DE60224896T2 - Schaltungen und Verfahren zum Synchronisieren von Schaltreglern mit nicht-konstanter Frequenz durch eine Phasenregelschleife - Google Patents

Schaltungen und Verfahren zum Synchronisieren von Schaltreglern mit nicht-konstanter Frequenz durch eine Phasenregelschleife Download PDF

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Schaltspannungsregler. Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Schaltungen und Verfahren zum Synchronisieren von Schaltreglern mit nicht-konstanter Frequenz durch eine Phasenregelschleife.
  • Spannungsregler sind eine wesentliche Komponente der meisten elektronischen Vorrichtungen, die bei einer spezifischen Gleichspannung (DC) betrieben werden. Typischerweise wird den elektronischen Vorrichtungen eine Quellenspannung zugeführt, die schwankt (z.B. eine Spannung, die durch eine mit einer Wandsteckdose verbundene Spannungsversorgung bereitgestellt wird), oder eine ungeeignete Amplitude hat (z.B. eine durch eine Batterie bereitgestellte Spannung). Ein Spannungsregler hat die Aufgabe, die Quellenspannung in eine für den Betrieb der elektronischen Vorrichtungen geeignete Gleichspannung umzuwandeln.
  • Ein Typ eines herkömmlich verwendeten Spannungsreglers ist ein Schaltspannungsregler. Schaltspannungsregler verwenden ein oder mehrere Schaltelemente und eine Spule, einen Transformator oder einen Kondensator als Energiespeicherelement zwischen der Quelle und einer Last. Die Schaltelemente können beispielsweise Leistungs-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor-(MOSFET) Schalter sein. Der Schaltregler regelt die Spannung über die Last durch Ändern der EIN-AUS-Zeiten der Schaltelemente derart, dass Leistung in der Form diskreter Stromimpulse durch die Schaltelemente und in das Energiespeicherelement übertragen wird. Die Stromimpulse können durch One-Shot-Timer oder eine andere Schaltung erzeugt werden. Das Energiespeicherelement wandelt dann diese Stromimpulse in einen konstanten Laststrom um, wodurch die Lastspannung geregelt wird.
  • Schaltregler weisen eine Steuerschaltung zum Steuern der EIN-AUS-Zeiten der Schaltelemente auf. Der Prozentanteil der Zeit, in dem ein Schaltelement eingeschaltet ist, wird als Tastgrad bezeichnet. Der Tastgrad kann auf drei Weisen geändert werden durch: (1) Konstanthalten der Frequenz der Impulse und Ändern der EIN- oder der AUS-Zeit jedes Impulses; (2) Konstanthalten der EIN- oder AUS-Zeit jedes Impulses und Ändern der Frequenz der Impulse; oder (3) Ändern sowohl der EIN- und AUS-Zeiten jedes Impulses als auch der Frequenz der Impulse (z.B. durch eine Hysteresemodussteuerung). Beispiele herkömmlicher Schaltregler mit konstanter Frequenz sind Schaltregler der Typen LT1307, LTC1625 und LT1074, entwickelt von Linear Technology Corporation, Milpitas, CA. Beispiele herkömmlicher Schaltregler mit nicht-konstanter Frequenz sind Schaltregler der Typen MAX1710 (konstante EIN-Zeit), entwickelt von Maxim Integrated Products, Inc., Sunnyvale, CA, CS5120 (konstante AUS-Zeit), entwickelt von ON Semiconductor, Phoenix, AZ, und LT1500, LTC1148 und LTC1778 von Linear Technology Corporation.
  • Schaltregler mit konstanter Frequenz sind im Allgemeinen im Vergleich zu Schaltreglern mit nicht-konstanter Frequenz bevorzugt, weil die Frequenz derart ausgewählt werden kann, dass rauschempfindliche Bereiche vermieden werden. Beispielsweise ist es, wenn Schaltregler in Kommunikationsgeräten, z.B. in drahtlosen Geräten, verwendet werden, vorteilhaft, die Schaltfrequenz von den Kommunikationsfrequenzen der Kommunikationsgeräte beabstandet zu halten. Durch einen Betrieb bei konstanter Frequenz wird außerdem ermöglicht, dass mehrere Spannungsumformer synchronisiert werden können, wenn es erforderlich wird, höhere Spannungspegel am Ausgang bereitzustellen.
  • Schaltregler mit konstanter Frequenz haben jedoch im Allgemeinen eine komplexere Konstruktion, ein langsameres Übergangsverhalten, und können nicht über einen so breiten Bereich von Tastgraden betrieben werden wie Schaltregler mit nicht-konstanter Frequenz. Schaltregler müssen bei niedrigen Tastgraden und über einen breiten Bereich von Ein- und Ausgangsspannungen effizient betreibbar sein, um die für moderne elektronische Geräte erforderlichen Spannungen bereitzustellen, die im Vergleich zu den Quellenspannungen sehr niedrig sein können. Mit heutigen Mikroprozessoren, für die ein schnelleres Übergangsverhalten und niedrigere Betriebsspannungen erforderlich sind als bei vorangehenden Generationen, muss jede Anstrengung unternommen werden, um das Übergangsverhalten von Schaltreglern zu verbessern und ihren Tastgradbereich zu vergrößern, während gleichzeitig Kostenziele erreicht werden.
  • Gegenwärtig stehen keine Schaltregler zur Verfügung, die gleichzeitig die Vorteile sowohl eines Betriebs bei einer konstanten Frequenz als auch eines Betriebs bei nicht-konstanter Frequenz bieten. Während Regler mit konstanter Frequenz häufig im Vergleich zu Reglern mit nicht-konstanter Frequenz im Betrieb ein schlechteres Übergangsverhalten und einen schlechteren Tastgradbereich aufweisen, sind Regler mit nicht-konstanter Frequenz möglicherweise nicht in der Lage, die empfindlichen Frequenzen der elektronischen Geräte zu vermeiden und hohe Spannungspegel am Ausgang bereitzustellen.
  • Gegenwärtige Regler mit nicht-konstanter Frequenz, wie beispielsweise Regler der Typen MAX1710 und LTC1778, sind dazu geeignet, unter Verwendung eines flexiblen One-Shot-Timers zum Steuern der EIN-Zeit eines der Schaltelemente einen Betrieb bei im Wesentlichen konstanter Frequenz zu erzielen. Der One-Shot-Timer ermöglicht einen Betrieb der Schaltregler bei sehr niedrigen Tastgraden und wandelt hohe Eingangsspannungen in niedrige Ausgangsspannungen um. Die Schaltfrequenz kann aufgrund von Effekten zweiter Ordnung im Schaltregler aber noch immer wesentlich schwanken.
  • Hinsichtlich des vorstehend beschriebenen Sachverhalts wäre es wünschenswert, Schaltungen und Verfahren bereitzustellen, durch die unter Verwendung von Spannungsreglern mit nicht-konstanter Frequenz ein Betrieb mit konstanter Frequenz erreicht wird.
  • Es wäre ferner wünschensert, Schaltungen und Verfahren zum Einstellen der Schaltfrequenz eines Schaltreglers mit nicht-konstanter Frequenz durch die ION- und VON-Eingangssignale eines zum Steuern des Tastgrades des Schaltreglers verwendeten One-Shot-Timers bereitzustellen.
  • Es wäre ferner wünschenswert, Schaltungen und Verfahren zum Synchronisieren mehrerer Schaltregler zum Bereitstellen hoher Spannungspegel am Ausgang bereitzustellen.
  • In der EP-A-0090237 ist eine Frequenzregelungsschaltung mit einer Regelschleife zum Einstellen des Stromsensor(Current-Sense)eingangs einer Strommodus-Hysteresereglerarchitektur beschrieben. Diese bekannte Schaltung verwendet weder eine Phasenregelschleife zum Einstellen eines Zeitsteuerungsparameters eines One-Shot-Timers noch eine Phasenregelschleife zum Einstellen eines einem One-Shot-Timer oder einem anderen Controller zugeführten Signals, das der Eingangsspannung Vin oder der Ausgangsspannung Vout des Reglers entspricht.
  • In der US-A-5929620 ist ein Regler mit konstanter Frequenz beschrieben, der einen Oszillator aufweist, der den Regler veranlasst, bei einer festen Frequenz zu arbeiten. Der spannungsgesteuerte Oszillator steuert die Frequenz.
  • In der US-A-4929882 ist ein Hysterese-Strommoduswandler mit Phasenregelschleife beschrieben.
  • Keines der vorstehend erwähnten US-Patente beschreibt die Verwendung einer Phasenregelschleife zum Einstellen eines Zeitsteuerungsparameters eines One-Shot-Timers oder eine Phasenregelschleife zum Einstellen eines einem One-Shot-Timer oder einem anderen Controller zugeführten Signals, das der Eingangsspannung Vin oder der Ausgangsspannung Vout des Reglers entspricht.
  • Hinsichtlich des vorstehend beschriebenen Sachverhalts ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Schaltungen und Verfahren bereitzustellen, durch die durch Schaltspannungsregler mit nicht-konstanter Frequenz ein Betrieb mit konstanter Frequenz erreicht wird.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Schaltungen und Verfahren zum Einstellen der Schaltfrequenz eines Schaltreglers mit nicht-konstanter Frequenz durch ION- und VON-Eingänge eines zum Steuern des Tastgrades des Schaltreglers verwendeten One-Shot-Timers bereitzustellen.
  • Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Schaltungen und Verfahren zum Synchronisieren mehrerer Schaltregler zum Bereitstellen hoher Spannungspegel am Ausgang bereitzustellen.
  • Diese Aufgaben werden durch die Merkmale der Patentansprüche gelöst.
  • Diese und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden durch Bereitstellen von Schaltungen und Verfahren zum Synchronisieren von Schaltreglern mit nicht-konstanter Frequenz gelöst. In einer bevorzugten Ausführungsform werden Schaltregler mit nicht-konstanter Frequenz durch eine Phasenregelschleife synchronisiert. Die Phasenregelschleife steuert den Tastgrad der Schalttransistoren im Schaltregler durch Einstellen der ION- und VON-Eingänge des im Schaltregler verwendeten One-Shot-Timers. Die erfindungegemäßen Schaltungen und Verfahren sind sowohl auf synchrone als auch auf nicht-synchrone Schaltregler anwendbar, die eine Strommodusregelung, eine Spannungsmodusregelung oder eine Kombination bzw. Hybridstruktur aus einer Strommodusregelung und einer Spannungsmodusregelung verwenden. Außerdem können die erfindungsgemäßen Schaltungen und Verfahren zum Synchronisieren verschiedenartiger Schaltregler, z.B. Boost (Step-up-), Buck-(Steg-Down-) oder Buck-Boost-Schaltregler, durch eine Regelung mit konstanter EIN-Zeit, konstanter AUS-Zeit oder einem Hysteresemodus verwendet werden.
  • Durch die vorliegende Erfindung wird vorteilhaft ermöglicht, dass ein Spannungsregler mit nicht-konstanter Frequenz durch eine Phasenregelschleife synchronisiert werden kann, um in einem stationären Zustand einen Betrieb bei konstanter Frequenz zu ermöglichen, während ein breiterer Tastgradbereich und ein schnelleres Übergangsverhalten erhalten werden als bei einem Schaltregler mit konstanter Frequenz.
  • Außerdem wird durch die vorliegende Erfindung ermöglicht, dass mehrere Regler synchronisiert und parallel betrieben werden können, um höhere Spannungspegel am Ausgang bereitzustellen.
  • Die vorstehende und andere Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verdeutlicht, in denen ähnliche Bezugszeichen ähnliche Teile und Komponenten bezeichnen; es zeigen:
  • 1 ein schematisches Diagramm eines herkömmlichen synchronen Step-Down-Schaltspannungsreglers mit nicht-konstanter Frequenz, in dem eine Strommodussteuerung verwendet wird;
  • 2 ein schematisches Diagramm eines in dem in 1 dargestellten synchronen Schaltspannungsregler zu verwendenden herkömmlichen One-Shot-Timers;
  • 3A ein schematisches Diagramm einer exemplarischen Ausführungsform des in 1 dargestellten synchronen Schaltspannungsreglers mit nicht-konstanter Frequenz, der gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien durch eine Phasenregelschleife synchronisiert wird;
  • 3B ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform des in 1 dargestellten synchronen Schaltspannungsreglers mit nicht-konstanter Frequenz, der gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien durch eine Phasenregelschleife synchronisiert wird; und
  • 4 ein schematisches Diagramm zweier in 1 dargestellter synchroner Schaltspannungsregler mit nicht-konstanter Frequenz, die gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien durch eine Phasenregelschleife synchronisiert werden.
  • Durch die vorliegende Erfindung werden Verfahren zum Synchronisieren von Schaltreglern mit nicht-konstanter Frequenz mit einer Phasenregelschleife bereitgestellt. Nachstehend wird zum Erläutern des Hintergrunds der vorliegenden Erfindung die Funktionsweise eines exemplarischen herkömmlichen sybchronen Schaltreglers mit nicht-konstanter Frequenz beschrieben. Anschließend werden Verfahren zum Synchronisieren derartiger herkömmlicher Regler durch eine Phasenregelschleife beschrieben.
  • Nachstehend wird unter Bezug auf 1 ein schematisches Diagramm eines exemplarischen synchronen Step-Down-Schaltspannungsreglers mit nicht-konstanter Frequenz beschrieben, in dem eine Strommodussteuerung verwendet wird. Der Schaltregler 10 wird typischerweise für eine DC-DC-Umformung einer ungeregelten Zufuhrspannung VIN, z.B. einer Batterie, in eine geregelte Ausgangsspannung VOUT zum Betrei ben einer Last RL verwendet. Obwohl RL einfach als Widerstand dargestellt ist, kann er beispielsweise ein tragbares Kommunikationsgerät oder ein Computer sein. Beispiele von synchronen Step-Down-Schaltreglern mit nicht-konstanter Frequenz, in denen ein One-Shot-Timer zum Steuern des Tastgrades der Schalttransistoren verwendet wird, sind Schaltregler der Typen LTC1778, LTC3711 und LTC3714, die von Linear Technology Corporation, Milpitas, Kalifornien verkauft werden, und MAX1710, die von Maxim Integrated Products, Inc., Sunnyvale, Kalifornien, verkauft werden. Die Schaltregler der Typen LTC 1778, LTC3711 und LTC3714 verwenden eine Strommodussteuerung, wohingegen der Schaltregler des Typs MAX1770 eine Kombination oder Hybridstruktur aus einer Strommodus- und einer Spannungsmodussteuerung verwendet.
  • Der Schaltregler 10 arbeitet folgendermaßen: zum Beginn eines Zyklus erzeugt ein One-Shot-Timer 11 einen Impuls, der einen Treiber 12 veranlasst, einen Hauptschalttransistor 13 einzuschalten, und einen Treiber 14 veranlasst, einen synchronen Schalttransistor 15 auszuschalten. Dies führt zu einer Spannung von etwa VIN-VOUT über eine Spule 16, wodurch veranlasst wird, dass der Strom in dieser Spule zunimmt. Wenn der One-Shot-Timer-Impuls endet, nimmt das Ausgangssignal des One-Shot-Timers 11 einen niedrigen Zustand an, wodurch veranlasst wird, dass der Treiber 12 den Hauptschalttransistor 12 ausschaltet, und veranlasst wird, dass der Treiber 14 den synchronen Schalttransistor 15 einschaltet. Infolgedessen wird eine Spannung -VOUT über die Spule 16 angelegt, wodurch veranlasst wird, dass der Strom in dieser Spule abnimmt.
  • Während der Spulenstrom durch den synchronen Schalter 15 fließt, erzeugt er eine Spannung, die dem Produkt aus dem Spulenstrom und dem EIN-Widerstand des Schalters 15 gleicht. Diese Spannung wird durch einen Stromsensor(Current- Sense)verstärker 17 erfasst und einem Stromvergleicher 18 zugeführt. Wenn die erfasste Spannung unter die Steuerspannung VC absinkt, nimmt das Ausgangssignal des Stromvergleichers 18 einen hohen Zustand an und verranlasst, dass der One-Shot-Timer 11 einen weiteren Impuls erzeugt, wodurch der Zyklus wiederholt wird. Während der Zeitdauer, in der der synchrone Schalter 15 ausgeschaltet ist, deaktiviert eine Austastschaltung 19 das Ausgangssignal des Stromvergleichers 18. Die Frequenz, bei der der One-Shot-Timer 11 arbeitet, wird als Schaltfrequenz bezeichnet. Die Spule 16 und ein Kondensator 24 bilden ein Tiefpassfilter zum Entfernen unerwünschter Harmonischer der Schaltfrequenz von der Ausgangsspannung VOUT.
  • Die Steuerspannung VC bestimmt die Spulenspannung durch die Strommodusschleife, die den Stromsensorverstärker 17, den Stromvergleicher 18, den One-Shot-Timer 11 und die Treiber 12 und 14 mit den Schaltern 13 und 15 aufweist. Die Steuerspannung wird durch die Spannungsfehlerschleife bestimmt, die aus einem Widerstandsteiler 20, einem Fehlerverstärker 21, Komponsationskomponenten 22 und dem Stromvergleicher 18 besteht. Bei einer derartigen Strommodussteuerung entspricht die Steuerspannung VC dem Spulenstromtal. Wenn VOUT abnimmt, wird durch den erhaltenen Spannungabfall am Eingang des Fehlerverstärkers 21 eine Zunahme der Steuerspannung VC verursacht, die über die Kompensationskomponenten 22 auftritt. Dies führt zu einer Zunahme des mittleren Spulenstroms, wodurch veranlasst wird, dass VOUT zunimmt, bis das negative Eingangssignal des Fehlerverstärkers 21 mit einem Referenzsignal übereinstimmt. Wenn dagegen VOUT zunimmt, nimmt die Steuerspannung VC vorübergehend ab, wodurch VOUT abnimmt, bis das negative Eingangssignal des Fehlerverstärkers 21 wieder mit dem Referenzsignal übereinstimmt. Auf diese Weise wird die Steuerspannung VC kontinuierlich eingestellt, so dass die Ausgangsspannung konstant gehalten wird.
  • Durch die Verwendung des One-Shot-Timers 11 wird ermöglicht, dass der Schaltregler 10 den Hauptschalter 13 für eine sehr kurze Zeitdauer einschalten kann. Durch kurze und konstante Einschaltdauern kann der Schaltregler 10 bei sehr kleinen Tastgraden betrieben werden und hohe Eingangsspannungen in niedrige Ausgangsspannungen umwandeln. Für eine konstante EIN-Zeit ist es jedoch erforderlich, dass die AUS-Zeit sich mit Änderungen der Ein- und Ausgangsspannungen sowie des Laststroms ändert. Infolgedessen wird sich auch die Schaltfrequenz ändern.
  • Um diese Änderung zu minimieren, akzeptiert der One-Shot-Timer 11 VIN und VOUT als Eingangssignal, um einen EIN-Zeit-Impuls zu erzeugen, der proportional zu VOUT und umgekehrt proportional zu VIN ist. Dadurch wird die Schaltfrequenz im Wesentlichen konstant gehalten, weil die EIN-Zeit sich geeignet ändert, wenn VIN und VOUT sich ändern. Durch verschiedenartige Effekte zweiter Ordnung, wie beispielsweise durch parasitäre Widerstände und Schaltverluste, kann jedoch veranlasst werden, dass die erforderliche EIN-Zeit bei einer bestimmten Frequenz von der durch den One-Shot-Timer 11 vorgegebenen EIN-Zeit abweicht. Dadurch kann die Schaltfrequenz weiterhin wesentlich schwanken.
  • Nachstehend wird unter Bezug auf 2 ein schematisches Diagramm eines exemplarischen herkömmlichen One-Shot-Timers beschrieben, der dazu vorgesehen ist. in dem in 1 dargestellten synchronen Schaltspannungsregler verwendet zu werden. Die Eingangsspannung VIN des synchronen Schaltspannungsreglers 10 von 1 ist mit dem ION-Eingang des One-Shot-Timers 11 verbunden, während die Ausgangsspannung VOUT des Reglers 10 von 1 mit dem VON-Eingang verbunden ist. Außer den Eingängen ION und VON weist der One-Shot-Timer 11 einen Eingang IN und einen Ausgang OUT auf.
  • Der One-Shot-Timer 11 arbeitet folgendermaßen. Zunächst erscheint die Eingangsspannung VIN minus 0,7 V vom Transistor 26 über einen Zeitgeberwiderstand 25 (RON). Dann wird der durch den Widerstand RON fließende Strom ION über Stromspiegel 26-27 und 28 zum Zeitgeberkondensator 29 übertragen. Während das Eingangssignal IN des One-Shot-Timers 11 einen niedrigen Zustand aufweist, fließt der Strom ION durch einen Rücksetzschalter 32, wodurch veranlasst wird, dass der Vergleicher 31 ein Ausgangssignal mit einem niedrigen Zustand erzeugt.
  • Wenn das Eingangssignal IN des One-Shot-Timers 11 auf einen hohen Zustand schaltet, wird ein Signalspeicher 33 gesetzt, und sein Ausgangssignal schaltet auf einen hohen Zustand. Dadurch wird der Schalter 32 ausgeschaltet, wodurch das Ausgangssignal OUT auf einen hohen Zustand schaltet. Weil der Schalter 32 ausgeschaltet ist, wird der Zeitgeberkondensator 29 durch den gespiegelten Strom vom Eingangssignal ION aufgeladen. Wenn die Spannung VRAMP über den Zeitgeberkondensator 29 die Ausgangsspannung VOUT erreicht, schaltet das Ausgangssignal des Vergleichers 31 auf einen hohen Zustand, wodurch der Signalspeicher 33 zurückgesetzt wird. Infolgedessen erzeugt der One-Shot-Timer 11 einen Ausgangsimpuls, der VOUT proportional und VIN im Wesentlichen umgekehrt proportional ist.
  • Nachstehend wird unter Bezug auf 3A ein schematisches Diagramm einer exemplarischen Ausführungsform des in 1 dargestellten synchronen Schaltpannungsreglers mit nicht-konstanter Frequenz beschrieben, der gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien durch eine Phasenregelschleife synchronisiert ist. In dieser Schaltung wird der Schaltspannungsregler 10 von 1 durch eine Phasenregelschleife 34 synchronisiert, um die Ein-Zeit des One-Shot-Timers 11 derart zu steuern, dass die Schaltfrequenz mit einem Referenztakt synchronisiert ist. Dadurch wird in einem Dauerzustand eine konstante Schaltfrequenz erhalten.
  • Die Phasenregelschleife 34 weist ein UND-Gatter 37 und Daten-Flipflops 35 und 36 auf. Wenn beide Flipflopausgangssignale den Wert null haben, wird das Flipflop 36 durch eine Anstiegsflanke eines Taktsignals CLOCK gesetzt, und das Flipflop 35 wird durch eine nachfolgende Anstiegsflanke eines Ausgangssignals OUT des One-Shot-Timers 11 gesetzt. Wenn beide Flipflops gesetzt sind, veranlasst das UND-Gatter 37, dass beide Flipflops 35 und 36 zurückgesetzt werden. Das Ausgangssignal des Flipflops 36 ist eine Rechteckwelle mit einer der Anstiegsflanke des Taktsignals CLOCK entsprechenden Anstiegsflanke und einer der Anstiegsflanke des Ausgangssignals OUT des One-Shot-Timers 11 entsprechenden Abfallflanke. Durch ein Schleifenfilter mit Widerständen 38 und 39 und einem Kondensator 40 wird am Ausgang des Flipflops 36 ein mittlerer Gleichspannungswert bereitgestellt.
  • Die EIN-Zeit des One-Shot-Timers 11 wird folgendermaßen gesteuert. Wenn der Tastgrad des Flipflops 36 kleiner ist als 50%, ist der durch das Flipflop 36 bereitgestellte mittlere Gleichspannungswert kleiner als Vcc/2, wodurch veranlasst wird, dass ein Verstärker 41 das Eingangssignal VON des One-Shot-Timers 11 erhöht. Die EIN-Zeit des Schaltreglers 10 wird wie vorstehend in Verbindung mit 2 beschrieben erhöht. Durch eine längere EIN-Zeit wird die Phasenverzögerung zwischen dem Taktsignal CLOCK und dem Ausgangssignal OUT des One-Shot-Timers 11 sowie der Tastgrad des Flipflops 36 erhöht. Analog wird, wenn der Tastgrad des Flipflops 36 größer ist als 50%, das Ausgangssignal des Verstärkers 41 vermindert. Dadurch nimmt die EIN-Zeit des Schaltreglers 10 ab. Die Phasenverzögerung zwischen dem Referenztakt und dem Aus gangssignal OUT des One-Shot-Timers 11 nimmt ebenfalls ab. Die Phasenregelschleife 34 stellt daher die EIN-Zeit des One-Shot-Timers 11 kontinuierlich ein, um den Tastgrad des Flipflops 36 bei 50% zu halten. Dadurch wird der Schaltregler 10 mit einer Phasenverzögerung von 180° bei der Frequenz des Taktsignals CLOCK gehalten.
  • Nachstehend wird unter Bezug auf 3B ein schematisches Diagramm einer alternativen Ausführungsform des in 1 dargestellten synchronen Schaltspannungsreglers mit nicht-konstanter Frequenz beschrieben, der gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien durch eine Phasenregelschleife synchronisiert ist. In der Schaltung von 3B steuert die Phasenregelschleife 34 anstatt des Eingangssignals VON in der Schaltung von 3A das Eingangssignal ION des One-Shot-Timers 11. Die Polarität der Eingangssignale des Verstärkers 41 sind ebenfalls umgekehrt. Dadurch nimmt, wenn der Tastgrad des Flipflops 36 kleiner ist als 50%, das Ausgangssignal des Verstärkers 41 ab, wodurch eine entsprechende Abnahme der Spannung des Eingangssignals ION des One-Shot-Timers 11 verursacht wird. Dadurch nimmt die EIN-Zeit des Schaltreglers 10 zu. Infolgedessen wird der Schaltregler 10 mit einer Phasenverzögerung von 180° bei der Frequenz des Taktsignals CLOCK gehalten.
  • Obwohl die Phasenregelschleife 34 zum Synchronisieren des Schaltreglers 10 von 1 verwendet wird, ist für Fachleute ersichtlich, dass die Phasenregelschleife 34 auch zum Synchronisieren andersartiger Schaltreglerschaltungen mit nicht-konstanter Frequenz verwendet werden kann, wie beispielsweise synchroner und nicht-synchroner Regler, z.B. Boost-(Steg-Up-), Buck-(Steg-Down-) oder Buck-Boost-Schaltregler mit konstanter EIN-Zeit oder konstanter AUS-Zeit und unter Verwendung beliebiger anderer Steuerungstechniken. Diese Steuerungstechniken sind beispielsweise eine Strommodussteuerung mit anderen Stromsensorelementen, z.B. einem Sensorwiderstand oder einem Stromsensortransformator an verschiedenen Stellen, eine Spannungsmodussteuerung sowie Hybridsteuerungstechniken unter Verwendung beispielsweise einer Erfassung auf der Basis einer Ausgangskondensatorspannungsänderung. Beispiele von Schaltreglern, in denen Hybridsteuerungstechniken verwendet werden, sind Schaltregler des Typs MAX1710, der von Maxim Integrated Products, Inc., Sunnyvale, Kalifornien, verkauft werden, und des Typs CS5120, der von ON Semiconductor, Phoenix, AZ, verkauft wird.
  • Nachstehend wird unter Bezug auf 4 ein schematisches Diagramm zweier in 1 dargestellter Schaltspannungsregler mit nicht-konstanter Frequenz beschrieben, die gemäß den erfindungsgemäßen Prinzipien durch eine Phasenregelschleife synchronisiert sind. Die Schaltspannungsregler 10A und 10B arbeiten unabhängig und sind parallel geschaltet und teilen einen gemeinsamen Eingangskondensator 23, einen gemeinsamen Ausgangskondensator 42 und eine durch ein Rückkopplungsnetzwerk 43, einen Fehlerverstärker 44 und ein Kompensationsnetzwerk 45 gesetzte gemeinsame Stromsteuerungsspannung Vc. Das Ausgangssignal OUT eines One-Shot-Timers 11B des Schaltreglers 10B bildet das der Phasenregelschleife 46 zugeführte Taktsignal CLOCK. Die Phasenregelschleife 46 steuert die EIN-Zeit des Schaltreglers 10A auf die gleiche Weise wie vorstehend unter Bezug auf 3A beschrieben wurde. Weil das Takteingangssignal des Flipflops 36 nun vom Schaltregler 10B zugeführt wird, arbeiten der Schaltregler 10A und der Schaltregler 10B mit einer Phasenverzögerung von 180° bei der gleichen konstanten Schaltfrequenz. Im Dauerzustand bildet das System einen Zweiphasen-Schaltspannungsregler mit verminderten Ein- und Ausgangswelligkeitsströmen sowie mit einer im Vergleich zu einem einzelnen Schaltspan nungsregler kleineren Spulengröße und einer geringeren Kapazität.
  • Außerdem ist für Fachleute ersichtlich, dass die Phasenregelschleife 46 auch zum Synchronisieren andersartiger Schaltreglerschaltungen mit nicht-konstanter Frequenz verwendet werden kann, wie beispielsweise synchrone und nicht-synchrone Regler, z.B. Boost-(Steg-Up-), Buck-(Steg-Down-) oder Buck-Boost-Schaltregler mit konstanter EIN-Zeit oder konstanter AUS-Zeit, oder mit einer Hysteresesteuerung und unter Verwendung einer beliebigen von vielen anderen Steuerungstechniken. Diese Steuerungstechniken sind beispielsweise eine Strommodussteuerung mit anderen Stromsensorelementen, z.B. mit einem Sensorwiderstand oder einem Stromsensortransformator an verschiedenen Stellen, eine Spannungsmodussteuerung sowie Hybridsteuerungstechniken mit einer Erfassung beispielsweise auf der Basis einer Ausgangskondensatorspannungsänderung.
  • Außerdem ist für Fachleute ersichtlich, dass die Phasenregelschleife 46 zum Synchronisieren mehrerer Schaltreglerschaltungen verwendet werden kann, um mehrere Spannungsumformer mit zwei oder mehr Phasen, mehreren Eingängen und einem einzelnen Ausgang bzw. mehreren Ausgängen und einem einzelnen Eingang zu bilden.
  • Obwohl vorstehend spezifische Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ausführlich beschrieben worden sind, dient diese Beschreibung lediglich zur Erläuterung. Spezifische Merkmale der Erfindungen sind zur Vereinfachung in einigen Zeichnungen dargestellt, während sie in anderen nicht dargestellt sind, und jedes Merkmal ist erfindungsgemäß mit anderen Merkmalen kombinierbar. Schritte der vorstehend beschriebenen Verfahren können umgeordnet oder kombiniert werden, und es können andere Schritte hinzugefügt werden. Für Fachleute ist ersichtlich, dass innerhalb des durch die bei gefügten Patentansprüche definierten Schutzumfangs der vorliegenden Erfindung weitere Änderungen und Modifikationen vorgenommen werden können.

Claims (45)

  1. Verfahren zum Synchronisieren eines Schaltreglers (10) mit nicht-konstanter Frequenz, der eine geregelte Spannung an einem Ausgangsanschluss bereitstellt, wobei eine Phasenregelschleife (34) die Schaltfrequenz des Reglers basierend auf einem Referenztakt einstellt, wobei das Verfahren ferner gekennzeichnet ist durch die Schritte: Steuern des Tastgrades des Reglers durch Impulse von einem Controller (11), der dazu geeignet ist, ein erstes Eingangssignal zum Erzeugen eines Impulses und ein oder mehrere zweite Eingangssignale zum Einstellen der Impulszeit zu empfangen, wobei der Controller einen Impuls erzeugt, der dem einen oder mindestens einem der mehreren zweiten Eingangssignale proportional, umgekehrt proportional oder im Wesentlichen umgekehrt proportional ist; und Einstellen der Impulszeit durch Einstellen des einen zweiten Eingangssignals oder des einen der mehreren zweiten Eingangssignale des Controllers durch die Phasenregelschleife (34), die eine Flanke des Impulses mit dem Referenztakt vergleicht, um zu veranlassen, dass die Schaltfrequenz des Reglers mit dem Referenztakt synchronisiert wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Controller dazu geeignet ist, zwei zweite Eingangssignale zum Einstellen der Impulszeit zu empfangen, die Phasenregelschlei fe eines der beiden zweiten Eingangssignale einstellt und das andere der beiden zweiten Eingangssignale ein einer Quellenspannung an einem Eingangsanschluss des Reglers entsprechendes Signal ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Controller dazu geeignet ist, zwei zweite Eingangssignale zum Einstellen der Impulszeit zu empfangen, die Phasenregelschleife eines der beiden zweiten Eingangssignale einstellt und das andere der beiden zweiten Eingangssignale ein der Ausgangsspannung des Reglers entsprechendes Signal ist.
  4. Schaltung zum Einstellen der Schaltfrequenz eines Schaltreglers (10) mit nicht-konstanter Frequenz, wobei der Regler eine Phasenregelschleife (34) aufweist, die die Schaltfrequenz des Reglers basierend auf einem Referenztakt einstellt, wobei die Schaltung ferner gekennzeichnet ist durch: einen Controller (11), der dazu geeignet ist, ein erstes Eingangssignal zu empfangen, wobei der Controller in Antwort auf das erste Eingangssignal einen Impuls zum Steuern des Tastgrades des Reglers erzeugt, und wobei der Controller außerdem dazu geeignet ist, ein oder mehrere zweite Eingangssignale zu empfangen, um einen Impuls zu erzeugen, der dem einen oder mindestens einem der mehreren zweiten Eingangssignale proportional, umgekehrt proportional oder im Wesentlichen umgekehrt proportional ist; und wobei die Phasenregelschleife (34) mit dem einen oder einem der mehreren zweiten Eingangssignale des Controllers und mit dem Ausgangssignal des Controllers verbunden ist, um die Frequenz des Controllers durch Einstellen der Impulszeit durch Einstellen des einen Eingangssignals oder des einen der mehreren zweiten Eingangssignale des Controllers mit einer Frequenz des Referenztakts zu synchronisieren.
  5. Schaltung nach Anspruch 4, wobei die Phasenregelschleife aufweist: ein durch eine Anstiegsflanke getriggertes erstes Datenflipflop (35); ein durch eine Anstiegsflanke getriggertes zweites Datenflipflop (36); ein zwischen dem ersten und dem zweiten Flipflop geschaltetes UND-Gatter (37); einen zwischen dem zweiten Flipflop und dem Controller geschalteten Verstärker (41); und ein Schleifenfilter (38, 39, 40) zum Extrahieren des Gleichspannungs-Mittelwertes vom zweiten Flipflop.
  6. Schaltung nach Anspruch 5, wobei das zweite Flipflop (36) einen mit dem Referenztakt verbundenen Takteingang aufweist.
  7. Schaltung nach einem der Ansprüche 5 bis 6, wobei das erste Flipflop (35) einen mit dem Ausgang des Controllers verbundenen Takteingang aufweist.
  8. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Schaltregler einen synchronen Schaltregler aufweist.
  9. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Schaltregler einen nicht-synchronen Schaltregler aufweist.
  10. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Schaltregler einen Schaltregler mit konstanter EIN-Zeit aufweist, und wobei die EIN-Zeit durch die Phasenregelschleife eingestellt wird.
  11. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Schaltregler ein Schaltregler mit konstanter AUS-Zeit ist, und wobei die AUS-Zeit durch die Phasenregelschleife eingestellt wird.
  12. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Schaltregler einen Step-Down-Schaltregler aufweist.
  13. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Schaltregler einen Step-Up-Schaltregler aufweist.
  14. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Schaltregler einen Buck-Boost-Schaltregler aufweist.
  15. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Tastgrad des Schaltreglers unter Verwendung einer Strommodussteuerung gesteuert wird.
  16. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Tastgrad des Schaltreglers unter Verwendung einer Spannungsmodussteuerung gesteuert wird.
  17. Verfahren oder Schaltung nach Anspruch 16, wobei der Schaltregler einen Hysterese-Schaltregler aufweist und die Hysterese durch die Phasenregelschleife eingestellt wird.
  18. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Tastgrad des Schaltreglers unter Verwendung einer Kombination aus einer Strommodussteuerung und einer Spannungsmodussteuerung gesteuert wird.
  19. Verfahren zum Synchronisieren mehrerer Schaltregler (10A, 10B) mit nicht-konstanter Frequenz, wobei eine Phasenregelschleife (46) die Schaltfrequenz mindestens eines der Regler basierend auf einem Referenztakt einstellt, gekennzeichnet durch die Schritte: Steuern des Tastgrads eines ersten der mehreren Regler (10A) durch einen Controller (11A), der dazu geeignet ist, ein erstes Eingangssignal zum Aktivieren eines Impulses und ein oder mehrere zweite Eingangssignale zum Einstellen der Impulszeit zu empfangen, wobei der Controller einen Impuls erzeugt, der dem einen oder mindestens einem der mehreren zweiten Eingangssignale proportional oder umgekehrt proportional oder im Wesentlichen umgekehrt proportional ist; und Einstellen der Impulszeit durch Einstellen des einen Eingangssignals oder eines der mehreren zweiten Eingangssignale des Controllers durch die Phasenregelschleife (46), die eine Flanke des Impulses mit dem durch einen zweiten der mehreren Regler (10B) bereitgestellten Referenztakt vergleicht, um zu veranlassen, dass die Schaltfrequenzen des ersten und des zweiten Reglers gleich sind.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der Tastgrad jedes der mehreren Regler durch einen Controller (11A, 11B) gesteuert wird, der dazu geeignet ist, zwei zweite Eingangssignale zu empfangen, wobei jeder Controller einen Impuls erzeugt, der einem der beiden zweiten Eingangssignale proportional und dem anderen der beiden zweiten Eingangssignale umgekehrt proportional ist, und dadurch, dass die Controller eines der beiden zweiten Eingangssignale gemeinsam verwenden.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, ferner dadurch gekennzeichnet, dass das eine gemeinsam verwendete der zweiten Eingangssignale ein Signal ist, das einer einem gemeinsamen Eingangsanschluss des ersten und des zweiten Reglers zugeführten Quellenspannung entspricht.
  22. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 21, ferner dadurch gekennzeichnet, dass ein einer gemeinsam verwendeten Ausgangsspannung des ersten und des zweiten Reglers entsprechendes Signal dem Controller des zweiten Reglers als Eingangssignal zugeführt wird.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei der erste und der zweite Regler mit einer Phasenverzögerung von 180° bei der gleichen konstanten Schaltfrequenz arbeiten.
  24. Schaltung zum Synchronisieren mehrerer Schaltregler (10A, 10B) mit nicht-konstanter Frequenz, wobei eine Phasenregelschleife (46) die Schaltfrequenz mindestens eines der Regler basierend auf einem Referenztakt einstellt, gekennzeichnet durch: einen ersten Controller (11A), der dazu geeignet ist, ein erstes Eingangssignal zu empfangen, wobei der erste Controller in Antwort auf das erste Eingangssignal einen Impuls zum Steuern des Tastgrades eines entsprechenden ersten Reglers (10A) erzeugt, wobei der erste Controller außerdem dazu geeignet ist, ein oder mehrere zweite Eingangssignale des ersten Controllers zu empfangen, um einen Impuls zu erzeugen, der dem einen zweiten Eingangssignal oder mindestens einem der zweiten Eingangssignale des ersten Controllers proportional oder umgekehrt proportional oder im Wesentlichen umgekehrt proportional ist; einen zweiten Controller (11B), der dazu geeignet ist, ein erstes Eingangssignal zu empfangen, wobei der zweite Controller in Antwort auf das erste Eingangssignal einen Impuls zum Steuern des Tastgrades eines entsprechenden zweiten Reglers (10B) erzeugt, wobei der zweite Controller außerdem dazu geeignet ist, ein oder mehrere zweite Eingangssignale des zweiten Controllers zu empfangen, um einen Impuls zu erzeugen, der dem einen zweiten Eingangssignal oder mindestens einem der zweiten Eingangssignale des zweiten Controllers proportional oder umgekehrt proportional oder im Wesentlichen umgekehrt proportional ist; und eine Phasenregelschleife (46), die mit dem einen zweiten Eingangssignal oder einem der mehreren zweiten Eingangssignale des ersten Controllers und mit den Ausgangssignalen des ersten und des zweiten Controllers verbunden ist, um die Frequenz des ersten Controllers durch Einstellen der Impulszeit durch Einstellen des einen zweiten Eingangssignals oder des einen der mehreren zweiten Eingangssignale des ersten Controllers mit einer Frequenz des durch den zweiten Controller bereitgestellten Referenztakts zu synchronisieren.
  25. Schaltung nach Anspruch 24, wobei die Phasenregelschleife aufweist: ein durch eine Anstiegsflanke getriggertes erstes Datenflipflop (35); ein durch eine Anstiegsflanke getriggertes zweites Datenflipflop (36); ein zwischen dem ersten und dem zweiten Flipflop geschaltetes UND-Gatter (37); einen zwischen dem zweiten Flipflop und dem Controller des ersten Schaltreglers geschalteten Verstärker (41); und ein Schleifenfilter (38, 39, 40) zum Extrahieren des Gleichspannungs-Mittelwertes vom zweiten Flipflop.
  26. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 25, wobei die mehreren Schaltregler synchrone und nicht-synchrone Schaltregler aufweisen.
  27. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 26, wobei die mehreren Schaltregler einen oder mehrere Schaltregler mit konstanter EIN-Zeit aufweisen, und wobei die EIN-Zeit durch die Phasenregelschleife eingestellt wird.
  28. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 27, wobei die mehreren Schaltregler einen oder mehrere Schaltregler mit konstanter AUS-Zeit aufweisen, und wobei die AUS-Zeit durch die Phasenregelschleife eingestellt wird.
  29. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 28, wobei die mehreren Schaltregler einen oder mehrere Step-Down-Schaltregler aufweisen.
  30. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 29, wobei die mehreren Schaltregler einen oder mehrere Step-Up-Schaltregler aufweisen.
  31. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 30, wobei die mehreren Schaltregler einen oder mehrere Buck-Boost-Schaltregler aufweisen.
  32. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 31, wobei der Tastgrad jedes Schaltreglers der mehreren Schaltregler unter Verwendung einer Strommodussteuerung gesteuert wird.
  33. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 21 bis 31, wobei der Tastgrad jedes Schaltreglers der mehreren Schaltregler unter Verwendung einer Spannungsmodussteuerung gesteuert wird.
  34. Verfahren oder Schaltung nach Anspruch 33, wobei die mehreren Schaltregler einen oder mehrere Hysterese-Schaltregler aufweisen und die Hysterese durch die Phasenregelschleife eingestellt wird.
  35. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 21 bis 31, wobei der Tastgrad jedes Schaltreglers der mehreren Schaltregler unter Verwendung einer Kombination aus einer Strommodussteuerung und einer Spannungsmodussteuerung gesteuert wird.
  36. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 25 bis 35, wobei das erste Flipflop einen mit dem Ausgang des Controllers des ersten Schaltreglers verbundenen Takteingang aufweist.
  37. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 25 bis 36, wobei das zweite Flipflop einen mit dem Ausgang des Controllers des zweiten Schaltreglers verbundenen Takteingang aufweist.
  38. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 24 bis 37, ferner dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Controller ein Eingangssignal gemeinsam verwenden, und dadurch, dass das gemeinsam verwendete Eingangssignal ein Signal ist, das einer einem gemeinsamen Eingangsanschluss des ersten und des zweiten Reglers zugeführten Quellenspannung entspricht.
  39. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 24 bis 38, ferner dadurch gekennzeichnet, dass ein einer gemeinsam verwendeten Ausgangsspannung des ersten und des zweiten Reglers entsprechendes Signal dem Controller des zweiten Reglers als Eingangssignal zugeführt wird.
  40. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 24 bis 39, wobei der erste und der zweite Regler mit einer Phasenverzögerung von 180° bei der gleichen konstanten Schaltfrequenz arbeiten.
  41. Verfahren oder Schaltung nach einem der Ansprüche 19 bis 40, wobei der erste und der zweite Regler parallel geschaltet sind und den gleichen Eingangs- und Ausgangskondensator gemeinsam verwenden.
  42. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Controller dazu geeignet ist, zwei zweite Eingangssignale zum Einstellen der Impulszeit zu empfangen, und wobei der Controller einen Impuls erzeugt, der einem der beiden zweiten Eingangssignale proportional und dem anderen der beiden Eingangssignale umgekehrt proportional ist.
  43. Verfahren nach Anspruch 4, wobei der Controller dazu geeignet ist, zwei zweite Eingangssignale zu empfangen, um einen Impuls zu erzeugen, der einem der beiden zweiten Eingangssignale proportional und dem anderen der beiden zweiten Eingangssignale umgekehrt proportional ist.
  44. Schaltung nach Anspruch 24, wobei der erste Controller dazu geeignet ist, zwei zweite Eingangssignale zu empfangen, um einen Impuls zu erzeugen, der einem der beiden zweiten Eingangssignale des ersten Controllers proportional und dem anderen der beiden zweiten Eingangssignale des ersten Controllers umgekehrt proportional ist.
  45. Schaltung nach Anspruch 24, wobei der zweite Controller dazu geeignet ist, zwei zweite Eingangssignale zu empfangen, um einen Impuls zu erzeugen, der einem der beiden zweiten Eingangssignale des zweiten Controllers proportional und dem anderen der beiden zweiten Eingangssignale des zweiten Controllers umgekehrt proportional ist.
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