Gleichspannungswandler und Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannungswandlers

Die Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, bei welchem durch Schalten eines Spulenstroms einer Spule eine elektrische Ausgangsgröße, beispielsweise die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom, auf einen Sollwert eingeregelt wird. Zu der Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Betreiben des

Gleichspannungswandlers .

Das Schalten des Spulenstroms zum Einregeln der elektrischen Ausgangsgröße kann mittels einer hysteretischen Regelung (Zweipunktregelung) erfolgen, also durch Abschalten des Spulenstroms, falls dieser größer als ein erster Vergleichswert ist, der hier und im Folgenden als Peak-Vergleichswert (Spit ^¬ zenvergleichswert) bezeichnet ist, und durch Wie- der-Eingeschalten des Spulenstroms, wenn er soweit abgesunken ist, dass er kleiner als ein zweiter Vergleichswert ist, der hier und im Folgenden als Valley-Vergleichswert (Tiefpunktver ^¬ gleichswert) bezeichnet ist. Eine weitere Bezeichnung für den Peak-Vergleichswert ist oberer Schwellenwert und eine weitere Bezeichnung für den Valley-Vergleichswert ist unterer

Schwellenwert. In der Regel wird als der Peak-Vergleichswert die größte zulässige Stromstärke eingestellt (peak-current mode control) . Dies ist beispielsweise in der US 7626370 Bl be ^¬ schrieben . Ein weiterer hysteretischer Regler für den Spulenstrom eines Gleichspannungswandlers ist aus der US 8779731 B2 bekannt.

Ein Gleichspannungswandler mit hysteretischer Steuerung ist auch aus der US 8 957 607 B2 bekannt.

Die Erfindung basiert ebenfalls auf einem Gleichspannungswandler mit einer solchen hysteretischen Schaltersteuerung für ein Schaltelement zum Schalten des Spulenstroms der elektrischen Spule. Als Schaltelement kann beispielsweise ein Transistor, insbesondere ein MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) vorgesehen sein. Hierbei wird der Spulenstrom in Bezug auf seine Stromstärke überwacht, indem eine Strommess- Schaltung dazu eingerichtet ist, ein durch den Spulenstrom oder (bei einer ebenfalls möglichen Regelung des Eingangsstroms) durch einen Eingangsstrom des Gleichspannungswandlers verursachtes Strommesssignal zu erzeugen. Die besagte hysteretische Schaltersteuerung ist dazu eingerichtet, das Schaltelement elektrisch sperrend zu schalten, falls das Strommesssignal einen Spulenstrom größer als der besagte Peak-Vergleichswert sig ^¬ nalisiert. Die Schaltersteuerung schaltet das Schaltelement dann erst wieder elektrisch leitend, falls das Strommesssignal einen Spulenstrom kleiner als der Valley-Vergleichswert signalisiert, der (echt) kleiner als der Peak-Vergleichswert ist.

Eine Alternative zu einer solchen hysteretischen Schalters ^¬ teuerung ist ein Regler, welcher die elektrische Ausgangsgröße des Gleichspannungswandlers unmittelbar auf einen Sollwert einregelt, also nicht zwischen zwei Vergleichswerten pendeln oder oszillieren lässt. Dies ergibt eine Regelung der

elektrischen Ausgangsgröße direkt auf einen Mittelwert. Bei der hysteretischen Regelung muss dagegen ausgehend von den Vergleichswerten sichergestellt werden, dass sich im Mittelwert der gewünschte Sollwert ergibt. Dafür weist die hysteretische

Schaltersteuerung aber den Vorteil auf, dass sie robuster gegen Schwankungen der Eingangsspannung ist und schneller auf einen Lastwechsel reagiert. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Ausgangsgröße eines Gleichspannungswandlers zu regeln.

Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Pa ^¬ tentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Er- findung sind durch die abhängigen Patentansprüche, die folgende Beschreibung sowie die Figuren beschrieben. Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler, aufweisend:

- eine elektrische Spule,

- ein Schaltelement zum Steuern eines elektrischen Spulenstromes der Spule,

- eine Strommessschaltung, die dazu eingerichtet ist, ein mit dem Spulenstrom oder mit einem Eingangsstrom des Gleichspannungswandlers korreliertes Strommesssignal zu erzeugen, und

- eine hysteretische Schaltersteuerung, die dazu eingerichtet ist, das Schaltelement elektrisch sperrend zu schalten, falls das

Strommesssignal einen Spulenstrom größer als ein

Peak-Vergleichswert signalisiert, und das Schaltelement elektrisch leitend zu schalten, falls das Strommesssignal einen Spulenstrom kleiner als ein Valley-Vergleichswert signalisiert.

Um das beschriebene hysteretische Schalten, wie es die

Schaltersteuerung durchführt, dahingehend zu konfigurieren, dass der Spulenstrom um einen gewünschten Mittelwert pendelt oder oszilliert, also direkt auf den Mittelwert eingeregelt wird, ist gemäß dieses Aspekts der Erfindung Folgendes vorgesehen. Die einzuregelnde Ausgangsgröße wird mittels einer Messschaltung gemessen, die hier als Istwertmessschaltung bezeichnet ist und die dazu eingerichtet ist, ein mit der elektrischen Aus ^¬ gangsgröße, zum Beispiel der Ausgangsspannung oder dem Aus- gangsstrom oder der Ausgangsleistung, korreliertes Istwertsignal zu erzeugen. Anhand des Istwertsignals kann also der aktuelle Wert der Ausgangsgröße ermittelt werden. Die Ist ^¬ wertmessschaltung ist nun nicht direkt mit der Schaltersteuerung für das Schaltelement gekoppelt, sondern dazwischen ist eine Reglereinheit geschaltet. Die Reglereinheit ist dazu einge ^¬ richtet, die Ausgangsgröße auf einen vorgegebenen Sollwert einzuregeln. In Abhängigkeit von einer Regelabweichung des Istwertsignals von dem Sollwert kann ein Vergleichswertsignal für die Schaltersteuerung erzeugt werden. Die Reglereinheit regelt also nicht direkt das Schaltelement, sondern gibt nur der nachgeschalteten Schaltersteuerung ein Vergleichswertsignal vor, aus welchem die Schaltersteuerung dann die beiden benötigten Vergleichswerte, nämlich den Peak-Vergleichswert und den Va ^¬ lley-Vergleichswert erzeugt.

Die Schaltersteuerung kann dafür eingerichtet sein, aus dem Vergleichswertsignal direkt den Peak-Vergleichswert zu er ^¬ zeugen, also direkt das Vergleichswertsignal zum Angeben des Peak-Vergleichswerts zu nutzen. Die Schaltersteuerung gemäß des genannten Aspekts der Erfindung ist dafür eingerichtet, zu ^¬ mindest einen Mittelwert des Peak-Vergleichswerts anhand des Vergleichswertsignals festzulegen oder einzustellen. Dieser

Aspekt der Erfindung wird später noch im Zusammenhang mit einer spektralen Spreizung genauer beschrieben.

Den Valley-Vergleichswert stellt die Schaltersteuerung ein, indem sie aus dem Vergleichswertsignal durch Subtrahieren eines Rippelwerts den Valley-Vergleichswert erzeugt. Der Rippelwert gibt also die Amplitude oder Oszillationsbreite an, mit welcher der Spulenstrom zwischen dem Peak-Vergleichswert und dem Valley-Vergleichswert pendelt oder oszilliert. Der

Peak-Vergleichswert und der Valley-Vergleichswert werden also indirekt durch die Reglereinheit mittels des Vergleichswert ^¬ signals in der Weise verschoben oder eingestellt, dass ein Mittelwert der Ausgangsgröße auf den Sollwert einpendelt oder eingeregelt wird.

Durch den genannten Aspekt der Erfindung ergibt sich der Vorteil, dass die Ausgangsgröße durch die Reglereinheit auf einen Mittelwert eingeregelt wird und somit nicht umständlich aus einer Spitzenstromregelung zurück auf einen Mittelwert gewandelt werden muss. Dabei bleibt aber die Regel-Bandbreite des hys- teretischen Schaltens und die Robustheit gegenüber Schwankungen der Eingangsspannung, wie sie durch das hysteretische Schalten gegeben ist, erhalten. Der Gleichspannungswandler kann dabei als Aufwärtswandler oder als Abwärtswandler ausgestaltet sein. Wie bereits ausgeführt, kann die Schaltersteuerung von der Reglereinheit das Vergleichswertsignal empfangen und in Bezug auf den Peak-Vergleichswert aus dem Vergleichswertsignal le ^¬ diglich einen Mittelwert für den Peak-Vergleichswert bilden. Mit anderen Worten ist der Peak-Vergleichswert durch ein Zeitsignal gegeben, das um den Mittelwert oszilliert. Dies kann erreicht werden, indem die Schaltersteuerung dazu eingerichtet ist, das Vergleichswertsignal mit einem mittelwertfreien Spreizsignal einer AC-Spannungsquelle zu kombinieren, dieses also bei- spielsweise dem Vergleichswertsignal additiv zu überlagern, und somit aus dem kombinierten Signal den Peak-Vergleichswert erzeugt. Das Spreizsignal kann beispielsweise ein Sägezahnsignal oder ein Dreiecksignal oder ein Sinussignal sein. Hierdurch wird eine Spreizung des Spektrums des zeitlichen Verlaufs des Spulenstroms bewirkt. So kann die elektromagnetische Ver ^¬ träglichkeit (EMV) des Gleichspannungswandlers mittels des Spreizsignals eingestellt oder justiert werden.

Zu der Erfindung gehören auch optionale technische Merkmale, durch die sich zusätzliche Vorteile ergeben.

In einer Ausführungsform ist die Reglereinheit dazu einge ^¬ richtet, die Regelabweichung als Unterschied zwischen dem Istwertsignal und einem vorgegebenen Referenzsignal zu er- mittein.

Die Schaltersteuerung schaltet das Schaltelement, um hierdurch den Spulenstrom zu schalten, und erfasst die tatsächliche Stromstärke des Spulenstroms in Form des beschriebenen

Strommesssignals. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schal ^¬ tersteuerung dazu eingerichtet ist, das Strommesssignal mittels eines jeweiligen Komparators mit dem Peak-Vergleichswert ei ^¬ nerseits und dem Valley-Vergleichswert andererseits zu ver ^¬ gleichen. Hierdurch ist eine Trennung der elektrischen Po- tenziale möglich, indem als Komparatoren beispielsweise po ^¬ tenzialgetrennte Verstärker verwendet werden. In Abhängigkeit von einem Ergebnis der Ausgabe der Komparatoren ist dann das Schaltelement zu steuern. Hierbei ist bevorzugt vorgesehen, dass die Schaltersteuerung über ein RS-Flip-Flop mit einem Steueranschluss oder Gate-Anschluss des Schaltelements verschaltet ist. Hierdurch können die beiden Ausgangssignale der Komparatoren kombiniert werden und zu einem einzigen Schaltsignal für den Gate-Anschluss des Schaltelements zusammengefasst werden. Die Ergebnisse des jeweiligen Vergleichs mit dem Peak-Vergleichswert und dem Valley-Vergleichswert stellen dann ein Eingangssignal für den Set-Eingang und den Reset-Eingang des RS-Flip-Flops dar.

Zwei weitere Ausgestaltungen der Erfindung betreffen das Erzeugen des Strommesssignals. Die Strommessschaltung kann hierzu eingerichtet sein, das Strommesssignal mittels eines von dem Spulenstrom durchflossenen Shuntwiderstands , d.h. eines ohm- schen Widerstandselements, zu erzeugen. Dies ermöglicht eine genaue Messung der Stromstärke. Allerdings ist diese ver ^¬ lustbehaftet .

Um die elektrischen Verluste zu verringern, ist alternativ dazu die Stromessschaltung dazu ausgestaltet, das Strommesssignal mittels einer der Spule parallel geschalteten oder zumindest die Spule überbrückenden RC-Glied-Schaltung zu erzeugen. Diese Schaltung weist eine Reihenschaltung aus einem ohmschen Widerstandselement R und einer elektrischen Kapazität C auf. Die über der Kapazität C abfallende elektrische Spannung stellt dann ebenfalls ein geeignetes Strommesssignal dar. In Bezug auf die Reglereinheit sieht eine Ausführungsform vor, dass diese Reglereinheit dazu eingerichtet ist, das besagte Vergleichswertsignal für die Schaltersteuerung mittels eines PID-Reglers (PID - Proportional Integral Differenzial ) aus der besagten Regelabweichung zu erzeugen.

Die Schaltersteuerung erzeugt in der beschriebenen Weise aus dem Vergleichswertsignal den Peak-Vergleichswert. Um auch den Valley-Vergleichswert aus dem Vergleichswertsignal zu erzeugen, wird der Rippelwert dem Vergleichswert bevorzugt überlagert, indem ein das Vergleichswertsignal signalisierender Signal ^¬ ausgang der Reglereinheit mit einem Komparatoreingang der Schaltersteuerung über eine zusätzliche Schaltung gekoppelt ist, die eine Rippel-Gleichspannungsquelle zum additiven Überlagern der Rippel-Gleichspannung bereitstellt. Alternativ dazu ist ein Spannungsteiler vorgesehen, durch welchen sich ebenfalls eine Subtraktion eines Rippelwerts schaltungstechnisch bereitstellen oder umsetzen lässt.

Alternativ zu solchen schaltungstechnischen Ausführungsformen umfasst die Erfindung auch eine digitale Ausführung oder Ausgestaltung, indem die Reglereinheit und die Schaltersteuerung durch eine digitale Prozessoreinrichtung bereitgestellt sind. Dies ist aufgrund der beschriebenen Kombination aus Reglereinheit und Schaltersteuerung gemäß der Erfindung möglich. Auch das besagte RS-Flip-Flop kann durch ein digitales Äquivalent nachprogrammiert oder nachgestaltet sein. Die Prozessorein ^¬ richtung kann auf der Grundlage eines MikroControllers oder eines ASIC (Application Specific Integrated Circuit) bereitgestellt sein .

Durch Betreiben eines Gleichspannungswandlers gemäß einer der genannten Ausführungsformen ergibt sich ein Verfahren gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung.

Mit anderen Worten erzeugt eine Strommessschaltung ein

Strommesssignal, das mit einem Spulenstrom der Spule des Gleichspannungswandlers oder mit einem Eingangsstrom des Gleichspannungswandlers korreliert oder durch diesen hervor ^¬ gerufen wird. Eine hysteretische Schaltersteuerung schaltet mittels des Schaltelements, also zum Beispiel mittels eines Transistors, den Spulenstrom ab, also das Schaltelement elektrisch sperrend, falls das Strommesssignal einen Spulenstrom größer als der Peak-Vergleichswert signalisiert. Die Schal ^¬ tersteuerung schaltet das Schaltelement dagegen elektrisch leitend, falls das Strommesssignal einen Spulenstrom kleiner als der Valley-Vergleichswert signalisiert, der kleiner als der Peak-Vergleichswert ist. Zum Einstellen des Peak-Vergleichs ^¬ werts und des Valley-Vergleichswerts ist vorgesehen, dass diese derart variiert oder eingestellt werden, dass der Spulenstrom um einen einstellbaren oder gewünschten Mittelwert derart pendelt, dass ein resultierender Mittelwert der einzuregelnden

elektrischen Ausgangsgröße des Gleichspannungswandlers um einen einstellbaren Sollwert pendelt oder oszilliert. Die Aus ^¬ gangsgröße kann die Ausgangsspannung oder der Ausgangsstrom oder die Ausgangsleistung sein. Die besagte Istwertmessschaltung erzeugt das mit der elektrischen Ausgangsgröße korrelierte

Istwertsignal, aus welchem dann die Reglereinheit die Regel ^¬ abweichung zum Sollwert ermittelt, um das Vergleichswertsignal für die hysteretische Schaltersteuerung bereitzustellen. Die Reglereinheit regelt also indirekt mittels des Vergleichswerts die Ausgangsgröße des Gleichspannungswandlers auf den vorge ^¬ gebenen Sollwert ein.

Die Schaltersteuerung wird hierzu durch die Reglereinheit mittels des Vergleichswertsignals gesteuert, wobei die

Schaltersteuerung aus dem Vergleichswert einerseits einen

Mittelwert des Peak-Vergleichswerts einstellt und andererseits den Valley-Vergleichswert aus dem Vergleichswertsignal durch Subtrahieren eines Rippelwerts erzeugt, wobei die Schalters ^¬ teuerung das Vergleichswertsignal mit einem mittelwertfreien Spreizsignal einer AC-Spannungsquelle kombiniert und aus dem kombinierten Signal den Peak-Vergleichswert erzeugt, sodass der Peak-Vergleichswert durch ein Zeitsignal gegeben ist, das um einen Mittelwert oszilliert. Zu der Erfindung gehören auch Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens, die Merkmale aufweisen, wie sie bereits im Zusammenhang mit den Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers beschrieben worden sind. Aus diesem Grund sind die entsprechenden Weiterbildungen des erfin- dungsgemäßen Verfahrens hier nicht noch einmal beschrieben.

Im Folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung be ^¬ schrieben. Hierzu zeigt: Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers mit einer RC-Glied-Schaltung zur Strom- messung;

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers mit einem Shuntwiderstand zur Strom- messung;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers mit einem Spannungsteiler zum Be- reitstellen eines Rippelwerts ; und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Gleichspannungswandlers, die eine Abwärtswandlung

(Buck-Konverter) bereitstellt.

Bei den im Folgenden erläuterten Ausführungsbeispielen handelt es sich um bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung. Bei den Ausführungsbeispielen stellen die beschriebenen Komponenten der Ausführungsformen jeweils einzelne, unabhängig voneinander zu betrachtende Merkmale der Erfindung dar, welche die Erfindung jeweils auch unabhängig voneinander weiterbilden und damit auch einzeln oder in einer anderen als der gezeigten Kombination als Bestandteil der Erfindung anzusehen sind. Des Weiteren sind die beschriebenen Ausführungsformen auch durch weitere der bereits beschriebenen Merkmale der Erfindung ergänzbar.

In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente jeweils mit denselben Bezugszeichen versehen.

Fig. 1 zeigt einen Gleichspannungswandler 10, der als Aufwärtswandler (Boost-Konverter) ausgestaltet ist. In Fig. 1 sind eine Reglereinheit 11 und eine Schaltersteuerung 12 der Übersichtlichkeit halber separat gezeichnet. Die Verbindung mit den übrigen Elementen des Gleichspannungswandlers 10 ist durch entsprechende Signalfahnen oder Signalübergänge gekennzeichnet. Der Gleichspannungswandler 10 kann beispielsweise in einem Kraftfahrzeug bereitgestellt sein. Mittels des Gleichspan ^¬ nungswandlers 10 kann beispielsweise ein elektrischer Strom durch eine Leuchtdiode oder durch eine Serienschaltung oder Reihenschaltung aus Leuchtdioden gesteuert sein.

Der Gleichspannungswandler 10 kann eine elektrische Spule 13 mit einem Induktivitätswert LI aufweisen, die einen ohmschen Widerstandswert DCR aufweisen kann. Zum Schalten oder Einstellen eines Spulenstroms 14 durch die Spule 13 kann ein Schaltelement 15 vorgesehen sein, das hier als Transistor Ml, beispielsweise als MOSFET, ausgestaltet sein kann. Bei sperrend geschaltetem Schaltelement 15 wird der Spulenstrom 14 durch eine Gleichrichtdiode Dl zu einem Ausgang OUT des Gleichspannungswandlers 10 geführt.

Den Spulenstrom 14 kann der Gleichspannungswandler 10 über einen Eingang IN aus einer Spannungsquelle Vin empfangen. Zum Glätten der Eingangsspannung kann ein Glättungskondensator Cin am Eingang IN vorgesehen sein. Stromkreise können bei dem

Gleichspannungswandler 10 über ein Massepotential GND geschlossen sein.

Eine Ausgangsspannung U des Gleichspannungswandlers 10 kann mittels eines Glättungskondensators Cout geglättet sein, welcher den Ausgang OUT mit dem Massepotential GND koppelt. Der

Gleichspannungswandler 10 kann des Weiteren eine Diode D2 zum Überbrücken der Spule 13 aufweisen. Die Diode D2 dient dazu, den Inrush-Strom oder Vorladestrom für den Glättungskondensator Cout umzuleiten und nicht durch die Spule LI fließen lassen.

Ein Spannungswert der Ausgangsspannung U kann mittels einer Istwertmessschaltung 16 erfasst werden, die am Ausgang OUT beispielsweise durch einen Spannungsteiler aus Widerstandse- lementen Rl, R2 gebildet sein kann. Die Istwertmessschaltung 16 erzeugt ein Istwertsignal FB.

Die Ausgangsspannung U kann eine geregelte Ausgangsgröße sein. Eine Stromstärke des Spulenstroms 14 kann hierzu mittels einer Strommessschaltung 17 gemessen werden, die in dem gezeigten Beispiel aus einer RC-Glied-Schaltung 18 aus einem Widerstandselement Rsense und einem Kondensator Csense gebildet sein kann. Über den Kondensator Csense fällt in Abhängigkeit von einer Stromstärke des Spulenstroms 14 eine elektrische Spannung ab, die ein Strommesssignal Vsense darstellt. Die RC-Glied-Schaltung 18 überbrückt die Spule 13; sie ist der Spule 13 also nicht vorgeschaltet oder nachgeschaltet, sodass eine verlustarme Strommessung möglich ist.

Das Schaltelement 15 kann über einen Gate-Eingang GATE geschaltet werden, um das Schaltelement 15 hierdurch zwischen einem elektrisch leitenden und einem elektrisch sperrenden Zustand zu schalten .

Zum Erzeugen eines Schaltsignals für den Gate-Anschluss GATE kann dieser mit der hysteretischen Schaltersteuerung 12 verschaltet sein, indem Komparatoren 19, 20 mit ihren Komparatorausgängen über ein RS-Flip-Flop 21 mit dem Gate-Anschluss GATE verschaltet sein können. Der Komparator 19 kann das Strommesssignal Vsense mit einem Peak-Vergleichswert 22 vergleichen und signalisieren, falls das Strommesssignal Vsense größer als der Peak-Vergleichs ^¬ wert 22 ist. Hierdurch wird das Flip-Flop 21 am Reset-Eingang R zurückgesetzt und damit das Schaltelement 15 elektrisch sperrend geschaltet. Der Komparator 20 kann einen Vergleich des

Strommesssignals Vsense mit einem Valley-Vergleichswert 23 durchführen und signalisieren, falls das Strommesssignal Vsense kleiner als der Valley-Vergleichswert 23 ist, wodurch der Set-Eingang S des Flip-Flops gesetzt wird und somit das

Schaltelement 15 in einen elektrisch leitenden Zustand ge ^¬ schaltet wird. Im Zusammenhang mit der Schaltersteuerung 12 ist das Strommesssignal Vsense symbolisch als Spannungsquelle repräsentiert . Der Peak-Vergleichswert 22 kann aus einem Vergleichswertsignal 24 erzeugt werden, das die Reglereinheit 11 in der im Weiteren beschriebenen Weise an einem Signalausgang Ro erzeugen kann. Hierzu kann direkt das Vergleichswertsignal 24 an einem Kom- paratoreingang des Komparators 19 als Peak-Vergleichswert 22 genutzt werden. Alternativ dazu kann ein mittelwertfreies Spreizsignal Vspread dem Vergleichswertsignal 24 additiv überlagert werden, was gemäß Fig. 1 durch eine Spannungs- quellenschaltung bewirkt ist, die auf einem Transistor beruhen kann .

Der Valley-Vergleichswert 23 kann aus dem Vergleichswertsignal 24 mittels eines Rippelwerts Vripple erzeugt werden, der dem Vergleichswertsignal 24 additiv überlagert werden kann. Der

Rippelwert kann mittels einer Rippel-Gleichspannungsquelle Vr beaufschlagt werden, die beispielsweise auf der Grundlage einer Transistorschaltung gebildet sein kann. Das Vergleichswertsignal 24 kann durch die Reglereinheit 11 auf der Grundlage einer PID-Regelung mittels eines PID-Reglers 25 erzeugt werden. Dieser empfängt eine Regelabweichung 26, die einem Unterschied zwischen dem Istwertsignal FB und einem Sollwert Vref entspricht. Der Sollwert Vref ist symbolisch durch eine Spannungsquelle repräsentiert, die ein elektrisches

Sollwertsignal darstellt. Der Regelabweichung 26 kann mittels eines Subtrahierers 27 ermittelt werden.

Fig. 2 beschreibt einen Gleichspannungswandler 10, der wie der Gleichspannungswandler 10 von Fig. 1 aufgebaut oder ausgestaltet sein kann und lediglich die im Folgenden beschriebenen Unterschiede aufweist.

Anstelle der RC-Glied-Schaltung 18 kann als Strommessschaltung 17 zum Erzeugen des Strommesssignals Vsense ein Shuntwiderstand 28 mit einem Widerstandswert Rsense der Spule 13 in Reihe oder in Serie geschaltet sein. Fig. 3 veranschaulicht einen Gleichspannungswandler 10, der wie der Gleichspannungswandler 10 von Fig. 2 ausgestaltet sein kann und sich durch die folgenden Unterschiede auszeichnet. Zum Beaufschlagen des Vergleichswertsignals 24 mit dem Rip- pelwert Vripple ist anstelle einer Gleichspannungsquelle Vr ein Spannungsteiler 29 vorgesehen, mittels welchem aus dem Vergleichswertsignal 24 als Spannungssignal ein reduziertes oder um den Rippelwert Vripple reduziertes Signal zum Bereitstellen des Valley-Vergleichswerts 23 erzeugt wird. Der Spannungsteiler 29 kann aus Widerstandselementen R3, R4 gebildet sein.

Bisher wurden nur Aufwärtswandler beschrieben. Fig. 4 veranschaulicht eine Ausführungsform des Gleichspannungswandlers 10, der eine Abwärtswandlung (Buck-Konverter) erzeugt. Auch hierfür kann eine Kombination aus der Reglereinheit 11 und der Schaltersteuerung 12 in der beschriebenen Weise genutzt oder bereitgestellt werden.

Allgemein können die Gleichspannungswandler 10 wie folgt weiter ausgestaltet werden.

Die Spannung des Strommesssignals Vsense zwischen den Knoten RX und LX wird entweder indirekt, z.B. durch einen High-side-Mess- verstärker mit hoher Common-mode-Eingangsspannung oder direkt zu den (high input common modefähigen) Komparatoren 19, 20 für Peak- und Valley-Erkennung geführt. Man kann sich das so vorstellen, dass diese einen idealisierten, potentialgetrennten Verstärker für die Spannung, die am Csense anliegt, darstellt. Die Peak- und Valley-Komparatoren steuern den RS-Trigger an, der wiederum den Schalter Ml ansteuert.

Vspread hat zur Folge, dass das Hysterese-Band variiert und somit die Schaltfrequenz von Ml im Takt mit der Spannung Vspread moduliert wird. Bei passender Auslegung kann somit eine

Spread-Spectrum-Modulation der Wandler-Schaltfrequenz hergestellt werden. Die Vorgabe für den Peak-Strom in der Drossel LI kommt von einem PID (proportional-integral-derivative) -

Regler, der stets bemüht ist, die Abweichung zwischen der Ist-Größe (in diesem Fall die Ausgangsspannung U, heruntergeteilt durch den Spannungsteiler R1/R2) und dem Sollwert, d.h. die Referenzspannung Vref, auf Null zu führen.

Nun ist das Regelkonzept des vorgeschlagenen Wandlers zu er- kennen: Durch die Festlegung des Spulenstrom-Rippel und somit des Mittelwertes des Spulenstroms als Funktion der Ausgangsspannung ermöglicht er eine schnelle und präzise Average-mode-Regelung, in Boost- wie in Buck-Konfiguration . Im Gegensatz zum Peak-current-mode-control wird nicht der Spitzenwert des Spulenstroms, sondern der Mittelwert des Spulenstroms geregelt. Die Schaltfrequenz ist dabei variabel.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung des vorgeschlagenen Gleichspannungswandlers verzichtet auf die Spannungsquelle

Vripple und macht stattdessen Gebrauch von dem Spannungsteiler Ro/R3/R4 für die Festlegung des Spulenrippel-Stromes . In diesem Fall ist der Spulenrippel nicht mehr konstant, sondern variabel und bedingt durch den Spannungsabfall am Widerstand R4.

Vorteile der gezeigten Merkmale des Gleichspannungswandlers sind :

1. Hohe Regelgeschwindigkeit:

Die hohe Geschwindigkeit ergibt sich durch das fehlende Kom ^¬ pensationsnetzwerk für den hysteretischen Teil vom Regler und den Wegfall einer Slope-Compensation .

2. Kontrollierter Spulenstrom Die zwei hysteretischen Komparatoren für den Peak- und Valleystrom bestimmen den Rippel-Strom in der Wandler-Spule. Somit kann sie vor Sättigung oder hohen Rippel-Strom-Verlusten geschützt werden.

3. Stabilität ohne Slope Kompensation

Bei der Average-mode-control (Mittelwertregelung) ist die sogenannte Slope-Kompensation nicht notwendig.

4. Spread Spectrum

Ein EMV-vorteilhaftes Spread-Spectrum-Modulationsverfahren zur Minimierung der Peakdetektor-Werte ist sehr einfach durch die Zugabe von einer zusätzlichen AC-Spannungsquelle beim

Peak-Komparator möglich.

5. Verlustfreie Strommessung möglich Statt eines Messshunts für den Spulenstrom kann ein RC-Glied parallel zu der Spule verschaltet werden. Es wird der Span ^¬ nungsabfall am Kondensator gemessen.

6. Hohe Genauigkeit

Durch den Einsatz der zwei Regelschleifen, PID und hysteretisch, wird eine hohe Genauigkeit wie bei dem konventionellen

Peak-current-mode-Controller erzielt .

7. Wirtschaftlichkeit

Durch den Wegfall eines Slope-Compensation-Netzwerks und eventuell den Einsatz des RC-Netzwerks zur Spulenstrommessung ist die vorgeschlagene Wandler-Topologie sehr kosteneffizient.

8. Kompatibilität mit digitaler Technologie Durch den Wegfall der Slope-Kompensation ist die Umsetzung des Kontrollers in der digitalen Domäne (digitaler PID-Regler, Flip-Flop und optional eines Analog-Digital-Wandlers für die Komparatoren) sehr leicht möglich.

9. Geeignet, um den Mittelwert des Eingangsstromes zu kon ^¬ trollieren

Bei entsprechender Auslegung des vorgeschlagenen Wandlers (Strommessschaltung am Eingang) ist auch eine Mittelwert- Regelung des Eingangsstromes, z.B. in der Boost-Wandler- Konfiguration möglich, wie sie z.B. bei den Solar-MPPT-Wandlern (MPPT - Maximum Power Point Tracking) verlangt wird. Insgesamt zeigt das Beispiel, wie durch die Erfindung für einen Gleichspannungswandler eine kombinierte hysteretische und PID-basierte Regelung bereitgestellt werden kann.

Bezugs zeichenliste

10 Gleichspannungswandler

11 Reglereinheit

12 SchalterSteuerung

13 Spule

14 Spulenstrom

15 Schaltelement

16 IstwertmessSchaltung

17 StrommessSchaltung

18 RC-Glied-Schaltung

19 Komparator

20 Komparator

21 Flip-Flop

22 Peak-Vergleichswert

33 Valley-Vergleichswerts

24 Vergleichswertsignal

25 PID-Regler

26 Regelabweichung

27 Subtrahierer

28 Shuntwiderstand

Vsense Strommesssignal

FB Istwertsignal

Vripple Rippelwert