringeren Wirkungsgrad. Der Arbeitspunkt 502 kann nach der gewünschten Leistung gewählt werden. Die Strommessung kann durch Messen der Spannung an einem kleinen Widerstand oder unter Verwendung eines Stromwandlers durchgeführt werden. Der Wandler ist eine einfache Lösung, da es kein Gleichtaktmessproblem ist und der Stromimpuls bei einer hohen Frequenz auftritt.
  • 6 zeigt eine Variante des Strommessmodells. In einem Mehrkanalverstärker kann der Strommesser 601 von allen Kanälen gemeinsam genutzt werden, indem er in die gemeinsame Stromversorgung geschaltet wird (wobei z.B. der Strom in die Stromversorgung gemessen wird). Jeweils ein Kanal wird justiert. In jeder anderen Hinsicht ist der Betrieb identisch zu dem in 5 gezeigten.
  • Eine Spannungswellenform von dem Schaltblock 305 kann auch wie in 7a überwacht werden. 7b zeigt typische Wellenformen, wenn die Totzeit-/Überlappungssteuerung bzw. Regelung variiert wird. Die Wellenform 710 ergibt sich aus einer langen Totzeit, die Wellenform 711 ergibt sich aus einer kürzeren Totzeit, und die Wellenform 712 ergibt sich aus einer minimalen Überlappung. Die Wellenform kann von dem A-D-Wandler 701 digitalisiert werden, und die Änderungen in der Kurve und die Überschwingung können überwacht werden, um die gewünschte Steuerung bzw. Regelung auszuwählen.
  • 8a ist ein Blockdiagramm, das ein anderes Verfahren zur Messung einer Spannungsablesung an dem Schaltblock 305 darstellt, um die Totzeit/Überlappung zu überwachen. In diesem Fall wird von einem analogen Tiefpassfilter 801 ein durchschnittlicher Wert der Ausgangsspannung erzeugt. Der Analog-Digital-Wandler (ADC) 802 kann langsam sein und eine begrenzte Genauigkeit haben. Aus den Wellenformen von 7b ist zu erkennen, dass die durchschnittliche Spannung zunimmt, wenn die Totzeit zuerst verringert wird. Zum Beispiel ist der durchschnittliche Wert der Wellenform 711 niedriger als der der Wellenform 710. Wenn die Totzeit weiter verringert wird und etwas Überlappung erfahren wird, nimmt die durchschnittliche Spannung wieder zu. Diese durchschnittliche Spannung 803 kann als ein empfindliches Maß für den Schaltzeitsablauf verwendet werden. 8b zeigt eine typische durchschnittliche Spannung versus Schaltzeitablauf.
  • 9 zeigt eine erste Ausbildung des Steuer- bzw. Regelungsblocks 320. Ein Verzögerungselement 902, 903 ist zwischen die Pulsbreitenmodulationsschaltung 101 und jeden Treiber 302, 303 geschaltet. Die Anstiegs- und Abfallverzögerung jedes Elements kann von dem Steuer- bzw. Regelungsblock 901 separat gesteuert bzw. geregelt werden. Der Schaltkreis kann eine digitale Verzögerung oder eine analoge Verzögerung verwenden. Es ist in der Technik versierten Leuten wohlbekannt, wie ein derartiger Schaltkreis zu implementieren ist.
  • 10 ist ein Blockdiagramm, das einen Steuer- bzw. Regelungsblock 320 einer zweiten Ausbildung darstellt. In der zweiten Ausbildung wird der Treiberstrom in das Steuergatter 104 der Schaltvorrichtung gesteuert bzw. geregelt, indem der Zeitablauf des Gatters 302 oder 304 gesteuert bzw. geregelt wird. Das Gatter eines Leistungs-FET hat eine sehr erhebliche Kapazität, die häufig mehr als 100 nC Ladung speichert. Der Treiberstrom, der notwendig ist, um diese Gatterladung aufzuladen und zu entladen, ist erheblich, häufig höher als 1 Ampere. Der Zeitablauf kann variiert werden, indem der Lade- und Entladestrom für das Gatter variiert werden. In dem gezeigten Schaltbild wird dies unter Verwendung mehrerer Transistoren 1011 in der Treiberschaltung und unter Verwendung der Logik 1010 zum Steuern bzw. Regeln der Anzahl Verwendeter (Angeschalteter) mittels Steuer- bzw. Regelungssignalen 1001-1008 erreicht. Wenn als ein Beispiel vier abgestimmte Vorrichtungen 1011 verwendet werden, wird eine Vorrichtung etwa viermal so lang brauchen, um das Gatter aufzuladen, wie vier Vorrichtungen brauchen würden. Dieses variable Treiben kann auch verwendet werden, um die Ausgangsflankensteilheit zu steuern bzw. zu regeln, was eine weitere Steuerung bzw. Regelung ermöglicht. Die Treiberspannung 1012 ist typischerweise 12-15 Volt.
  • Während die beispielhaften bevorzugten Ausbildungen der vorliegenden Erfindung hier mit Sorgfalt beschrieben sind, werden Fachleute der Technik vielfältige andere Änderungen, Zusätze und Anwendungen als die speziell erwähnten zu schätzen wissen, welche innerhalb des Bereichs dieser Erfindung, wie in den Patentansprüchen definiert, liegen.

Claims (12)

  1. Vorrichtung zum adaptiven Verringern der Totzeit (Verzögerung zwischen dem Abschalten eines Schalters und dem Anschalten eines anderen) in einem Schaltkreis (305) mit einer Stromversorgung und zwei Ausgangsleistungsschaltern (104, 105), wobei die Vorrichtung umfasst: eine Überlappungserfassungsschaltung (310) zum Messen der Menge an Totzeit oder Überlappung zwischen den beiden Schaltern; eine Steuer- bzw. Regelschaltung (320) zum Variieren der Totzeit zwischen den zwei Leistungsschaltern; und eine Optimierungsschaltung (402, 404, 406, 408) zum Festlegen der Totzeit zwischen den zwei Schaltern auf eine vorgegebene optimale Zeitdauer (407) über die Steuer- bzw. Regelschaltung.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Überlappungserfassungsschaltung umfasst: einen mit einem der Schalter in Reihe geschalteten Strommesser (501) zum Messen des Stroms in diesem Schalter; und eine Einrichtung zum Berechnen der relativen Menge an Totzeit oder Überlappung, basierend auf dem gemessenen Strom.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Einrichtung zum Berechnen der Totzeit einen Knick (502) in dem Diagramm Strom versus Totzeit erfasst und wobei die Optimierungseinrichtung die Totzeit an diesem Knick festlegt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Überlappungserfassungsschaltung umfasst: einen mit einem Anschluss der Strom- bzw. Leistungsversorgung bzw. -zufuhr in Reihe geschalteten Strommesser (601) zum Messen des durch die Stromversorgung fließenden Stroms; und eine Einrichtung zum Berechnen der relativen Menge an Totzeit oder Überlappung, basierend auf dem gemessenen Strom.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Einrichtung zum Berechnen der Totzeit einen Knick (502) in einem Diagramm Strom versus Totzeit erfasst und wobei die Optimierungseinrichtung die Totzeit an diesem Knick festlegt bzw. einstellt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Stromversorgung (602) eine Vielzahl von Schaltkreisen (604, 606, 608) gemäß Anspruch 1 versorgt und wobei die Steuer- bzw. Regelschaltung für jeden Schalter die Menge an Totzeit in dem Schalter separat variiert.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Überlappungserfassungsschaltung umfasst: einen am Ausgang (701) des Schaltkreises geschalteten Spannungsmesser; und eine Einrichtung zum Berechnen der Menge an Totzeit oder Überlappung, basierend auf der gemessenen Spannung.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Einrichtung zum Berechnen der Totzeit das Diagramm (710, 711, 712) Spannung versus Zeitkurve für eine Mehrzahl von Totzeiten überwacht und basierend auf dem Diagramm die Totzeit auswählt.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, die vor dem Spannungsmesser ferner einen Tiefpassfilter (801) beinhaltet und wobei die Einrichtung zum Berechnen der Menge an Totzeit oder Überlappung die Totzeit oder Überlappung basierend auf der durchschnittlichen gemessenen Spannung (803) berechnet.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerschaltung zum Variieren der Totzeit zwischen den zwei Leistungsschaltern umfasst: eine Einrichtung (1010) zum Variieren der Strommenge in die bzw. den Schaltsteuerungen bzw. -regelungen.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuer- bzw. Regelschaltung zum Variieren der Totzeit zwischen den zwei Leistungsschaltern umfasst: ein vor einem der Schalter in Reihe geschaltetes variables Verzögerungselement bzw. Element für eine variable Verzögerung (902) zum Induzieren einer variablen Menge an Verzögerung; und eine Verzögerungssteuer- bzw. -regeleinrichtung (901) zum Variieren der Menge an durch das Verzögerungselement induzierter Verzögerung.
  12. Verfahren zum adaptiven Verringern der Totzeit (Verzögerung zwischen dem Abschalten eines Schalters und dem Anschalten eines anderen) in einem Schaltkreis mit einer Strom- bzw. Leistungsversorgung und zwei Ausgangsleistungsschaltern, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Messen (406) der Menge an Totzeit oder Überlappung zwischen den zwei Schaltern; Variieren (408) der Totzeit zwischen den zwei Schaltern; und Festlegen bzw. Einstellen der Totzeit zwischen den zwei Schaltern auf eine vorbestimmte optimale Zeitdauer (407).
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