DE10223771A1

DE10223771A1 - Schaltwandler mit einem digitalen Eingang und Verfahren zur Wandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung

Info

Publication number: DE10223771A1
Application number: DE2002123771
Authority: DE
Inventors: Alfred Hesener
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2002-05-28
Publication date: 2003-12-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Schaltwandler, der folgende Merkmale aufweist: DOLLAR A - eine Wandlerstufe (10) mit Eingangsklemmen zum Anlegen einer Eingangsspannung (Uin), wenigstens einem Ansteuereingang (IN1, IN2, IN3, IN4) zur Zuführung eines getakteten Ansteuersignals und einer Ausgangsklemme (OUT), an der eine Ausgangsspannung (Uout) bereitsteht, DOLLAR A - einen Analog-Digital-Wandler (20) mit einem Eingang, dem ein von der Ausgangsspannung (Uout) abhängiges Signal zugeführt ist, und mit einem Ausgang, DOLLAR A - ein digitales Filter (30) mit einem ersten Eingang, der an den Ausgang des Analog-Digital-Wandlers (20) angeschlossen ist, mit einem zweiten Eingang, dem ein digitales Einstellsignal (ES) zugeführt wird, und mit einem Ausgang, an dem ein digitales Regelsignal (RS) zur Verfügung steht, wobei das Ansteuersignal (S1, S2, S3, S4) von dem Regelsignal abhängig ist. DOLLAR A Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung aus einer Eingangsspannung.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Schaltwandler mit einem digitalen Eingang und ein Verfahren zur Wandlung einer Eingangsspannung und eine Ausgangsspannung.
Schaltwandler finden heutzutage vielfach Anwendung zur Spannungsversorgung einer Last mit variabler Leistungsaufnahme. Schaltwandler verschiedenster Ausgestaltung sind dabei in der Lage, aus einer Eingangsspannung eine nahezu konstante Ausgangsspannung über einen weiten Lastbereich zur Verfügung zu stellen.
Derzeit verfügbare Schaltwandler sind allerdings nur in der Lage, analoge Eingangsgrößen zu verarbeiten, d. h. die der Last zur Verfügung gestellte Ausgangsspannung abhängig von einer analogen Eingangsgröße bereitzustellen. Bei Anwendungen, bei welchen digitale Einstellsignale zur Verfügung stehen, muss daher bislang ein Digital-Analog-Wandler vorgesehen werden, der das digitale Einstellsignal in ein für den Schaltwandler verarbeitbares analoges Signal umwandelt. Die Zahl der Anwendungen, bei welchen digitale Einstellsignale zur Verfügung stehen, abhängig von denen eine Ausgangsspannung für eine Last bereitgestellt werden soll, nehmen stark zu. Beispielhaft sei hier auf Spannungsversorgungsschaltungen für die Hauptplatine eines Computers hingewiesen. Bei neueren Generationen dieser Hauptplatinen bestimmt der auf der Hauptplatine angeordnete Prozessor den Wert der bereitzustellenden Versorgungsspannung, die lastunabhängig bereitgestellt werden soll und liefert ein entsprechendes digitales Einstellsignal.

Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, einen Schaltwandler mit einem digitalen Eingang und ein Verfahren zur Wandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung zur Verfügung zu stellen, wobei ein digitales Einstellsignal unmittelbar, d. h. ohne vorherige Digital-Analog-Wandlung, zur Einstellung einer nahezu lastunabhängigen Ausgangsspannung herangezogen werden kann.

Dieses Ziel wird durch einen Schaltwandler gemäß der Merkmale des Patentanspruchs 1 und durch ein Verfahren zur Wandlung einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Der erfindungsgemäße Schaltwandler umfasst eine Wandlerstufe mit Eingangsklemmen zum Anlegen einer Eingangsspannung, wenigstens einem Ansteuereingang zur Zuführung eines Ansteuersignals und mit einer Ausgangsklemme, an der eine Ausgangsspannung bereitsteht. Des weiteren ist ein Analog-Digital- Wandler vorgesehen, der einen Eingang aufweist, dem ein von der Ausgangsspannung abhängiges Signal zugeführt ist, und der einen Ausgang aufweist, an dem ein von der Ausgangsspannung abhängiges digitales Signal zur Verfügung steht. Dieses am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers anliegende digitale Signal ist einem ersten Eingang eines digitalen Filters zugeführt, welches einen zweiten Eingang aufweist, dem ein digitales Einstellsignal zugeführt ist, von dem die Ausgangsspannung abhängig ist. An einem Ausgang dieses digitalen Filters steht ein digitales Regelsignal zur Verfügung. Dem digitalen Filter ist eine Ansteuerlogik nachgeschaltet, die einen Eingang, dem das digitale Regelsignal zugeführt ist, und wenigstens einen Ausgang, an dem das wenigstens eine von dem Regelsignal abhängige Ansteuersignal für die Wandlerstufe zur Verfügung steht, aufweist.

Die Wandlerstufe umfasst vorzugsweise wenigstens zwei Schaltwandlereinheiten, die parallel geschaltet sind, d. h. deren Ausgänge gemeinsam an die Ausgangsklemme des Schaltwandlers angeschlossen sind, wobei die Ansteuerlogik eine der Anzahl der vorhandenen Schaltwandlereinheiten entsprechende Anzahl Ansteuersignale bereitstellt. Die Schaltwandlereinheiten sind dabei so ausgebildet, dass sie abhängig von dem jeweiligen Ansteuersignal eingeschaltet oder ausgeschaltet sind, wodurch über die Anzahl der jeweils gleichzeitig eingeschalteten Schaltwandlereinheiten die Leistungsaufnahme und damit die Ausgangsspannung des Schaltwandlers regelbar ist.

Das digitale Filter, welchem das digitale Einstellsignal und das von der Ausgangsspannung abhängige digitale Signal zugeführt sind, dient als digitaler Regler, der das Regelverhalten des erfindungsgemäßen Schaltwandlers bestimmt. Abhängig von Einsatzzweck des erfindungsgemäßen Schaltwandlers kann dieser digitale Regler ein proportionales, ein proportional- integrales oder ein integrales Regelverhalten besitzen. Das am Ausgang des digitalen Reglers anliegende Regelsignal bestimmt über die Ansteuerlogik, wie viele und welche der Schaltwandlereinheiten eingeschaltet sein sollen, wobei die Leistungsaufnahme des Schaltwandlers mit zunehmender Anzahl der eingeschalteten Schaltwandlereinheiten zunimmt. Die einzelnen Schaltwandlereinheiten besitzen im eingeschalteten Zustand entweder jeweils dieselbe Leistungsaufnahme, sie können jedoch auch so gestaltet sein, dass sie unterschiedliche Leistungsaufnahmen im eingeschalteten Zustand besitzen.

Die Schaltwandlereinheiten können als beliebige Schaltwandler, die wenigstens einen Schalter zur Regelung der Leistungsaufnahme aufweisen, ausgebildet sein. Die Schaltwandlereinheiten können insbesondere jeweils als Abwärtswandler ausgebildet sein, das heißt eine im Vergleich zur Eingangsspannung kleinere Ausgangsspannung bereitstellen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass jede der Schaltwandlereinheiten einen Pulssignalgenerator zur Bereitstellung eines von dem jeweiligen Ansteuersignal abhängigen Ansteuersignal für den wenigstens einen Schalter aufweist, wobei der Pulssignalgenerator nach Maßgabe des Ansteuersignals ein getaktetes Ansteuersignal oder ein Ansteuersignal mit einer konstanten Amplitude bereitstellt. Die Schaltwandlereinheit ist eingeschaltet, wenn ein getaktetes Ansteuersignal durch den Pulssignalgenerator bereitgestellt wird, und die Schaltwandlereinheit ist ausgeschaltet, wenn der Pulssignalgenerator ein Ansteuersignal mit einer konstanten Amplitude bereitstellt. Damit die einzelnen Schaltwandlereinheiten in eingeschaltetem Zustand jeweils eine konstante Leistungsaufnahme besitzen, wie dies bei einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen ist, besitzt das von dem Pulssignalgenerator bereitgestellte getaktete Ansteuersignal einen konstanten Duty-Cycle.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass dem Analog-Digital-Wandler, der die Ausgangsspannung bzw. ein von der Ausgangsspannung abhängiges Signal in ein digitales Signal wandelt, ein Integrierer oder ein Tiefpassfilter vorgeschaltet ist, welches eine Rückwirkung kurzfristiger Schwankungen der Ausgangsspannung auf den Regelkreis verhindert. Der Integrierer besitzt vorzugsweise eine Zeitkonstante die nur wenige Perioden des Taktes beträgt, mit welchem das digitale Regelsignal bereitgestellt und die Schaltwandler abhängig von dem digitalen Regelsignal ein- bzw. ausgeschaltet werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Wandlung einer Eingangsspannung in eine von einem digitalen Einstellsignal abhängige Ausgangsspannung ist vorgesehen, eine Schaltwandlerstufe mit Eingangsklemmen zur Zuführung einer Eingangsspannung, Ausgangsklemmen zur Bereitstellung der Ausgangsspannung und mit einem Ansteuereingang bereitzustellen, ein von der Ausgangsspannung abhängiges Signal in ein digitales von der Ausgangsspannung abhängiges Signal zu wandeln, ein digitales Regelsignal bereitzustellen, das von einem digitalen Einstellsignal und dem digitalen von der Ausgangsspannung abhängigen Signal abhängig ist, und die Schaltwandlerstufe abhängig von dem digitalen Regelsignal anzusteuern.

Vorzugsweise umfasst die Schaltwandlerstufe bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wenigstens zwei Schaltwandlereinheiten, die parallel an die Ausgangsklemme des Schaltwandlers angeschlossen ist und die abhängig von dem digitalen Regelsignal angesteuert werden. Vorzugsweise werden die Schaltwandlereinheiten der Schaltwandlerstufe abhängig von dem digitalen Regelsignal eingeschaltet oder ausgeschaltet, um dadurch die Leistungsaufnahme des Schaltwandlers und über die Leistungsaufnahme die Ausgangsspannung des Schaltwandlers zu regeln.

Die vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert. In den Figuren zeigt
Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Schaltwandlers mit einem digitalem Eingang und einer Wandlerstufe, an deren Ausgang eine Ausgangsspannung bereitsteht,
Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer Schaltwandlereinheit der Wandlerstufe gemäß Fig. 1
Fig. 3 beispielhafte zeitliche Verläufe ausgewählter in Fig. 2 eingezeichneter Signale,
Fig. 4 Ein- und Ausschaltschema der Schaltwandlereinheiten abhängig von dem Regelsignal (Fig. 4a) und zeitliche Verläufe der Ansteuersignale der Schaltwandlereinheit abhängig von dem Regelsignal (Fig. 4b),
Fig. 5 Ein- und Ausschaltschema der Schaltwandlereinheiten abhängig von den einzelnen Bits des digitalen Regelsignals (Fig. 5a) und Ausführungsbeispiel einer Ansteuerlogik zur Bereitstellung von Ansteuersignalen für die Schaltwandlereinheiten abhängig von dem Bits des digitalen Regelsignals (Fig. 5b),
Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Ein- und Ausschaltschemas der Schaltwandlereinheit abhängig von dem zeitlichen Verlauf des Regelsignals,
Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel eines digitalen Reglers des Schaltwandlers.
In den Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
Fig. 1 zeigt ein Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Schaltwandlers mit digitalem Eingang, an welchem ein digitales Einstellsignal ES anliegt, von welchem eine an einer Ausgangsklemme OUT des Schaltwandlers anliegende Ausgangsspannung Uout zur Versorgung einer Last abhängig ist. Aufgabe des Schaltwandlers ist es, diese Ausgangsspannung Uout weitgehend unabhängig von Schwankungen der in Fig. 1 gestrichelt eingezeichneten Last bereitzustellen.
Der Schaltwandler umfasst eine Schaltwandlerstufe 10 mit Eingangsklemmen zur Zuführung einer Eingangsspannung Uin, die in dem Ausführungsbeispiel gegen Bezugspotential GND anliegt, einem Ausgang, der an die Ausgangsklemme OUT angeschlossen ist, sowie in dem dargestelltem Ausführungsbeispiel vier Ansteuereingänge, denen Ansteuersignale S1, S2, S3, S4 zugeführt sind.
Die Schaltwandlerstufe 10 umfasst in dem dargestellten Ausführungsbeispiel vier parallel geschaltete Schaltwandlereinheiten 11, 12, 13, 14, denen die gegen Bezugspotential GND anliegende Eingangsspannung Uin zugeführt ist und die jeweils eine Ausgangsklemme OUT1, OUT2, OUT3, OUT4 aufweisen, die gemeinsam an die Ausgangsklemme OUT des Schaltwandlers angeschlossen sind. Jede der Schaltwandlereinheiten 11, 12, 13, 14 weist weiterhin einen Ansteuereingang IN1, IN2, IN3, IN4 auf, wobei jeder der Schaltwandlereinheiten 11-14 an diesem Eingang IN1-IN4 jeweils eines der Ansteuersignale S1-S4 zugeführt ist.
Der Schaltwandler umfasst weiterhin einen Rückkopplungszweig mit einem Analog-Digital-wandler 20, dem die Ausgangsspannung Uout oder bei einer anderen Ausführungsform ein von der Ausgangsspannung Uout abhängiges analoges Signal zugeführt ist. An einem Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 20 steht ein von der Ausgangsspannung Uout abhängiges digitales Signal US zur Verfügung. Dem Analog-Digital-Wandler 20 ist ein digitales Filter 30 bzw. ein digitaler Regler 30 nachgeschaltet, dem an einem ersten Eingang das digitale Ausgangsspannungssignal US und an einem zweiten Eingang das digitale Einstellsignal ES zugeführt ist. Der digitale Regler 30 stellt abhängig von dem Einstellsignal ES und dem digitalen Ausgangsspannungssignal US ein digitales Regelsignal RS zur Verfügung, abhängig von dem die Schaltwandlerstufe 10 angesteuert wird. Zur Umwandlung des digitalen Regelsignals RS in die Ansteuersignale S1-S4 für die Schaltwandlereinheiten 11-14 ist eine Ansteuerlogik 40 vorgesehen, die zwischen den digitalen Regler 30 und die Schaltwandlerstufe 10 geschaltet ist und an deren Ausgänge die Ansteuersignale S1-S4 bereitstehen.
Die Ausgangsspannung Uout wird über die Leistungsaufnahme der Schaltwandlerstufe 10 geregelt. Sinkt beispielsweise die Leistungsaufnahme der Last und steigt damit die Ausgangsspannung Uout bei zunächst gleichbleibender Leistungsaufnahme der Schaltwandlerstufe 10 an, so muss die Leistungsaufnahme der Schaltwandlerstufe 19 zurückgeregelt werden, um die Ausgangsspannung Uout auf einen von dem digitalen Einstellsignal ES abhängigen Wert zu regeln. Die Leistungsaufnahme der Schaltwandlerstufe 10 wird abhängig von dem Regelsignal bzw. den Ansteuersignalen S1-S4 geregelt. Die einzelnen Schaltwandlereinheiten sind so ausgestaltet, dass sie über die Ansteuersignale S1-S4 unabhängig voneinander ein- oder ausgeschaltet werden können, um dadurch die Leistungsaufnahme der Schaltwandlerstufe 10 bzw. die Ausgangsspannung Uout zu regeln.
Der digitale Regler 30, dem das Einstellsignal Es, welches die Sollgröße des Regelkreises bildet, und das digitale Ausgangsspannungssignal US, welches die zu regelnde Größe des Regelkreises darstellt, zugeführt sind, bestimmt das Regelverhalten des Schaltwandlers. Der digitale Regler 30 ist abhängig von dem Einsatzzweck des Schaltwandlers und damit dem gewünschten Regelverhalten ein Proportional-Regler, ein Proportional-Integral-Regler oder ein Integral-Regler.
Optional ist dem Analog-Digital-Wandler ein Integrierer 50 vorgeschaltet, der dazu dient, dass kurzfristige Schwankungen der Ausgangsspannung Uout keine Auswirkungen auf den Regelkreis haben. Die Zeitkonstante dieses Integrierers ist daher lediglich etwas größer als Periodendauer solcher der Ausgangsspannung Uout auftretender kurzfristiger Schwankungen.
Die einzelnen Schaltwandlereinheiten 11-14 sind in dem Beispiel über die Ansteuersignale S1-S4 einschaltbar oder ausschaltbar, wobei für den Fall, bei dem die Schaltwandlereinheiten 11-14 in eingeschaltetem Zustand jeweils dieselbe Leistungsaufnahme besitzen, die gesamte Leistungsaufnahme der Schaltwandlerstufe 10 über die Anzahl der eingeschalteten Schaltwandlereinheiten 11-14 regelbar ist.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die einzelnen Schaltwandlereinheiten 11-14 in eingeschaltetem Zustand jeweils unterschiedliche Leistungsaufnahmen besitzen, so dass die gesamte Leistungsaufnahme der Schaltwandlerstufe 10 über die Anzahl und die Auswahl der eingeschalteten Schaltwandlereinheiten 11-14 regelbar ist.
Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die einzelnen Schaltwandlereinheiten 11-14 in Fig. 1, die identisch aufgebaut sein können.
Der Schaltwandler gemäß Fig. 2 ist als Abwärtswandler (Buck- Converter) ausgebildet, der Eingangsklemmen zur Zuführung einer Eingangsspannung Uin, eine Ausgangsklemme OUTi und einen Ansteuereingang INi zur Zuführung eines Ansteuersignals Si aufweist. Der Buchstabe i im Zusammenhang mit den Bezugszeichen für den Ausgang OUTi, den Ansteuereingang INi und das Ansteuersignal Si steht jeweils für eine der Ziffern 1, 2, 3 und 4, um die Komponenten einer beliebigen der Schaltwandlereinheiten 11, 12, 13 oder 14 zu bezeichnen.
Zum besseren Verständnis der Funktionsweise der Schaltwandlereinheit gemäß Fig. 2 ist gestrichelt die Last und die an den Ausgang OUT des Schaltwandlers gemäß Fig. 1 angeschlossene Ausgangskapazität Cout, über der die Ausgangsspannung anliegt, dargestellt.
Die Schaltwandlereinheit umfasst eine Reihenschaltung zweier Schalter SW1i, SW2i, die zwischen die Klemme für das positive Versorgungspotential und Bezugspotential GND geschaltet sind. Zwischen einem den beiden Schalter SW1i, SW2i gemeinsamen Knoten und die Ausgangsklemme OUTi ist ein induktives Speicherelement Li geschaltet. Die Schalter SW1i, SW2i sind abhängig von einem getakteten Ansteuersignal PSi komplementär angesteuert, d. h. jeweils einer der beiden Schalter SW1i, SW2i ist geschlossen, wenn der jeweils andere Schalter leitet. Zur Ansteuerung der Schalter SW1i, SW2i abhängig von dem getakteten Ansteuersignal PSi sind Treiberschaltungen DRV1i, DRV2i vorgesehen, wobei das getaktete Ansteuersignal PSi in dem Ausführungsbeispiel dem Treiber DRVi des ersten Schalters SW1i direkt und dem Treiber DRV2i des zweiten Schalters SW2i über einen Inverter INV zugeführt ist, um das gewünschte komplementäre Schaltverhalten zu erreichen. Das getaktete Ansteuersignal PSi wird durch einen Pulssignalgenerator PGi abhängig von dem Ansteuersignal Si bereitgestellt.
Das Ansteuersignal Si ist ein zweiwertiges Signal, welches dazu dient, die Schaltwandlereinheit einzuschalten oder auszuschalten. Der Pulssignalgenerator PGi erzeugt das getaktete Ansteuersignal PSi nach Maßgabe des Ansteuersignals Si, wie dies beispielhaft in Fig. 3 dargestellt ist. Weist das Ansteuersignal Si einen High-Pegel auf, so liefert der Pulssignalgenerator ein getaktetes Ansteuersignal PSi, nach dessen Maßgabe der erste und zweite Schalter SW1i, SW2i getaktet geöffnet und geschlossen werden. Nimmt das Ansteuersignal Si einen Low-Pegel an, so stellt der Pulssignalgenerator PGi ein Ausgangssignal PSi mit einer konstanten Amplitude zur Verfügung, das bei der Schaltwandlereinheit gemäß Fig. 2 so gewählt ist, dass der zweite Schalter SW2i dauerhaft geschlossen und der erste Schalter SW1i dauerhaft geöffnet ist.
Die Schaltwandlereinheit gemäß Fig. 2 ist bei dauerhaft geschlossenem zweiten SW2i und dauerhaft geöffnetem ersten Schalter SW1i ausgeschaltet, während die Schaltwandlereinheit bei getaktet geschlossenem ersten Schalter SW1i eingeschaltet ist. Die Schaltwandlereinheit nimmt mit jedem Schließen des ersten Schalters SW1i in hinlänglich bekannter Weise Energie auf, welche sie über das induktive Speicherelement Li an die an der Ausgangsklemme OUTi angeschlossene Last abgibt. Die Leistungsaufnahme dieser Schaltwandlereinheit ist bei getakteter Ansteuerung abhängig von dem Duty-Cycle des getakteten Ansteuersignals, d. h. von dem zeitlichen Verhältnis zwischen der Einschaltdauer des ersten Schalters SW1i zu der Gesamtdauer eines Ansteuervorgangs.
Der Duty-Cycle des von dem Pulssignalgenerator PGi gelieferten Ansteuersignals PSi ist konstant, so dass die Schaltwandlereinheit gemäß Fig. 2 in eingeschaltetem Zustand eine konstante Leistungsaufnahme besitzt.
Bei der Darstellung gemäß Fig. 3 wird davon ausgegangen, dass das zweiwertige Ansteuersignal Si getaktet mit einer Frequenz f = 1/T vorliegt, wobei während einer Taktperiode dieses Ansteuersignals Si ein Ansteuerimpuls des getakteten Signals PSi vorliegt und der Duty-Cycle des getakteten Signals PSi bei der Darstellung gemäß Fig. 3 1/2 beträgt. Die Frequenz f = 1/T entspricht der Frequenz, mit der das Regelsignal RS an der Ansteuerschaltung 40 anliegt. Diese Taktfrequenz f wird durch einen nicht näher dargestellten Taktgenerator bereitgestellt und ist auch dem Pulssignalgenerator PGi zugeführt.
Zusammenfassend erfolgt die Regelung der Leistungsaufnahme der Teilwandlerstufe 10 und damit die Regelung der Ausgangsspannung Uout bei dem erfindungsgemäßen Schaltwandler durch Einschalten oder Ausschalten parallel geschalteter Schaltwandlereinheiten abhängig von digitalen Ansteuersignalen S1-S4, wobei diese digitalen Ansteuersignale S1-S4 wiederum von einem digitalen, von dem Einstellsignal ES und der Ausgangsspannung Uout abhängigen Regelsignal abhängig sind.
Die Geschwindigkeit, mit welcher Spannungsschwankungen am Ausgang nachgeregelt werden, ist abhängig, von der Taktfrequenz f = 1/T mit welcher die Ansteuersignale S1-S4 vorliegen, und die Schaltwandlereinheiten 11-14 ein- und ausgeschaltet werden. Die Regelgenauigkeit steigt dabei mit zunehmender Taktfrequenz, zumal sich dadurch auch die Ansteuerimpulse zur Ansteuerung der Schalter SW1i, SW2i verkürzen, wodurch sich die pro Schaltvorgang aufgenommene und entsprechend an die Ausgangsklemme OUTi abgegebene Energie verringert, was eine exaktere Regelung der Ausgangsspannung Uout ermöglicht.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass die einzelnen Schaltwandlereinheiten identisch dimensioniert sind, so dass sie in eingeschaltetem Zustand jeweils die selbe Leistungsaufnahme besitzen. Die aufgenommene Leistung ist dann abhängig von der Anzahl der in der Schaltwandlerstufe 10 parallel geschalteten Schaltwandlereinheit.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die einzelnen Schaltwandlereinheiten so dimensioniert sind, dass sie in eingeschaltetem Zustand jeweils unterschiedliche Leistungsaufnahmen besitzen. Sind beispielsweise vier Schaltwandlereinheiten vorhanden, die sich in ihrer Leistungsaufnahme jeweils um eine Zweierpotenz unterscheiden, d. h. beträgt die Leistungsaufnahme einer zweiten Schaltwandlereinheit 12 das doppelte der Leistungsaufnahme einer ersten Schaltwandlereinheit 11, die Leistungsaufnahme einer dritten Schaltwandlereinheit 13 das doppelte der zweiten Schaltwandlereinheit 12 und die Leistungsaufnahme der vierten Schaltwandlereinheit 14 das doppelte der dritten Schaltwandlereinheit 13, so sind 2⁴ = 16 unterschiedliche Leistungsaufnahmen einstellbar, um Lasten unterschiedlicher Leistungsaufnahme bei konstanter Ausgangsspannung Uout zu versorgen.
Die Funktionsweise der Ansteuerlogik 40, die die Ansteuersignale S1-S4 aus dem digitalen Regelsignal RS bereitstellt, wird nachfolgend anhand der Fig. 4 und 5 erläutert. Fig. 4a zeigt eine Tabelle, in der in der linken Spalte der Dezimalwert des digitalen Regelsignals RS und daneben die Anzahl der abhängig von dem Regelsignal RS eingeschalteten Wandlereinheiten dargestellt ist. Die vier Spalten auf der rechten Seite veranschaulichen, welche der Schaltwandlereinheiten 11-14 jeweils eingeschaltet ist, wobei ein dunkel ausgefülltes Feld eine eingeschaltete Schaltwandlereinheit markiert.
Fig. 4b zeigt den der Tabelle 4a entsprechenden zeitlichen Verlauf des Regelsignals RS sowie der Ansteuersignale S1-S4 über der Zeit, wobei angenommen ist, dass das Regelsignal RS und entsprechend die Ansteuersignale S1-S4 im Takt eines Taktsignals mit der Frequenz f = 1/T vorliegen.
Die Tabelle in Fig. 4a und die zeitlichen Verläufe gemäß Fig. 4b zeigen, dass mit zunehmender Amplitude des Regelsignals RS mehr Schaltwandlereinheiten eingeschaltet werden, wobei bei einer Amplitude des Regelsignals RS ungleich Null die Schaltwandlereinheit 11 stets eingeschaltet ist, während die Schaltwandlereinheiten 11, 12 und 13 nacheinander mit steigender Amplitude zugeschaltet werden.
Eine steigende Amplitude des Regelsignals RS kann zum einen daraus resultieren, dass sich das Einstellsignal ES geändert hat, um nun eine andere Ausgangsspannung Uout einzustellen, für welche eine geänderte Leistungsaufnahme erforderlich ist, oder dass sich aufgrund einer Lastschwankung an der Ausgangsklemme OUT die Ausgangsspannung Uout geändert hat, so dass eine geänderte Leistungsaufnahme erforderlich ist, um die Ausgangsspannung Uout auf den durch das Einstellsignal ES vorgegebenen Sollwert nachzuregeln.
Das Regelsignal RS, aus dem Ansteuersignale S2-S4 für vier Schaltwandlereinheiten 11-14 erzeugt werden, ist ein digitales Signal der Länge 3 Bit, wobei in Fig. 5a im linken Teil der Tabelle Werte von 0 bis 4 dieses Regelsignals RS in binärer Form dargestellt sind, wobei RS[1] das niederwertigste Bit und RS[3] das höchstwertigste Bit dieses Regelsignals darstellt. Im rechten Teil der Tabelle sind abhängig vom Wert des Regelsignals die jeweils eingeschalteten Schaltwandlereinheiten durch eine 1 und die jeweils ausgeschalteten Schaltwandlereinheiten durch eine 0 dargestellt.
Fig. 5b zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Ansteuerlogik 40 zur Bereitstellung der Ansteuersignale S1-S4 abhängig von einzelnen Bits RS[1], RS[2], RS[3] des digitalen Regelsignals. Entsprechend Fig. 4 und der daraus entwickelten Tabelle in Fig. 5a wird der Schaltwandler 11 über das ersten Ansteuersignal S1 immer angesteuert, wenn das Regelsignal RS größer 0 ist, wenn also eines der Bits größer 1 ist, so dass dieses Ansteuersignal S1 am Ausgang eines Oder-Glieds ODER1 bereitsteht, dem die drei Bits des Regelsignals RS zugeführt sind. Das zweite Ansteuersignal S2 steht am Ausgang eines Oder-Glieds ODER2 zur Verfügung, dem das höchstwertige Bit RS[3] und das Bit RS[2] zugeführt sind.
Das Ansteuersignal S3 resultiert aus einer Oder-Verknüpfung des höchstwertigen Bits RS[3] und eines aus einer Und- Verknüpfung des niederwertigsten Bits und des Bits RS[2] hervorgegangenen Signals.
Das Ansteuersignal S4 entspricht dem höchstwertigen Bit RS[3].
In der bisherigen Darstellung wurde davon ausgegangen, dass die Ansteuersignale S1-S4 zweiwertige Signale sind, die jeweils für die Dauer der Taktperiode, mit welcher das Regelsignal RS anliegt, einen High-Pegel oder einen Low-Pegel annehmen, um dadurch die Schaltwandlereinheiten ein- oder auszuschalten
Selbstverständlich können die Pulssignalgeneratoren, von denen einer in Fig. 2 dargestellt ist, auch Bestandteil der Ansteuerlogik sein, so dass am Ausgang der Ansteuerlogik 40 bereits getaktete, zur Ansteuerung der Schalter in den Schaltwandlereinheiten geeignete Signale anliegen.
Fig. 6 zeigt eine Tabelle entsprechend Fig. 4a, für ein weiteres Ansteuerschema der Schaltwandlereinheiten 11-14 abhängig von dem Regelsignal. Bei diesem Schema werden die Schaltwandlereinheiten 11-14 zyklisch angesteuert, d. h. bei einer Amplitude des Regelsignals von 1 werden beispielsweise nacheinander die Schaltwandlereinheiten 11, 12, 13 und 14 angesteuert. Bei einer Amplitude von 3 wechselt die jeweils nicht angesteuerte Schaltwandlereinheit zyklisch.
Abschließend zeigt Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel eines digitalen Reglers 30. Dieser digitale Regler 30 umfasst einen Subtrahierer, der aus dem Eingangssignal ES und dem digitalen von der Ausgangsspannung abhängigen Signal US ein digitales Differenzsignal RS' bereitstellt, welches zum einen einem Integrierer INT zugeführt ist und zum anderen zu dem Ausgangssignal des Integrierers INT hinzuaddiert wird, um das Regelsignal RS zu bilden. Der in Fig. 7 dargestellte Regler besitzt Proportional-Integral-Verhalten. Die Zeitkonstante des digitalen Integrierers INT ist vorzugsweise groß gegenüber der Taktperiode, mit der das digitale Regelsignal RS bereitgestellt wird.
Nimmt bei dem erfindungsgemäßen Schaltwandler die Ausgangsspannung Uout und damit das digitale Ausgangsspannungssignal US zu, so sinkt das Regelsignal RS und die Anzahl der über die Ansteuerlogik 40 eingeschalteten Schaltwandlereinheiten wird verringert, um die Leistungsaufnahme zu reduzieren und einem weiteren Anstieg der Ausgangsspannung Uout entgegen zu wirken. Sinkt die Ausgangsspannung Uout und damit das digitale Ausgangsspannungssignal US, so steigt das Regelsignal RS und die Anzahl eingeschalteten Schaltwandeleinheiten wird erhöht, um dadurch die Leistungsaufnahme zu erhöhen und dadurch einem weiteren Absinken der Ausgangsspannung Uout entgegen zu wirken. Eine Erhöhung des Einstellsignals ES vergrößert das Regelsignal RS und damit die Ausgangsspannung Uout, während ein kleiner werdendes Einstellsignal ES das Regelsignal RS und damit die Ausgangsspannung Uout verkleinert.
Der erfindungsgemäße Schaltwandler ist selbstverständlich nicht auf die Verwendung von vier Schaltwandlereinheiten beschränkt. Selbstverständlich können beliebig viele parallel geschaltete Schaltwandlereinheiten verwendet werden. Der erfindungsgemäße Schaltwandler funktioniert selbst bei Verwendung nur einer Schaltwandlereinheit, wobei das digitale Regelsignal RS dann lediglich ein Regelsignal der Länge 1 Bit ist, welches direkt zum Ein- und Ausschalten der Schaltwandlereinheit verwendet werden kann, wobei der eine Schaltwandler dann eingeschaltet ist, wenn das Regelsignal Eins ist, und ausgeschaltet ist, wenn das Regelsignals RS Null ist.
Bei der Erläuterung der Erfindung wurde davon ausgegangen, dass bei mehreren parallelen Schaltwandlereinheiten die einzelnen Schaltwandlereinheiten in eingeschaltetem Zustand über der Zeit eine jeweils konstante Leistungsaufnahme besitzen, was beispielsweise dadurch erreicht werden kann, dass die Schalter SW1i, SW2i mit einem Ansteuersignal PSi angesteuert werden, das einen konstanten Duty-Cycle besitzt.
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, auch Schaltwandlereinheiten zu verwenden deren Leistungsaufnahme beispielsweise abhängig von der Ausgangsspannung Uout schwankt. Hierzu ist in der jeweiligen Schaltwandlereinheit eine Regelschleife vorgesehen, die abhängig von der Ausgangsspannung Uout die Pulsdauern des Ansteuersignals PSi in eingeschaltetem Zustand der jeweiligen Schaltwandlereinheit variiert. Der Pulssignalgenerator PGi ist dann als Pulsweitenmodulator ausgebildet, der ein Ansteuersignal PSi mit Impulsen variabler Zeitdauer, die von der Ausgangsspannung abhängt, erzeugt, wobei der Pulssignalgenerator PGi durch das Ansteuersignal Si ein- und ausgeschaltet wird, das heißt ein gepulstes Ausgangssignal mit variabler Impulsdauer PSi oder ein konstantes Ausgangssignal PSi (zum Öffnen des Schalters SW1i) bereitstellt. Bezugszeichenliste ADD1 Subtrahierer
ADD2 Addierer
DRV1i, DRV2i Treiberschaltungen
ES digitales Eingangssignal
GND Bezugspotential
IN1, IN2, IN3, IN4 Ansteuereingänge
INi Ansteuereingang
INT Integrierer
INV Inverter
Li induktives Speicherelement
ODER1, ODER2, ODER3 Oder-Glieder
Out Ausgang
Out1, Out2, Out3, Out4 Spannungsausgänge
OUTi Ausgang
PGi Pulssignalgenerator
PSi getaktetes Ansteuersignal
RS' Differenzsignal
RS digitales Regelsignal
S1, S2, S3, S4 Ansteuersignale
Si Ansteuersignal
SW1i, SW2i Schalter
Uin Eingangsspannung
UND1 UND-Glied
Uout Ausgangsspannung
US digitales Ausgangsspannungssignal
10 Schaltwandlerstufe
20 Analog-Digital-Wandler
30 digitale Regelschaltung
11, 12, 13, 14 Schaltwandlereinheit
50 Integrierer

Claims

1. Schaltwandler, der folgende Merkmale aufweist:

- eine Wandlerstufe (10) mit Eingangsklemmen zum Anlegen einer Eingangsspannung (Uin), wenigstens einem Ansteuereingang (IN1, IN2, IN3, IN4) zur Zuführung eines Ansteuersignals (S1, S2, S3, S4) und einer Ausgangsklemme (OUT), an der eine Ausgangsspannung (Uout) bereitsteht,

- einen Analog-Digital-Wandler (20) mit einem Eingang, dem ein von der Ausgangsspannung (Uout) abhängiges Signal zugeführt ist, und mit einem Ausgang,

- ein digitales Filter (30) mit einem ersten Eingang, der an den Ausgang des Analog-Digital-Wandlers (20) angeschlossen ist, mit einem zweiten Eingang, dem ein digitales Einstellsignal (Es) zugeführt, und mit einem Ausgang, an dem ein digitales Regelsignal (RS) zur Verfügung steht, wobei das Ansteuersignal (S1, S2, S3, S4) von dem Regelsignal abhängig ist.

2. Schaltwandler nach Anspruch 1, der folgendes weiteres Merkmal aufweist:

- eine Ansteuerlogik (40) mit einem Eingang, dem das digitale Regelsignal (RS) zugeführt ist und mit wenigstens einem Ausgang, an dem das Ansteuersignal anliegt, das von dem Regelsignal abhängig ist.

3. Spannungswandleranordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Wandlerstufe (10) wenigstens eine erste und zweite Schaltwandlereinheit (11, 12, 13, 14) aufweist die parallel an die Ausgangsklemme (OUT) angeschlossen sind, und wobei die Ansteuerlogik (40) eine der Anzahl der parallel geschalteten Schaltwandlereinheiten (11, 12, 13, 14) entsprechende Anzahl Ansteuersignale (S1, S2, S3, S4) abhängig von dem digitalen Regelsignal bereitstellt.

4. Spannungswandleranordnung nach Anspruch 3, bei dem die Schaltwandlereinheiten (11, 12, 13, 14) als Abwärtswandler ausgebildet sind.

5. Spannungswandleranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das digitale Filter (30) ein Regelsignal bereitstellt, das von der Differenz des am zweiten Eingang anliegenden Einstellsignals (ES) und des am ersten Eingang anliegenden Ausgangssignals des Analog-Digital-Wandlers (AD) abhängig ist.

6. Spannungswandleranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die von der Ansteuerlogik (40) bereitgestellten Ansteuersignale (S1, S2, S3, S4) die Schaltwandlereinheiten (11, 12, 13, 14) einschalten oder ausschalten.

7. Spannungswandleranordnung nach Anspruch 5, bei dem jede Schaltwandlereinheit (11, 12, 13, 14) wenigstens einen die Leistungsaufnahme der jeweiligen Schaltwandlereinheit (11, 12, 13, 14) regelnden Schalter (SW1i, SW2i) aufweist, der getaktet nach Maßgabe des jeweiligen Ansteuersignals (Si) angesteuert ist.

8. Spannungswandleranordnung nach Anspruch 6, bei der jede Schaltwandlereinheit einen Pulssignalgenerator (PGi) zur Bereitstellung eines von dem jeweiligen Ansteuersignal (Si) abhängigen Ansteuersignals (PSi) für den wenigstens einen Schalter (SW1i, SW2i) aufweist.

9. Spannungswandleranordnung nach Anspruch 7, bei dem der Pulssignalgenerator (PGi) nach Maßgabe des Ansteuersignals (Si) ein getaktetes Ansteuersignal (PSi) mit einem konstanten Duty-Cycle oder ein Ansteuersignal mit einer konstanten Amplitude bereitstellt.

10. Spannungswandleranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die von der Ansteuerlogik bereitgestellten Ansteuersignale (S1, S2, S3, S4) Ansteuersignale zur Ansteuerung wenigstens eines in jeder der Schaltwandlereinheiten (11, 12, 13, 14) vorhandenen Schalters (SW1i, SW2i) ist.

11. Spannungswandleranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der dem Eingang des Analog-Digital-Wandlers (20) ein Integrierer (50) vorgeschaltet ist.

12. Spannungswandleranordnung nach Anspruch 10, bei der der Integrierer eine kurze Zeitkonstante aufweist, die einige Perioden der Ansteuerimpulse der Ansteuersignale (S1, S2, S3, S4) umfasst.

13. Spannungswandleranordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Ausgangsklemme (OUT) ein Ausgangskondensator (Cout) nachgeschaltet ist, über dem die Ausgangsspannung (Uout) anliegt.

14. Verfahren zur Wandlung einer Eingangsspannung (Uin) in eine von einem digitalen Einstellsignal (ES) abhängige Ausgangsspannung (Uout), das folgende Verfahrensschritte umfasst:

- Bereitstellen einer Schaltwandlerstufe (10) mit Eingangsklemmen zur Zuführung einer Eingangsspannung (Uin), Ausgangsklemmen zur Bereitstellung der Ausgangsspannung (Uout) und einem Ansteuereingang,

- Wandeln eines von der Ausgangsspannung (Uout) abhängigen Signals in ein digitales von der Ausgangsspannung abhängiges Signal,

- Bereitstellen eines digitalen Regelsignals (RS), das von einem digitalen Einstellsignal (ES) und dem digitalen von der Ausgangsspannung abhängigen Signal abhängig ist,

- Ansteuern der Schaltwandlerstufe abhängig von dem digitalen Regelsignal (RS).

15. Verfahren nach Anspruch 14, bei dem die Schaltwandlerstufe wenigstens zwei Schaltwandlereinheiten (11, 12, 13, 14) aufweist, die parallel an die Ausgangsklemme (OUT) angeschlossen sind, und die abhängig von dem digitalen Regelsignal (RS) angesteuert werden.

16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem die Schaltwandlereinheiten (11, 12, 13, 14) abhängig von dem digitalen Regelsignal (RS) eingeschaltet oder ausgeschaltet werden.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Schaltwandlereinheiten (11, 12, 13, 14) in eingeschaltetem Zustand mit einem Ansteuersignal (S1, S2, S3, S4) mit konstantem Duty-Cycle angesteuert werden.

18. Verfahren nach Anspruch 16, bei dem die Schaltwandlereinheiten (11, 12, 13, 14) in eingeschaltetem Zustand mit einem Ansteuersignal (S1, S2, S3, S4) mit einem von der Ausgangsspannung (Uout) abhängigen Duty-Cycle angesteuert werden.

19. Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 18, bei dem das digitale Regelsignal (RS) getaktet in einem ersten Takt (1/T) bereitgestellt wird und bei dem die Ansteuersignale (S1, S2, S3, S4) zur Bewirkung eines eingeschalteten Zustands der jeweiligen Schaltwandlereinheit (11, 12, 13, 14) Ansteuerimpulse in einem Takt aufweisen, der diesem ersten Takt entspricht oder ein Vielfaches davon ist, und bei dem die Ansteuersignale (S1, S2, S3, S4) zur Bewirkung eines ausgeschalteten Zustands der jeweiligen Schaltwandlereinheit (11, 12, 13, 14) keine Ansteuerimpulse aufweisen.