-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Ansteuerschaltung für zwei Schaltwandlerstufen
eines Spannungswandlers.
-
Zur
Spannungsversorgung von Lasten mit einer vorgegebenen Spannung werden
in hinlänglich bekannter
Weise Schaltwandler unterschiedlicher Topologien eingesetzt. Um
einen hohen Ausgangsstrom bei einer vergleichsweise geringen Ausgangsspannung
zu Verfügung
zu stellen, wie dies beispielsweise bei der Versorgung von Mikroprozessoren
in Computern erforderlich ist, ist es bekannt, mehrere Schaltwandler
parallel zu schalten. Spannungswandler mit mehreren parallel geschalteten
Schaltwandlerstufen sind beispielsweise in den Veröffentlichungen
GB 2 012 501 A oder
EP 1 079 508 A2 beschrieben.
Derartige Spannungswandler mit mehreren Wandlerstufen werden als
Mehrphasenwandler (multi phase converters) bezeichnet.
-
1 zeigt ein Schaltbild eines
zwei parallel geschaltete Schaltwandlerstufen 10, 20 aufweisenden
Spannungswandlers. Die beiden Wandlerstufen sind in dem Beispiel
als Tiefsetzsteller ausgebildet, die jeweils Eingangsklemmen 11, 12, 21, 22 zum
Anlegen einer Eingangsspannung Vin und Ausgangsklemmen 13, 14, 23, 24 zum
Bereitstellen einer geregelten Ausgangsspannung Vout für eine Last
Z (gestrichelt dargestellt) aufweisen. Die beiden Wandlerstufen 10, 20 sind
parallel geschaltet, indem erste Ausgangsklemmen 13, 23 jeweils
leitend miteinander verbunden sind und indem zweite Ausgangsklemmen 14, 24,
die in dem Beispiel auf einem Bezugspotential GND liegen, jeweils
leitend miteinander verbunden sind.
-
Die
beiden Wandlerstufen weisen jeweils ein LC-Glied mit einer Induktivität 16, 26 und
einer Kapazität 17, 27 und
einen ersten Schalter 15, 25 zum getakteten Anlegen
der Eingangs spannung Vin an das LC-Glied auf. Die gemeinsame Ausgangsspannung Vout
der Wandlerstufen 10, 20 liegt dabei über den Kapazitäten 17, 27 an.
Die Wandlerstufen weisen jeweils einen zweiten Schalter 18, 28 auf,
der über
einen Inverter 19, 29 komplementär zu dem
jeweiligen ersten Schalter 15, 25 angesteuert
ist und der als Freilaufelement für die Induktivität 16, 26 bei
geöffnetem
ersten Schalter 15, 25 dient.
-
Die
Schalter 15, 25 der beiden Wandlerstufen sind
durch jeweils ein pulsweitenmoduliertes Ansteuersignal PWM1', PWM2' angesteuert. Die
Leistungsaufnahme der einzelnen Wandlerstufen 10, 20 ist
dabei abhängig
vom Duty-Cycle des jeweiligen pulsweitenmodulierten Ansteuersignals
PWM1', PWM2'. Dieser Duty-Cycle
ist Bezug nehmend auf 2 bestimmt
durch den Quotienten zwischen einer Einschaltdauer Ton1, Ton2 des
jeweiligen Signals PWM1',
PWM2' und dessen
Periodendauer Tp1, Tp2.
-
Zur
Bereitstellung eines die Leistungsaufnahme regelnden pulsweitenmodulierten
Ansteuersignals in einem Schaltwandler ist es aus Tarter: "Solid-State Power
Conversion Handbook",
John Wiley & Sons,
1993, ISBN 0-471-57243-8, Seite 362, grundsätzlich bekannt, ein von der
Ausgangspannung abhängiges
Regelsignal bzw. Rückkopplungssignal
mit einem Sägezahnsignal
zu vergleichen. Mit Vfb ist in 1 ein
solches aus der Ausgangsspannung Vout unter Verwendung eines Spannungsteilers R1,
R2 und eines Regelverstärkers
bzw. Fehlerverstärkers 51 gewonnenes
Regelsignal bezeichnet.
-
Um
zum Einen eine Welligkeit der Ausgangsspannung Vout möglichst
gering zu halten und zum Anderen eine die Eingangsspannung Vin liefernde Eingangsspannungsquelle
möglichst
gleichmäßig zu belasten,
ist es vorteilhaft, wenn die Schalter 15, 25 der
einzelnen Wandlerstufen 10, 20 zeitlich versetzt zueinander
leitend angesteuert werden. Dies kann bezugnehmend auf 2 dadurch erreicht werden, dass
für den
Vergleich mit dem Regelsignal zwei Sägezahnsignale Vr1, Vr2 bereitgestellt
werden, die eine gegenseitige Phasenverschiebung von 180° besitzen.
-
Ein
grundsätzliches
Ziel bei der Verwendung mehrerer parallel geschalteter Wandlerstufen
besteht darin, die einzelnen Wandlerstufen so anzusteuern, dass
die einzelnen Stufen in gleichem Umfang zur Versorgung der Last
beitragen, also einen wenigstens annähernd gleichen Ausgangsstrom
zur Verfügung
stellen.
-
Unter
der Annahme, dass die Bauelemente der einzelnen Wandlerstufen 10, 20,
insbesondere die LC-Glieder, jeweils identisch dimensioniert sind, ist
es für
eine gleiche Strombelastung der beiden Wandlerstufen 10, 20 wesentlich,
dass die pulsweitenmodulierten Ansteuersignale PWM1', PWM2' eine hohe Übereinstimmung
in Bezug auf deren Duty-Cycle besitzen. Denn, bereits dann, wenn
sich der Duty-Cycle einer Wandlerstufe nur wenig vom Duty-Cycle
der anderen Wandlerstufe unterscheidet; weichen die Ausgangsströme der beiden
Wandlerstufen erheblich voneinander ab. Es lässt sich rechnerisch zeigen,
dass bei einer üblichen
Belastung des Spannungswandlers mit einer Last, deren Versorgungsspannung
2V und deren Stromaufnahme 10A beträgt, die Abweichung der Ausgangsströme der beiden
Wandler 10, 20 etwa 20% beträgt, wenn die Duty-Cycle der
beiden Wandler um nur 1% voneinander abweichen, wenn als Einschaltwiderstand
der beiden Schalter ein Wert von 10mΩ angenommen wird.
-
Bei
einer phasenverschobenen Ansteuerung der beiden Wandlerstufen 10, 20 stellt
die Einstellung eines gleichen Duty-Cycle für die beiden Wandlerstufen 10, 20 erhebliche
Anforderungen an die Übereinstimmung
(matching) der beiden Sägezahnsignale Vr1,
Vr2.
-
Ziel
der vorliegenden Erfindung ist es, eine Ansteuerschaltung für zwei Schaltwandlerstufen
eines Spannungswandlers zur Verfügung
zu stellen, die zwei phasenverschobene pulsweitenmodulierte Ansteuersignale
mit gleichem Duty-Cycle erzeugt.
-
Dieses
Ziel wird durch eine Ansteuerschaltung nach Anspruch 1 erreicht.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
-
Die
Ansteuerschaltung zur Bereitstellung eines ersten und eines zweiten
pulsweitenmodulierten Ansteuersignals für zwei Schaltwandlerstufen
eines Spannungswandlers, weist folgende Merkmale auf:
- – eine
erste Regelanordnung, die dazu ausgebildet ist, aus einer ersten
zu regelnden Spannung und einer ersten Referenzspannung ein erstes Regelsignal
zu erzeugen,
- – einen
Signalgenerator, der dazu ausgebildet ist, ein zwischen einem ersten
und einem zweiten Amplitudenwert verlaufendes periodisches Signal zur
Verfügung
zu stellen,
- – einen
Signalwandler, der dazu ausgebildet ist, aus dem ersten Regelsignal
ein zweites Regelsignal derart zu erzeugen, dass der Betrag einer Differenz
zwischen dem ersten Regelsignal und dem ersten Amplitudenwert des
periodischen Signals wenigstens annähernd dem Betrag einer Differenz
zwischen dem zweiten Regelsignal und dem zweiten Amplitudenwert
entspricht,
- – einen
ersten Pulsweitenmodulator, dem das erste Regelsignal und das periodische
Signal zugeführt
sind und der das erste pulsweitenmodulierte Signal bereitstellt,
und
- – einen
zweiten Pulsweitenmodulator, dem das zweite Regelsignal und das
periodische Signal zugeführt
sind und der das zweite pulsweitenmodulierte Signal bereitstellt.
-
Der
Signalgenerator ist vorzugsweise dazu ausgebildet, ein periodisches
Signal bereitzustellen, dessen Amplitudenverlauf bezogen auf seinen
Mittelwert symmetrisch ist. Dieses Signal besitzt beispielsweise
einen dreieckförmigen
oder sinusförmigen
Verlauf.
-
Die
erfindungsgemäße Ansteuerschaltung verwendet
zur Erzeugung der beiden pulsweitenmodulierten Ansteuersignale nur
ein periodisches Signal. Eine Phasenverschiebung der beiden Ansteuersignale
wird dadurch erreicht, dass das erste Ansteuersignal durch einen
Vergleich des periodischen Signals mit dem ersten Regelsignal und
das zweite Ansteuersignal durch einen Vergleich mit dem zweiten Regelsignal
erzeugt wird.
-
Bei
einer Ausführungsform
der Ansteuerschaltung ist vorgesehen, dass eine zweite Regelanordnung
vorhanden ist, die dazu ausgebildet ist, aus einer zweiten zu regelnden
Spannung und einer zweiten Referenzspannung ein weiteres Regelsignal zu
erzeugen. Die Ansteuerschaltung gemäß dieser Ausführungsform
umfasst außerdem
einen dem zweiten Pulsweitenmodulator vorgeschalteten Umschalter,
der dazu ausgebildet ist, nach Maßgabe eines Umschaltsignals
dem zweiten Pulsweitenmodulator das zweite Regelsignal oder das
weitere Regelsignal zuzuführen.
Diese Ansteuerschaltung kann dazu eingesetzt werden, zwei parallel
geschaltete Schaltwandlerstufen eines Spannungswandlers anzusteuern,
wobei dem zweiten Pulsweitenmodulator in diesem Fall das zweite
Regelsignal zu geführt
ist. Diese Ansteuerschaltung kann alternativ auch dazu eingesetzt
werden, zwei nicht parallel geschaltete Wandlerstufen anzusteuern,
die verschiedene geregelte Ausgangsspannungen erzeugen. Dem zweiten Pulsweitenmodulator
ist in diesem Fall das weitere Regelsignal zugeführt, das die durch die zweite Wandlerstufe
erzeugte Ausgangsspannung bestimmt.
-
Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
-
1 zeigt
einen Spannungswandler mit zwei parallel geschalteten Wandlerstufen
nach dem Stand der Technik.
-
2 veranschaulicht
die Erzeugung phasenverschobener pulsweitenmodulierter Ansteuersignale
für die
Wandlerstufen nach 1.
-
3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung
für zwei
parallel geschaltete Schaltwandlerstufen eines Spannungswandlers,
die zwei phasenverschobene pulsweitenmodulierte Ansteuersignale
bereitstellt.
-
4 veranschaulicht
die Erzeugung der Ansteuersignale durch die Ansteuerschaltung gemäß 3.
-
5 zeigt
ein schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel für einen
in der Ansteuerschaltung eingesetzten Signalwandler.
-
6 zeigt
ein schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel für einen
in der Ansteuerschaltung eingesetzten Signalgenerator, der ein Dreiecksignal erzeugt.
-
7 zeigt
ein zweites Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung,
die wahlweise zwei Ansteuersignale für parallel geschaltete Wandlerstufen
oder für
separate Wandlerstufen bereitstellt.
-
In
den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben gleiche Bezugszeichen
gleiche Schaltungskomponenten und Signale mit gleicher Bedeutung.
-
3 zeigt
ein erstes Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung
zur phasenverschobenen Ansteu erung von zwei Schaltwandlerstufen 10, 20 eines
Spannungswandlers. Die Ansteuerschaltung 50 stellt zwei
phasenverschobene pulsweitenmodulierte Ansteuersignale PWM 1, PWM
2 zur Verfügung,
von denen ein erstes PWM1 zur Ansteuerung einer ersten Schaltwandlerstufe 10 und
von denen ein zweites PWM2 zur Ansteuerung einer zweiten Schaltwandlerstufe 20 dient.
Zum besseren Verständnis
der Funktionsweise der Ansteuerschaltung 50 sind in 3 neben
der Ansteuerschaltung 50 zwei parallel geschaltete Schaltwandlerstufen 10, 20 dargestellt,
die in dem Beispiel jeweils als Tiefsetzsteller ausgebildet sind.
-
Jede
der beiden Wandlerstufen 10, 20 weist Eingangsklemmen 11, 12 bzw. 21, 22 zum
Anlegen einer Eingangsspannung Vin und Ausgangsklemmen 13, 14 bzw. 23, 24 zum
Bereitstellen einer Ausgangsspannung Vout auf, wobei diese Ausgangsklemmen parallel
geschaltet sind, um eine Last Z (gestrichelt dargestellt) mit der
Ausgangsspannung Vout zu versorgen. Jeder der Spannungswandler 10, 20 weist ein
LC-Glied mit einer Induktivität 16, 26 und
einer Kapazität 17, 27 und
einen Schalter 15, 25 zum Anlegen des jeweiligen
LC-Glieds an die Eingangsspannung Vin auf. Die Ausgangsspannung
ist über den
Kapazitäten 17, 27 abgreifbar.
Als Freilaufelement ist parallel zu dem LC-Glied bei jeder Wandlerstufe
ein weiterer Schalter 18, 28 geschaltet, der über einen
Inverter 19, 29 komplementär zu dem ersten Schalter 15, 25 der
jeweiligen Wandlerstufe angesteuert ist. Das LC-Glied dient in bekannter
Weise als Tiefpassfilter zur Bereitstellung der Ausgangsspannung
Vout aus der über
den ersten Schalter 15, 25 aus der Eingangsspannung
Vin erzeugten Spannung mit rechteckförmigem Signalverlauf.
-
Die
ersten Schalter 15, 25 der beiden Wandlerstufen
sind jeweils über
eines der von der Ansteuerschaltung 50 bereitgestellten
pulsweitenmodulierten Signale PWM1, PWM2 angesteuert. Diese beiden
pulsweitenmodulierten Ansteuersignale PWM1, PWM2 stehen an ersten
und zweiten Anschlüssen 50_1, 50_2 der
Ansteuerschaltung 50 zur Verfügung.
-
Die
Ansteuerschaltung weist eine erste Regelanordnung auf, die aus der
an einem Anschluss 50_3 anliegenden zu regelnden Ausgangsspannung Vout
unter Berücksichtigung
der Referenzspannung Vref ein erstes Regelsignal Vfb1 erzeugt. An
diesen Anschluss 50_3 ist ein Spannungsteiler 56, 57 angeschlossen,
der aus der zugeführten
Ausgangsspannung Vout eine heruntergeteilte Spannung Vout' erzeugt. Diese Spannung
Vout' ist zusammen
mit der Referenzspannung Vref einem Regelverstärker bzw. Fehlerverstärker 54 zugeführt, der
das erste Regelsignal Vfb1 erzeugt. Die Referenzspannung Vref dient als
Sollwert für
die heruntergeteilte Ausgangsspannung Vout', der Sollwert für die Ausgangsspannung Vout
entspricht dann der Referenzspannung Vref multipliziert mit dem
Kehrwert des Teilerverhältnisses des
Spannungsteilers 56, 57. Der Regelverstärker 54 besitzt
abhängig
von dem gewünschten
Regelverhalten ein Proportionalverhalten, ein Integralverhalten oder
ein Proportional-Integral-Verhalten.
-
Die
Ansteuerschaltung 50 weist außerdem einen Signalgenerator 53 auf,
der dazu ausgebildet ist, ein periodisches Signal Vr zu erzeugen,
dessen Amplitude periodisch zwischen einem ersten und einem zweiten
Amplitudenwert verläuft.
Dieses Signal ist vorzugsweise ein bezogen auf seinen Mittelwert symmetrisches
Signal, wie beispielsweise ein Signal mit einem dreieckförmigen Signalverlauf
oder einem sinusförmigen
Verlauf. Ein periodisches Signal ist im Sinn der vorliegenden Anmeldung
dann symmetrisch zu seinem Mittelwert, wenn der Signalverlauf eines Signals,
welches durch Spiegelung des periodischen Signals an einer durch
den Mittelwert gegebenen Achse erhalten wird, mit dem Signalverlauf
des periodischen Signals übereinstimmt
und lediglich gegenüber
diesem Signalverlauf phasenverschoben ist.
-
Die
Ansteuerschaltung 50 weist zudem einen Signalwandler 55 auf,
der dazu ausgebildet ist, aus dem ersten Regelsignal Vfb1 ein zweites
Regelsignals Vfb2 derart zu erzeugen, dass der Betrag einer Differenz
zwischen dem ersten Regelsignal Vfb1 und dem ersten Amplitudenwert
Vrm des periodischen Signals wenigstens annähernd dem Betrag einer Differenz
zwischen dem zweiten Regelsignal Vfb2 und dem zweiten Amplitudenwert
GND des periodischen Signals Vr entspricht. Dieser erste und zweite
Amplitudenwert Vrm, GND, aus denen der Signalgenerator 53 das
periodische Signal Vr erzeugt, sind ebenfalls dem Signalwandler 55 zugeführt, wobei
der zweite Amplitudenwert in dem Beispiel einem Bezugspotential
GND entspricht, auf welches sämtliche
in der Ansteuerschaltung 50 vorkommende Spannungen bezogen
sind.
-
Zur
Bereitstellung der pulsweitenmodulierten Ansteuersignale PWM1, PWM2
weist die Ansteuerschaltung 50 einen ersten und einen zweiten
Pulsweitenmodulator 51, 52 auf, denen jeweils
das periodische Signal Vr zugeführt
ist. Dem ersten Pulsweitenmodulator 51 ist neben dem periodischen
Signal Vr das erste Regelsignal Vfb1 zugeführt, und dem zweiten Pulsweitenmodulator 52 ist
neben dem periodischen Signal Vr das zweite Regelsignal Vfb2 zugeführt. Die
beiden Pulsweitenmodulatoren 51, 52 sind in dem
Beispiel jeweils als Komparatoren ausgebildet. Der erste Pulsweitenmodulator 51 vergleicht zur
Erzeugung des ersten pulsweitenmodulierten Ansteuersignals PWM1
das erste Regelsignal Vfb1 mit dem periodischen Signal Vr und erzeugt
einen Einschaltpegel des Ansteuersignals PWM1 dann, wenn das periodische
Signal Vr oberhalb des ersten Regelsignals Vfb1 liegt. Der zweite
Pulsweitenmodulator 52 vergleicht zur Erzeugung des zweiten
Ansteuersignals PWM2 das periodische Signal Vr mit dem zweiten Regelsignal
Vfb2 und erzeugt einen Einschaltpegel des Ansteuersignals PWM2 dann,
wenn das periodische Signal Vr unterhalb des zweiten Regelsignals
Vfb2 liegt. Bei einem symmetrisch zum Mittelwert verlaufenden periodischen
Signal Vr ist bei dieser Ansteuerschaltung sichergestellt, dass
Einschaltpegel der beiden pulsweitenmodulierten Signale phasenverschoben
zueinander erzeugt werden, und dass die beiden pulsweitenmodulierten
Signale PWM1, PWM2 den selben Duty-Cycle besitzen wie nachfolgend
anhand von 4 erläutert wird.
-
Für die Erläuterung
wird davon ausgegangen, dass das periodische Signal Vr ein Signal
mit einem dreieckförmigen
Signalverlauf ist, dessen Amplitude zwischen dem ersten Amplitudenwert
Vrm, der in dem Beispiel der Maximalwert ist, und dem zweiten Amplitudenwert
GND, der in dem Beispiel der Minimalwert ist, variiert. Die Dreiecke
im Signalverlauf müssen
dabei nicht notwendigerweise gleichschenklige Dreiecke sein, das
heißt,
die Zeitdauer steigender Flanken muss nicht notwendigerweise der
Zeitdauer fallender Flanken entsprechen. Unter einem dreieckförmigen Signalverlauf
sind im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung vielmehr alle dreieckförmigen Signalverläufe bis
hin zu sägezahnförmigen Signalverläufen zu
verstehen. Wie erläutert wird
das zweite Regelsignal Vfb2 aus dem ersten Regelsignal Vfb1 derart
erzeugt, dass der Betrag einer Differenz zwischen dem ersten Amplitudenwert
Vrm und dem ersten Regelsignal Vfb1 dem Betrag einer Differenz zwischen
dem zweiten Regelsignal Vfb12 und dem zweiten Amplitudenwert GND
entspricht, es gilt also: |Vrm – Vfb1|
= |Vfb2 – GND| (1).
-
Bei
einem periodischen Signal, dessen Signalverlauf symmetrisch zu dessen
Mittelwert verläuft, ist
die oben erläuterte
Beziehung (1) gleichbedeutend damit, dass die beiden Regelsignale
Vfb1, Vfb2 so gewählt
sind, dass sie symmetrisch zu diesem Mittelwert liegen. Dieser Mittelwert
ist in 4 mit Vm bezeichnet. Es gilt also: |Vfb1 – Vm| = |Vm – Vfb2| (2).
-
Ein
Einschaltsignal des ersten pulsweitenmodulierten Signals PMW1 wird
dann erzeugt, wenn die Amplitude des periodischen Signals Vr größer als das
Regelsignal Vfb1 ist. Entsprechend wird ein Einschaltpegel des zweiten
pulsweitenmodulierten Signals PWM2 dann erzeugt, wenn die Amplitude
des periodischen Signals Vr kleiner als das zweite Regelsignal Vfb2
ist. Unter der Voraussetzung, dass das periodische Signal Vr symmetrisch
zu seinem Mittelwert Vm ist und dass die beiden Regelsignale Vfb1, Vfb2
symmetrisch zu diesem Mittelwert liegen, gilt, dass die beiden pulsweitenmodulierten
Signale PWM1, PWM2 eine Phasenverschiebung von 180° und außerdem den
selben Duty-Cycle besitzen.
-
Wesentlich
für die Übereinstimmung
der Duty-Cycles der beiden pulsweitenmodulierten Signale PWM1, PWM2
ist die Erzeugung des zweiten Regelsignals Vfb2 aus dem ersten Regelsignal
Vfb1.
-
Ein
schaltungstechnisches Realisierungsbeispiel für den Signalswandler 55,
der das zweite Regelsignal Vfb2 aus dem ersten Regelsignal Vfb1
unter Berücksichtung
der Beziehungen (1) und (2) erzeugt, ist in 5 dargestellt.
Der Signalwandler 55 weist einen Operationsverstärker OPV
auf, der mit vier Widerständen
R1–R4
extern beschaltet ist. Das erste Regelsignal Vfb1 ist dabei über einen
ersten Widerstand R1 dem Minus-Eingang
des Operationsverstärkers
OVP zugeführt.
Der Minus-Eingang
und der Ausgang des Operationsverstärkers OPV, an dem das zweite
Regelsignal Vfb2 zur Verfügung steht,
sind über
einen zweiten Widerstand R2 miteinander verbunden. Der Plus-Eingang des Operationsverstärkers OPV
ist an den Mittenabgriff eines durch einen dritten und einen vierten
Widerstand R3, R4 gebildeten Spannungsteilers angeschlossen, wobei an
einem ersten Anschluss des Spannungsteilers der erste Amplitudenwert
Vrm und am zweiten Anschluss des Spannungsteilers der zweite Amplitudenwert GND
anliegt. Die Widerstände
R1–R4
besitzen vorzugsweise jeweils identische Widerstandswerte, es genügt allerdings
auch, wenn der erste und zweite Widerstand R1, R2 jeweils identische
Widerstandwerte und der dritte und vierte Widerstand R3, R4 jeweils
identische Widerstandswerte besitzen. Bei gleichen Widerstandswerten
für den
dritten und vierten Widerstand R3, R4 entspricht eine zwischen dem Plus- Eingang des Operationsverstärkers OPV
und Bezugspotential GND anliegende Spannung dem Mittelwert Vm des
periodischen Signals Vr. Der Operationsverstärker OPV stellt seinen Ausgangsstrom derart
ein, dass die Spannung zwischen dem Minus-Eingang und Bezugspotential GND ebenfalls diesem
Mittelwert Vm entspricht. Unter der Annahme, dass der erste und
zweite Widerstand R1, R2 jeweils gleiche Widerstandswerte besitzen,
gilt dann für
das erste und zweite Regelsignal Vfb1, Vfb2 die oben erläuterte Beziehung
(2).
-
Wie
erläutert,
stimmen die Duty-Cycles der beiden pulsweitenmodulierten Signale
PWM1, PWM2 exakt überein,
wenn die Beziehung (2) exakt eingehalten ist. Abweichungen ergeben
sich dann, wenn die ersten und zweiten Widerstände R1, R2 und die dritten
und vierten Widerstände
R3, R4 nicht exakt aneinander angepasst sind. Maximale Abweichungen
der Widerstandswerte dieser Widerstände von 0,1% können leicht
erreicht werden. Es lässt
sich zeigen, dass dann, wenn die ersten und zweiten Widerstände R1,
R2 um 0,1% voneinander abweichen und die dritten und vierten Widerstände R3,
R4 um 0,1% voneinander abweichen, die daraus resultierende Abweichung
der Duty-Cycles des ersten und zweiten pulsweitenmodulierten Signals
PWM1, PWM2 nur etwa 0,07% beträgt.
Mit vergleichsweise einfachen Mitteln ermöglicht die erfindungsgemäße Ansteuerschaltung
somit die Erzeugung phasenverschobener pulsweitenmodulierter Ansteuersignale mit
Duty-Cycles, die selbst unter Berücksichtigung herstellungsbedingter
Schwankungen der in dem Signalwandler 55 eingesetzten Bauelemente
nur wenig voneinander abweichen.
-
Zur
Erzeugung des dreieckförmigen
periodischen Signals Vr sind herkömmliche Dreieckssignalgeneratoren
einsetzbar. 6 zeigt ein Beispiel für einen
solchen Dreieckssignalgenerator, der einen Kondensator 535, über dem
die dreieckförmige Spannung
Vr anliegt, sowie eine Ladestromquelle 531 und eine Entladestromquelle 533 aufweist.
Die Ladestromquelle 531 ist über einen ersten Schalter 532 an
den Kondensator 535 angeschlossen, und die Entladestromquelle 533 ist über einen zweiten
Schalter 534 an den Kondensator 535 angeschlossen.
Die beiden Schalter 532, 534 sind komplementär zueinander über ein
Flip-Flop 538 angesteuert. Der Kondensator 535 wird
bei geschlossenem ersten Schalter 532 über die erste Stromquelle 531 mit
einem konstanten Ladestrom Ic aufgeladen. Die Spannung Vr steigt
dadurch linear an, wobei die Steilheit des Spannungsverlaufs von
dem Ladestrom Ic und dem Kapazitätswert
der Kapazität 535 abhängig ist.
Ein erster Komparator 537 vergleicht die über dem
Kondensator 535 anliegende Spannung Vr mit dem Maximalwert
Vrm und setzt das Flip-Flop 538 zurück, wenn die über dem
Kondensator 535 anliegende Spannung Vr diesen Maximalwert
Vrm erreicht. Bei zurückgesetztem
Flip-Flop 538 wird
der erste Schalter 532 geöffnet und der zweite Schalter 534 geschlossen.
-
Bei
geschlossenem zweiten Schalter 534 wird der Kondensator 535 über die
zweite Stromquelle 533 mit einem konstanten Entladestrom
Id entladen, wodurch die Spannung über dem Kondensator 535 linear
abnimmt. Wenn der Entladestrom Id betragsmäßig mit dem Ladestrom Ic übereinstimmt, entspricht
die Steilheit der fallenden Flanke der Steilheit der steigenden
Flanke des Verlaufs der Spannung Vr über dem Kondensator 535.
Der Entladevorgang ist beendet, wenn die Spannung Vr den Minimalwert
GND erreicht. Ein zweiter Komparator 536 vergleicht die
Spannung Vr mit dem Minimalwert GND und setzt das Flip-Flop 538,
wenn die Spannung Vr auf den Minimalwert GND abgesunken ist. Mit
Setzen des Flip-Flops wird der erste Schalter 532 geschlossen
und der zweite Schalter 534 geöffnet, wodurch erneut ein Ladevorgang
des Kondensators 535 beginnt.
-
7 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Ansteuerschaltung 50,
die sowohl zur Ansteuerung zweier parallel geschalteter Schaltwandlerstufen
eines Spannungswandlers als auch zur Ansteuerung zweier unabhängig voneinander
arbeitender Schaltwandlerstufen geeignet ist.
-
Diese
Ansteuerschaltung 50 weist einen weiteren Anschluss 50_4 zur
Zuführung
einer zweiten zu regelnden Spannung Vout2 und eine zweite Regelanordnung
zur Bereitstellung eines weiteren Regelsignals Vfb3 auf. Diese zweite
Regelanordnung weist einen an den weiteren Anschluss 50_4 angeschlossenen
Spannungsteiler 66, 67 zur Bereitstellung einer heruntergeteilten
Spannung Vout2' und
einen Regelverstärker 64,
der das weitere Regelsignal Vfb3 abhängig von einer zweiten Referenzspannung
Vref2 und dem heruntergeteilten Spannungssignal Vout2' erzeugt, auf. Dem
zweiten Pulsweitenmodulator 52, der das zweite pulsweitenmodulierte
Signal PWM2 erzeugt, ist ein Umschalter 59 vorgeschaltet,
der dem Pulsweitenmodulator 52 wahlweise das durch den Signalswandler 55 erzeugte
zweite Regelsignal Vfb2 oder das durch die zweite Regelanordnung 64, 66, 67 erzeugte
weitere Regelsignal Vfb3 zuführt.
Dieser Umschalter 59 ist durch einen Komparator 69 abhängig von
einem Vergleich einer an dem weiteren Anschluss 50_4 anliegenden
Spannung mit einem Schwellenwert Vth angesteuert. Liegt diese an
dem Anschluss 50_4 anliegende Spannung unterhalb des Schwellenwertes
Vth so wird dem zweiten Pulsweitenmodulator 52 das zweite
Regelsignal Vfb2 zugeführt.
Liegt die Spannung an dem Anschluss 50_4 oberhalb des Schwellenwertes
Vth, so wird dem zweiten Pulsweitenmodulator 52 das weitere
Regelsignal Vfb3 zugeführt.
-
Die
Betriebsart dieser Ansteuerschaltung 50 ist damit über die äußere Beschaltung
an dem Anschluss 50_4 einstellbar. Liegt keine Spannung
an diesem Anschluss 50_4 an, so werden zwei phasenverschobene
pulsweitenmodulierte Ansteuersignals PWM1, PWM2 mit demselben Duty-Cycle
erzeugt, die zur Ansteuerung parallel geschalteter identisch aufgebauter
Schaltwandlerstufen geeignet sind. Die äußere Beschaltung der Ansteuerschaltung 50 mit zwei
parallel geschalteten Schaltwandlerstufen ist in 7 mit
durchgezogenen Linien dargestellt.
-
Durch
strichpunktierte Linien ist in 7 eine äußere Beschaltung
der Ansteuerschaltung 50 dargestellt, bei welcher die beiden
Schaltwandlerstufen 10, 20 nicht parallel geschaltet
sind, sondern bei denen die erste Schaltwandlerstufe 10 zur
Versorgung der Last Z und die zweite Schaltwandlerstufe 20 zur Versorgung
einer weiteren Last Z2 dient. Die dem dritten Anschluss 50_3 zugeführte Ausgangsspannung
Vout ist in dem Fall nur die Ausgangsspannung der ersten Schaltwandlerstufe 10.
Diese erste Schaltwandlerstufe 10 wird in diesem Betriebszustand über die
erste Regelanordnung 54, 56, 57 und den
ersten Pulsweitenmodulator 51 pulsweitenmoduliert durch das
erste pulseitenmodulierte Signal PWM1 angesteuert, um die Ausgangsspannung
Vout auf den von der Referenzspannung Vref abhängigen Sollwert zu regeln.
-
Dem
weiteren Anschluss 50_4 ist bei diesem Betriebszustand
die Ausgangsspannung Vout2 der zweiten Schaltwandlerstufe 20 zugeführt. Die
pulsweitenmodulierte Ansteuerung der zweiten Schaltwandlerstufe
erfolgt während
dieses Betriebszustandes über
die zweite Regelanordnung 64, 66, 67 und den
zweiten Pulsweitenmodulator 52 derart, dass sich eine Ausgangsspannung
Vout2 einstellt, die von der zweiten Referenzspannung Vref2 abhängig ist.
-
- GND
- Bezugspotential
- Ic
- Ladestrom
- Id
- Entladestrom
- OPV
- Operationsverstärker
- PWM1', PWM2'
- pulsweitenmodulierte
Ansteuersignale
- R1
... R4
- Widerstände
- R1,
R2
- Spannungsteiler
- Vfb
- Regelsignal,
Rückkopplungssignal
- Vfb3
- Regelsignal
- Vin
- Eingangsspannung
- Vout
- Ausgangsspannung
- Vout2
- Ausgangsspannung
- Vr
- periodisches
Signal
- VR1,
VR2
- Sägezahnsignale
- Vref
- Referenzspannung
- Vref
- Referenzspannung
- Vref2
- Referenzspannung
- Vrm
- erster
Amplitudenwert bzw. Maximalwert des
-
- periodischen
Signals
- Vth
- Schwellenwert
- Z
- Last
- Z2
- Last
- 10
- erste
Schaltwandlerstufe
- 15
- erster
Schalter der ersten Schaltwandlerstufe
- 16
- Induktivität der ersten
Schaltwandlerstufe
- 17
- Kapazität der ersten
Schaltwandlerstufe
- 18
- zweiter
Schalter der ersten Schaltwandlerstufe
- 19
- Inverter
der ersten Schaltwandlerstufe
- 20
- zweite
Schaltwandlerstufe
- 11,
12
- Eingangsklemmen
der ersten Schaltwandlerstufe
- 25
- erster
Schalter der zweiten Schaltwandlerstufe
- 26
- Induktivität der zweiten
Schaltwandlerstufe
- 13,
14
- Ausgangsklemmen
der ersten Schaltwandlerstufe
- 27
- Kapazität der zweiten
Schaltwandlerstufe
- 28
- zweiter
Schalter der zweiten Schaltwandlerstu
-
- fe
- 29
- Inverter
der zweiten Schaltwandlerstufe
- 21,
22
- Eingangsklemmen
der zweiten Schaltwandlerstufe
- 23,
24
- Ausgangsklemmen
der zweiten Schaltwanderstufe
- 50
- Ansteuerschaltung
- 51
- Regelverstärker
- 52
- Referenzspannungsquelle
- 53
- Signalgenerator
- 54
- Regelverstärker
- 55
- Signalwandler
- 58
- Referenzspannungsquelle
- 64
- Regelverstärker, Fehlerverstärker
- 68
- Referenzspannungsquelle
- 69
- Komparator
- 31,
41
- Sägezahngeneratoren
- 32,
42
- Pulsweitenmodulatoren
- 50_1
... 50_4
- Anschlüsse der
Ansteuerschaltung
- 51,
52
- Pulsweitenmodulatoren
- 56,
57
- Spannungsteiler
- 66,
67
- Spannungsteiler
- 535
- Kondensator
- 538
- Flip-Flop
- 531,
533
- Stromquellen
- 532,
534
- Schalter
- 536,
537
- Komparatoren