本發(fā)明涉及一種控制電路、一種電壓調(diào)節(jié)器以及一種用于運行電壓調(diào)節(jié)器的方法。

背景技術：

在近乎所有電子系統(tǒng)中都使用電壓調(diào)節(jié)器，以便由變化的輸入電壓產(chǎn)生恒定的系統(tǒng)供電電壓?；谄涓叩男释ǔＪ褂枚〞r的電壓轉換器。如果輸入電壓在此始終比待產(chǎn)生的系統(tǒng)供電電壓更高，則經(jīng)常選擇Buck轉換器拓撲(Buck Converter-Topologie)，也稱降壓轉換器

對于輸出電壓的調(diào)節(jié)存在多種方法。首先，在具有恒定頻率的方法(脈沖寬度調(diào)制：PWM)與具有變化頻率的方法(在恒定的開或關時間下的頻率調(diào)制：PFM)之間進行區(qū)分。在具有對電磁發(fā)射(EME)的高要求的系統(tǒng)中優(yōu)選地使用PWM調(diào)節(jié)。

在具有PWM調(diào)節(jié)的系統(tǒng)中已知兩種用于產(chǎn)生PWM信號的方法，它們是電壓模式控制(VMC)和電流模式控制(CMC)。

兩種方法具有個體化的優(yōu)點和缺點并且因此近乎用于相同的范圍中。電壓模式控制的優(yōu)點此外還是，調(diào)節(jié)裝置僅由調(diào)節(jié)環(huán)路組成。缺點例如是環(huán)路增益與輸入電壓Vin的相關性。因此，在具有大Vin范圍的Buck轉換器中必須采取措施，以便補償該相關性并且在共同的Vin范圍中確保穩(wěn)定的調(diào)節(jié)。

技術實現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明，一種用于產(chǎn)生用于電壓調(diào)節(jié)器的鋸齒波電壓的控制電路，所述控制電路具有至少一個電阻和至少一個電容器用于基于輸入電壓產(chǎn)生所述鋸齒波電壓，其中，所述電阻或所述電容器具有多個能夠單獨開關的元件，其中，計數(shù)器控制至少一個元件用于產(chǎn)生不同幅度的鋸齒波電壓并且比較器設置用于當所述鋸齒波電壓達到預給定的電壓時使所述計數(shù)器停止。

根據(jù)本發(fā)明的控制電路具有如下優(yōu)點：尤其對于具有電壓模式控制的Buck轉換器提出用于控制輸入電壓Vin與鋸齒波電壓Vpp的恒定比例的簡單的但穩(wěn)健的方法。本發(fā)明基于在啟動電壓調(diào)節(jié)器之前的參考時間(階段2)之內(nèi)將由控制電路或鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的電壓斜坡(Spannungsrampe)均衡到預給定的電壓值上。在電壓調(diào)節(jié)器的隨后運行中將與輸入電壓成比例的值例如通過分壓器用作控制電路的目標電壓。因此，在階段2中，在輸入電壓變化時提供鋸齒波電壓的盡可能快的匹配。這尤其能夠?qū)崿F(xiàn)：在輸入電壓變化時進行電壓調(diào)節(jié)器的環(huán)路增益的盡可能快的前饋補償，在系統(tǒng)啟動時或根據(jù)需要能夠?qū)崿F(xiàn)前饋路徑的自均衡和/或在半導體工藝技術中或在使用壽命上不再存在環(huán)路增益的在方差上的變化。取而代之地，方差僅僅還取決于時間參考。

還能夠?qū)崿F(xiàn)，計數(shù)器如此開關所述元件，使得電阻的值或電容器的值逐步地改變。借助所述系統(tǒng)性操作能夠?qū)崿F(xiàn)鋸齒波電壓的可靠的和快速的調(diào)整。

在一種特別的實施方式中設置，計數(shù)器是四位計數(shù)器。這允許具有十六層級的高精度。如果以電阻的公差20％和電容器的公差10％、即總公差30％為基礎，則借助四位計數(shù)器實現(xiàn)不足2％的精度或分辨率。如高值的計數(shù)器那樣，也可以使用二位或三位計數(shù)器。已表明，三位或四位計數(shù)器是耗費與可達到的精度之間的好的折衷。

替代地有利地設置，電容器由四個元件組成，所述四個元件中的三個能夠由三位計數(shù)器開關。相對于一個不可開關的基本元件，設置三個可開關的元件，它們的值，也就是說電阻或在此電容優(yōu)選地翻倍。這是簡單的并且極為有效的結構。

根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施方式設置，模擬乘法器提供參考電壓或電壓調(diào)節(jié)器的輸入電壓作為預給定的電壓。因此，可以與電壓調(diào)節(jié)器無關地，即也在電壓調(diào)節(jié)器的運行之前以參考電壓均衡或校準控制電路。此外，所述過程以連續(xù)的參考電壓變得簡化。

根據(jù)本發(fā)明提供一種電壓調(diào)節(jié)器，其具有用于調(diào)整輸出電壓的高低的開關，其中，控制電路如上所述地控制開關。如上所述的同樣的優(yōu)點和改型也適用。

根據(jù)本發(fā)明的一種優(yōu)選的實施方式設置，電壓調(diào)節(jié)器是降壓轉換器。所述構型、尤其以具有電壓模式控制的PWM電壓調(diào)節(jié)器形式的構型特別適合于本發(fā)明。

根據(jù)本發(fā)明的一種用于運行電壓調(diào)節(jié)器的方法，所述電壓調(diào)節(jié)器具有用于調(diào)整輸出電壓的高低的受控的開關，所述方法原則上包括：產(chǎn)生鋸齒波電壓用于控制所述開關，借助具有多個能夠單獨開關的元件的電阻或電容器，改變所述鋸齒波電壓的幅度，并且當所述鋸齒波電壓的幅度達到預給定的電壓幅度的時候保持所述元件的數(shù)量。如上所述的同樣的優(yōu)點和改型也適用。

在一種特別的實施方式中設置，在第一階段中，在所述電壓轉換器的電壓轉換運行狀態(tài)之前預給定參考電壓的所述預給定的電壓幅度，其中，在第二階段中，在所述電壓轉換器電壓轉換運行狀態(tài)中預給定所述電壓轉換器的輸入電壓的所述預給定的電壓幅度。

可以通過計數(shù)器逐步地減小電容器的電容。借助所述系統(tǒng)性操作能夠?qū)崿F(xiàn)鋸齒波電壓的可靠的并且快速的調(diào)整。

附圖說明

根據(jù)附圖和以下的描述進一步闡述本發(fā)明的實施例。附圖示出：

圖1：電壓調(diào)節(jié)器的示意性電路圖；

圖2：用于電壓調(diào)節(jié)器的控制電路的示意性電路圖；以及

圖3：具有控制電路的電壓變化過程的圖表。

具體實施方式

在圖1中示意性地示出電壓調(diào)節(jié)器1。電壓調(diào)節(jié)器1是Buck轉換器(英文：Buck-Converter)，其根據(jù)脈沖寬度調(diào)制(PWM)的原理工作。電壓調(diào)節(jié)器1根據(jù)電壓模式控制(VMC)工作。電壓調(diào)節(jié)器1由時間上變化的輸入電壓Vin產(chǎn)生恒定的電壓Vout，所述恒定的電壓例如用作用于機動車的車載電網(wǎng)的系統(tǒng)供電電壓或用于各個部件——例如控制裝置的系統(tǒng)供電電壓。

電壓調(diào)節(jié)器1具有例如開關晶體管形式的開關2。在開關2后面接地地連接有空載二極管(Freilaufdiode)3。為了降低空載二極管3的開關損耗，可以通過受控的MOSFET來取代所述空載二極管。在空載二極管3后面在縱向方向上布置有線圈4。線圈4具有電感5和繞組電阻6。在線圈4后面接地地連接有具有盡可能小的等效串聯(lián)電阻8的輔助電容器7(Stützkondensator)或濾波電容器7。與電容器7并聯(lián)地連接有負載電阻9，在所述負載電阻上降落輸出電壓Vout。

還設置有控制電路10用于產(chǎn)生鋸齒波電壓Vpp。將鋸齒波電壓Vpp輸送給比較器11，在所述比較器的第二輸入端上施加調(diào)節(jié)脈沖寬度調(diào)制的運算放大器的輸出信號或錯誤信號Verr。比較器11的輸出必要時通過延遲單元12控制開關2。由此，調(diào)整電壓調(diào)節(jié)器1的占空比，所述占空比通過開關的接通持續(xù)時間除以周期持續(xù)時間來定義。

現(xiàn)在借助圖2進一步描述控制電路10?？刂齐娐?0由輸入電壓Vin或Vref產(chǎn)生具有恒定的頻率和變化的幅度的鋸齒波電壓Vpp，所述鋸齒波電壓相應于值k*Vin。其中，值k通過分壓器13來調(diào)整。

控制電路10工作在兩個階段中，它們基本上通過以下方式區(qū)分：在第一階段中由異步乘法器14饋給固定的和所定義的參考電壓Vref。第一階段在時間上處于電壓轉換器1的本身的電壓轉換運行狀態(tài)之前。在可以相應于電壓轉換器1的電壓轉換運行狀態(tài)的第二階段中，由異步乘法器14饋給電壓轉換器1的輸入電壓或輸入電壓的通過分壓器13確定的比例k*Vin。

U/I轉換器(電壓電流轉換器)15將預給定的電壓轉換為電流，所述預給定的電壓如上所述可以是參考電壓或輸入電壓。U/I轉換器15包括電阻16、運算放大器17以及晶體管18。將在U/I轉換器中產(chǎn)生的電流輸送給電流鏡19，所述電流鏡又將輸出電流饋入到電路中。

在那里接地地連接有電容器20，所述電容器由多個單個的電容器組成。電容器21直接接地連接并且具有第一電容Co。具有電容Cn的另一晶體管22通過開關晶體管23接地連接。具有電容2*Cn的第三電容器24通過開關晶體管25接地連接。具有電容4*Cn的第四電容器26通過開關電容器27接地連接。

通過電阻16和電容器20確定鋸齒波電壓Vpp的電壓斜坡du/dt。相應地，電壓斜坡可以通過電阻16的或電容器20的匹配來改變或匹配。在此改變電容器20。

現(xiàn)在，以下描述控制電路10的在圖2中在下方示出的控制區(qū)域。隨著通過引導到觸發(fā)器29的清零輸入端CLR上的禁止信號28的釋放，第一階段或均衡循環(huán)開始。也給電路10輸送時鐘信號T。時鐘信號T具有小的占空比或換言之，具有高電平的信號份額相對于時鐘非常小。此外，時鐘信號T的高電平階段應如此長，使得可以進行電容器Co+n*Cn的到下一周期的開始值上的放電。但是，高電平階段必須遠遠小于所述周期地保持，因為在所述時間內(nèi)鋸齒波信號還沒有開始。Co與Cn的比例取決于所期望的捕獲區(qū)域(Fangbereich)，所述捕獲區(qū)域應由自動微調(diào)(Auto-Trimming)覆蓋。

將時鐘信號輸送給觸發(fā)器29，從而所述觸發(fā)器29隨著第一上升時鐘沿被置位。因此，觸發(fā)器29保證第一階段1隨著時鐘信號T同步開始。隨著觸發(fā)器29的置位，另一觸發(fā)器30被激活并且控制或門31，所述或門接著打開開關晶體管32，在所述開關晶體管上使電容器20放電。也將時鐘信號T輸送給或門31，從而對于每時鐘使電容器20放一次電，以便因此產(chǎn)生鋸齒波電壓Vpp。

由三個D觸發(fā)器34、35和36組成的計數(shù)器33控制三個開關晶體管23、25和27。自均衡的原理基于，逐步地如此長時間地減小電容21、22、24和26或換言之總電容20以便產(chǎn)生鋸齒波信號Vpp，直至在一個時鐘周期中達到參考電壓Vref的閾值。

將鋸齒波電壓Vpp同樣如參考電壓Vref那樣輸送給比較器37，該比較器的輸出端施加在觸發(fā)器30的時鐘輸入端上。觸發(fā)器30的反相輸出端Q’與與門38的輸入端連接。與門38的第二輸入端以時鐘信號T加載。與門38與計數(shù)器33的第一D觸發(fā)器34的時鐘輸入端連接并且因此有利于計數(shù)器33的控制。當施加時鐘信號T的上升沿并且鋸齒波電壓Vpp的幅度還沒有達到電壓Vref的幅度時，使計數(shù)器33以階梯遞減記數(shù)。這通過比較器37和觸發(fā)器30來確保。因此計數(shù)器33總是進一步遞減記數(shù)，這引起：電容器20的電容值降低，直至鋸齒波電壓Vpp的幅度達到參考電壓Vref的幅度。

如果是這種情形，則觸發(fā)器30受時鐘邊沿控制并且在其D輸入端上接收值1。這導致，輸出顯示控制電路10的現(xiàn)在經(jīng)微調(diào)的狀態(tài)的微調(diào)信號39。還借助微調(diào)信號39切換異步乘法器14，從而在異步乘法器的輸出端上從現(xiàn)在起施加電壓k*Vin。此外，鎖止與門38，從而計數(shù)器33的狀態(tài)凍結，由此，電容器20的電容值保持固定地設定。

因此，禁止時鐘信號T到計數(shù)器33的另一通道并且凍結計數(shù)器狀態(tài)。信號39顯示，已經(jīng)成功地進行均衡并且現(xiàn)在可以釋放電壓調(diào)節(jié)器1用于電壓轉換運行。在隨后的第二階段預給定值k*Vin作為用于鋸齒波電壓Vpp的目標電壓。

當Vpp＝Vref/Ro*1/(Co+n*Cn)*T時，階段1結束，其中，Ro是電阻16的電阻值，Co是電容器21的電容值，Cn是電容器22的電容值并且T是時鐘信號的周期持續(xù)時間。

在第二階段期間適用以下關系：

Vin/Vpp＝Ro*(Co+n*Cn)/T*1/k

以下借助圖3討論控制電路10的信號變化過程。在圖3中示出的信號變化過程相應于具有四位計數(shù)器的電路。在圖2中示出具有三位計數(shù)器的實現(xiàn)。借助四位計數(shù)器存在具有8*Cn電容的另一部分電容器，所述另一部分電容器通過計數(shù)器的第四D觸發(fā)器來控制?？刂齐娐?0的剩余組成部分是相同的。

在圖3的最上面的信號變化過程中一方面示出時鐘信號T，所述時鐘信號通過每周期短的接通持續(xù)時間來表征。此外示出禁止信號28，禁止信號在第三時鐘中被置位。

因此，如在圖3的第二行示出的那樣，其幅度在下一時鐘中連續(xù)上升的鋸齒波電壓Vpp開始，直至其達到參考電壓Vref的幅度值。這在九個循環(huán)之后是如在圖3的最下面的圖表中可見的那樣的情形。在那里示出計數(shù)器的計數(shù)器值n。在這一時刻計數(shù)器值n由最初的15減少至7。

在通過鋸齒波電壓Vpp的幅度達到參考電壓Vref的幅度時，比較器輸出輸出信號，這通過在圖3的第三行中的垂直走向的信號變化過程可以看出。在第三行中也示出微調(diào)信號39的信號變化過程，所述微調(diào)信號隨著比較器37的信號的輸出置于高電平。比較器37的輸出信號將信號變化過程劃分成第一階段40以及第二階段41，在所述第一階段中，參考電壓Vref定義為用于鋸齒波電壓Vpp的目標電壓，在所述第二階段中，將電壓k*Vin預給定為用于鋸齒波電壓Vpp的目標電壓。

這在圖3的第二行中示出，在所述第二行中，鋸齒波電壓Vpp在第二階段41中從現(xiàn)在起跟隨電壓k*Vin的稍微更低的電壓電平。如可見的那樣，在60μs的時刻電壓k*Vin的幅度變化，并且鋸齒波電壓Vpp近乎無延遲地跟隨新的目標值。