DE102004031394A1

DE102004031394A1 - Gleichspannungswandler und Verfahren zur Umsetzung einer Gleichspannung

Info

Publication number: DE102004031394A1
Application number: DE102004031394A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dr.-Ing. Leyk; Christian Dr. Kranz
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Intel Deutschland GmbH
Priority date: 2004-06-29
Filing date: 2004-06-29
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2024-06-30
Also published as: US20060007618A1; CN1722588A; DE102004031394B4; CN1722588B; US7253592B2

Abstract

Es ist ein Gleichspannungswandler mit mehreren Ausgängen sowie ein Verfahren zur Umsetzung einer Gleichspannung in mehrere ausgangsseitige Gleichspannungen angegeben. Mit einer Steuereinheit (35) werden ein erster und ein zweiter Schalter (5, 29) sowie mit einem Schalter (3) ein Energiespeicher (2) derart angesteuert, dass mehrere, unterschiedliche Ausgangsspannungen bereitgestellt werden können. Die Schalter (5, 29) umfassen Feldeffekttransistoren (36, 37). Zumindest der Substratanschluss eines dieser Feldeffekttransistoren (37) ist mit der Steuereinheit (35) verbunden zum Ansteuern mit einem Substratpotenzial in Abhängigkeit einer Betriebsart des Gleichspannungswandlers. Dadurch ist es möglich, unterschiedliche Spannungen sowohl in einer lückenden als auch in einer nicht-lückenden Betriebsart des Wandlers bei zugleich hohem Wirkungsgrad bereitstellen zu können.

Description

Die vorliegenden Erfindung betrifft einen Gleichspannungswandler mit mehreren Ausgängen sowie ein Verfahren zur Umsetzung einer Gleichspannung in mehrere ausgangsseitige Gleichspannungen.
Gleichspannungswandler dienen normalerweise dazu, eine eingangsseitige Gleichspannung in eine ausgangsseitige Gleichspannung umzusetzen. Bei mehrkanaligen Gleichspannungswandlern können mehrere, auch unterschiedliche Gleichspannungen bereitgestellt werden.
Derartige Gleichspannungswandler können beispielsweise als so genannte Aufwärts-Wandler aufgebaut sein, die zur Gruppe der sekundär getakteten Schaltregler gezählt werden. Dabei ist als Energiespeicher üblicherweise eine Speicherdrossel als Induktivität vorgesehen sowie ein Schalter, der mit einem steuerbaren Tastverhältnis betrieben wird. Je nach Aufbau der sekundär getakteten Schaltregler werden Sperrwandler und Durchflusswandler unterschieden.
In Abhängigkeit davon, ob der Spulenstrom in der Entladephase des Aufwärtswandlers auf Null zurückgeht oder nicht, unterscheidet man zwei Betriebsarten, nämlich den lückenden und den nicht-lückenden Betrieb. Bei einem Gleichspannungswandler mit mehreren Ausgangszweigen zur Bereitstellung unterschiedlicher Ausgangsspannungen ist es nötig, im nicht-lückenden Betrieb eine volle Schaltbarkeit der Schalter zu gewährleis ten. Die Schalter sind bei integrierter Bauweise beispielsweise als Feldeffekttransistoren ausgebildet.
Im lückenden Betrieb hingegen geht der Spulenstrom in der Entladephase der Spule auf Null zurück. Um dennoch einen brauchbaren Wirkungsgrad zu erhalten, ist es erforderlich, einen Rückfluss von Ladungsträgern vom Ausgang des Wandlers zurück zum Eingang zu verhindern. Hierfür sind normalerweise Dioden in jedem Zweig vorgesehen.
Die Dioden sind beispielsweise in integrierter Schaltungstechnik ausgebildet.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Gleichspannungswandler sowie ein Verfahren zur Gleichspannungsumsetzung anzugeben, mit denen es möglich ist, mehrere Ausgangsspannungen zu erzeugen, und die sowohl eine nicht-lückende Betriebsart, als auch eine lückende Betriebsart mit hohem Wirkungsgrad erlauben.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bezüglich des Gleichspannungswandlers gelöst durch einen Gleichspannungswandler, aufweisend:

– einen Energiespeicher, der mit einem Eingang zur Zuführung einer Gleichspannung verbunden ist,
– einen ersten Ausgang zur Bereitstellung einer ersten Ausgangsspannung,
– einen zweiten Ausgang zur Bereitstellung einer zweiten Ausgangsspannung,
– einen ersten Schalter, der den Energiespeicher mit dem ersten Ausgang koppelt und der einen ersten Feldeffekttransistor umfasst,
– einen zweiten Schalter, der den Energiespeicher mit dem zweiten Ausgang koppelt und der einen zweiten Feldeffekttransistor umfasst,
– einen weiteren Schalter, der mit dem Energiespeicher gekoppelt ist,
– eine Steuereinheit, die eingangsseitig mit dem ersten und dem zweiten Ausgang gekoppelt ist und die ausgangsseitig mit dem ersten Schalter, mit dem zweiten Schalter und mit dem weiteren Schalter zu deren Ansteuerung gekoppelt ist,
– wobei der zweite Feldeffekttransistor einen Substratanschluss hat, der mit der Steuereinheit verbunden ist zum Ansteuern mit einem Substratpotential in Abhängigkeit einer Betriebsart des Gleichspannungswandlers.

Nach dem vorgeschlagenen Prinzip ist vorgesehen, den Substratanschluss zumindest eines der als Schalter dienenden Feldeffekttransistoren der Ausgangszweige des Gleichspannungswandlers mit einem betriebsartabhängigen Substratpotenzial zu beaufschlagen. Dadurch ist es möglich, an mehreren Ausgängen des Gleichspannungswandlers unterschiedliche Ausgangsspannungen zu erzeugen und dabei den Gleichspannungswandler im lückenden sowie auch im nicht-lückenden Betrieb mit je gutem Wirkungsgrad betreiben zu können.

Der Substratanschluss eines Feldeffekttransistors in integrierter Schaltungsbauweise wird auch als Bulk-Anschluss oder Masse-Anschluss bezeichnet.

Mit dem vorgeschlagenen, betriebszustandsabhängigen und zeitabhängigen Schalten des Substratanschlusses wird ein Betrieb eines mehrkanaligen Gleichspannungskonverters nicht nur in einem lückenden und nicht-lückenden Betrieb möglich, sondern es können auch weitere Betriebsarten mit Vorteil ausgeführt werden, wie ein Startvorgangsbetrieb und ein Stromsparbetrieb.

Der Substratanschluss des zweiten und gegebenenfalls weiterer Feldeffekttransistoren ist bevorzugt umschaltbar wahlweise entweder mit dem ersten oder mit dem zweiten Ausgang des Gleichspannungswandlers verbunden. Dadurch kann der Substratanschluss auf unterschiedliche Spannungen gelegt werden, die ohnehin verfügbar, da vom Gleichspannungswandler erzeugt sind.

In einer nicht-lückenden Betriebsart des Gleichspannungswandlers ist der Substratanschluss des zweiten Feldeffekttransistors bevorzugt mit demjenigen Ausgang verbunden, der zur Bereitstellung der größten der Ausgangsspannungen ausgelegt ist. Dies ist vorliegend ohne Beschränkung der Allgemeinheit der erste Ausgang.

Weiterhin ist bevorzugt der Substratanschluss des zweiten Feldeffekttransistors in einer lückenden Betriebsart des Gleichspannungswandlers mit dem zweiten Ausgang des Gleichspannungswandlers verbunden. Somit kann der Substratanschluss des zweiten Feldeffekttransistors in dem lückenden Betrieb mit einem Anschluss seiner gesteuerten Strecke verbunden sein.

Im nicht-lückenden Betrieb geht der Strom aus dem Energiespeicher in einer Entladephase des Energiespeichers nicht auf Null zurück. Der oder die Substratanschlüsse der Feldeffekttransistoren müssen demnach auf die größte Ausgangsspannung geschaltet werden. Dadurch ist es möglich, den Strom in den einzelnen Ausgangszweigen individuell zu schalten.

Befindet sich hingegen der Gleichspannungswandler im lückenden Betrieb, so geht der vom Energiespeicher in seiner Entladephase abgegebene Strom auf Null zurück. Um einen brauchbaren Wirkungsgrad dennoch zu erhalten, wird vorliegend ein Rückfluss der Ladungsträger vom Ausgang zurück zum Eingang verhindert. Hierfür ist vorgesehen, die Substratanschlüsse gegenüber dem nicht-lückenden Betrieb auf ein anderes Potenzial zu legen. Dadurch können im Feldeffekttransistor gebildete Dioden in Sperrrichtung geschaltet werden. Dies wäre zwar auch dann gegeben, wenn die Substratanschlüsse auf die höchste Ausgangsspannung geschaltet sind. Da jedoch die Steuereinheit, die die Schaltzeiten der Schalter festlegt, die exakte Schaltzeit bis zu dem Zeitpunkt, an dem der Strom des Energiespeichers auf Null sinkt, nicht präzise vorhersagen kann, ist es nötig, eine Schätzung oder Messung zu machen. Um den beschriebenen Ladungsträgerrückfluss, der den Wirkungsgrad erheblich verschlechtern würde, zu verhindern, wird diese Schätzung normalerweise konservativ ausgeführt, das heißt eher zu kurz. Das bedeutet, dass derjenige Schalter des gerade aktiven Ausgangs abgeschaltet wird, bevor der Strom des Energiespeichers Null erreicht. Wären in diesem Betriebszustand alle Substratanschlüsse auf die höchste Ausgangsspannung geschaltet, so würde der restliche Strom über am Substrat angeschlossene Dioden auf diesen Kanal geleitet werden. Der Kanal mit der höchsten Ausgangsspannung wäre also nicht mehr regelbar. Um dies effektiv zu verhindern, wird mit dem Abschalten des letzten Schalters auch der Substratanschluss dieses Transistors auf den eigenen Ausgang geschaltet. Das bedeutet, dass der restliche Strom aus dem Energiespeicher weiterhin in diesen Ausgangszweig fließt und somit vorteilhafterweise durch Regelung der Schaltzeiten einstellbar ist.

Nach dem vorgeschlagenen Prinzip wird demnach der Substratanschluss des aktuellen Ausgangszweigs, bei dem der Strom aus dem Energiespeicher zu Null geschätzt wird, nicht auf die höchste Ausgangsspannung geschaltet, sondern auf die eigene Ausgangsspannung. Dies muss bei jeder Puls-Periode erfolgen.

Der erste und der zweite Feldeffekttransistor können je zwei kathodenseitig unmittelbar miteinander und mit dem Substratanschluss dieses Feldeffekttransistors verbundene Dioden umfassen. Die Anodenanschlüsse der Dioden sind mit den Anschlüssen der gesteuerten Strecke des jeweiligen Feldeffekttransistors verbunden.

Die Dioden können aufgrund des physikalischen Aufbaus des Feldeffekttransistors in integrierter Schaltungsbauweise vorhanden sein. Bei einem p-Kanal-Feldeffekttransistor beispielsweise, bei dem Drain und Source als p+ Gebiete in einer n-Wanne aufgebaut sind, bildet die n-Wanne den Bulk-Anschluss. Dann gibt es einnen pn-Übergang von Drain zu Bulk und einen pn-Übergang von Source zu Bulk.

Zusätzlich zu den im Feldeffekttransistor gebildeten Dioden können weitere, integrierte Dioden vorgesehen sein, um den Wirkungsgrad zu verbessern. Bevorzugt sind. diese zusätzlichen Dioden in Vorwärtsrichtung gepolt vorgesehen. Diese zusätzlichen Dioden sind bevorzugt als Schottky-Dioden ausgeführt.

Bevorzugt ist eine Einschalt-Betriebsart vorgesehen, in der der Substratanschluss des zweiten Feldeffekttransistors mit dem ersten Ausgang verbunden ist.

Weiter bevorzugt ist eine Stromspar-Betriebsart vorgesehen, in der der Substratanschluss des zweiten Feldeffekttransis tors mit dem zweiten Ausgang verbunden ist. Die Stromspar-Betriebsart kann auch als Idle Mode, Ruhezustand, bezeichnet werden. Für diese Betriebsart ist kennzeichnend, dass nicht an allen Ausgängen Ausgangsspannungen bereitgestellt werden brauchen, sondern es vielmehr auf einen geringen Stromverbrauch der Anordnung ankommt.

Der Gleichspannungswandler kann mehr als zwei Ausgänge haben. So ist bevorzugt ein dritter oder noch weitere Ausgänge zur Bereitstellung einer dritten oder noch weitere Ausgangsspannungen vorgesehen. Jedem weiteren Ausgang ist ein weiterer Schalter zugeordnet, der den Energiespeicher mit dem jeweiligen weiteren Ausgang koppelt und je einen weiteren Feldeffekttransistor umfasst. Jeder dieser weiteren Feldeffekttransistoren hat einen Substratanschluss, der mit einem Schalter umschaltbar entweder mit dem jeweiligen Ausgang des Feldeffekttransistors oder mit dem ersten Ausgang verbunden ist. Dadurch wird auch das Substratpotenzial dieser weiteren Feldeffekttransistoren in Abhängigkeit der Betriebsart des Gleichspannungswandlers angesteuert. Diese Ansteuerung in Abhängigkeit von lückendem oder nicht-lückendem Betrieb erfolgt bevorzugt genauso, wie für den zweiten Feldeffekttransistor bereits beschrieben.

Zur Regelung der Ausgangsspannungen hat der Gleichspannungswandler bevorzugt einen Schwellwertvergleicher, der den zweiten Ausgang über einen Steuerblock mit dem zweiten Schalter koppelt. Weiterhin ist bevorzugt von der Steuereinheit ein Regelkreis umfasst mit einem Regler, der den ersten Ausgang mit dem weiteren Schalter koppelt. Dabei ist der Steuerblock bevorzugt nicht nur mit dem zweiten, sondern auch mit dem ersten und gegebenenfalls vorhandenen weiteren Schaltern zu deren Ansteuerung verbunden.

Wenn ein dritter oder weitere Ausgänge vorgesehen sind, so ist diesen bevorzugt ebenfalls je ein weiterer Schwellwertvergleicher zugeordnet. Die Schwellwertvergleicher koppeln dabei bevorzugt den dritten oder weitere Ausgänge mit dem Steuerblock.

Der Steuerblock umfasst bevorzugt Mittel zur Auswertung von Schwellwertvergleichern und Mittel zum Ansteuern des ersten und zweiten Schalters sowie gegebenenfalls vorhandener weiterer Schalter.

Der Regler umfasst bevorzugt ein Mittel zum Umschalten, derart, dass entweder der erste oder der zweite Ausgang mit dem weiteren Schalter gekoppelt ist. Mit diesem Multiplex-Betrieb ist es vorteilhafterweise möglich, zyklisch denjenigen Spannungsausgang, dessen Ausgangsspannung tatsächlich einer echten Regelung unterworfen ist, zu vertauschen. Bezüglich der übrigen Ausgangsspannungen wird je ein Schwellwertvergleich durchgeführt.

Der Regelkreis umfasst bevorzugt einen Pulsweitenmodulator, der den Regler mit dem weiteren Schalter zu dessen Ansteuerung koppelt. Damit wird das periodische Auf- und Entladeverhalten des Energiespeichers gesteuert. In Abhängigkeit davon und in Abhängigkeit des ebenfalls periodischen Schaltverhaltens in den Ausgangszweigen ergeben sich die Gleichspannungen an den Ausgängen.

Weiterhin ist bevorzugt ein Analog/Digital-Wandler vorgesehen, der im Regelkreis dem Regler vorgeschaltet und eingangsseitig mit den Ausgängen des Gleichspannungswandlers verbunden ist.

Der Energiespeicher ist bevorzugt eine Induktivität. Diese Induktivität wird auch als Speicherdrossel bezeichnet. Der Energiespeicher ist dabei bevorzugt für alle Ausgangszweige des Gleichspannungswandlers gemeinsam vorgesehen.

An jedem Ausgang des Gleichspannungswandlers ist bevorzugt je ein Ladungsspeicher angeschlossen.

Der Ladungsspeicher ist bevorzugt als Kondensator ausgeführt. Dieser Kondensator wird entsprechend seiner Funktion auch als Glättungskondensator bezeichnet.

Der Gleichspannungswandler ist bevorzugt als Aufwärts-Spannungswandler ausgeführt, der eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung in mehrere, an den Ausgängen bereitgestellte Gleichspannungen umsetzt. Die an den Ausgängen bereitgestellten Gleichspannungen können dabei unterschiedlich sein. Bei einem Aufwärts-Spannungswandler ist es möglich, ausgangsseitige Gleichspannungen zu erzeugen, die höher sein können als die Eingangsspannung.

Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Umsetzung einer Gleichspannung in mehrere, ausgangsseitige Gleichspannungen mit folgenden Schritten:

– Zuführen einer Gleichspannung an einem Eingang,
– Aufladen eines Energiespeichers mit der Gleichspannung,
– Bereitstellen einer ersten Ausgangsspannung an einem ersten Ausgang in Abhängigkeit von der Schalterstellung eines ersten Schalters und von dem Ladezustand des Energiespeichers,
– Bereitstellen einer zweiten Ausgangsspannung an einem zweiten Ausgang in Abhängigkeit von der Schalterstellung eines zweiten Schalters und von dem Ladezustand des Energiespeichers,
– Bereitstellen eines Substratpotentials in Abhängigkeit von einer gewählten Betriebsart,
– Ansteuern des Substratanschlusses eines Feldeffekttransistors im zweiten Schalter mit dem Substratpotential.

Bezüglich der vorteilhaften Funktionsweise des Verfahrens gemäß vorgeschlagenem Prinzip wird auch auf die Erläuterung zur Funktionsweise des Gleichspannungswandlers nach diesem Prinzip verwiesen. Zusätzliche Erläuterungen sind im Folgenden angegeben.

Der Substratanschluss des Feldeffekttransistors im zweiten Schalter wird bevorzugt entweder mit dem ersten oder mit dem zweiten Ausgang wahlweise verbunden.

In einer nicht-lückenden Betriebsart wird der Substratanschluss des Feldeffekttransistors im zweiten Schalter bevorzugt mit demjenigen Ausgang verbunden, der zur Bereitstellung der größten der Ausgangsspannungen ausgelegt ist. In einer lückenden Betriebsart hingegen wird der Substratanschluss des Feldeffekttransistors im zweiten Schalter bevorzugt mit dem zweiten Ausgang verbunden.

Der Aufladevorgang des Energiespeichers wird bevorzugt in Abhängigkeit von zumindest der ersten Ausgangsspannung geregelt. Mit der zweiten Ausgangsspannung wird bevorzugt ein Schwellwertvergleich mit einem einstellbaren Schwellwert durchgeführt. In Abhängigkeit vom Vergleichsergebnis werden der erste und zweite Schalter angesteuert.

Ein bevorzugt am ersten Ausgang angeschlossener erster Ladungsspeicher wird in Abhängigkeit von der Schalterstellung des ersten Schalters und von dem Ladezustand des Energiespeichers aufgeladen. Ein zweiter Ladungsspeicher, der bevorzugt am zweiten Ausgang angeschlossen ist, wird in Abhängigkeit von der Schalterstellung des zweiten Schalters und von dem Ladezustand des Energiespeichers aufgeladen.

Bevorzugt erfolgt ein Aufladen des ersten Ladungsspeichers und ein Aufladen des zweiten Ladungsspeichers je aus dem Energiespeicher zeitlich getrennt. Die Auflade-Betriebsarten des ersten und zweiten Ladungsspeichers, in der Entlade-Betriebsart des Energiespeichers, sind bevorzugt zeitlich getrennt von einer Auflade-Betriebsart des Energiespeichers, in der dieser aufgeladen wird.

Bevorzugt wird abwechselnd die erste Ausgangsspannung und die zweite Ausgangsspannung als Führungsgröße für einen Regelkreis verwendet, wobei in diesem Regelvorgang ein Aufladevorgang des Energiespeichers gesteuert wird. Dabei wird die jeweils nicht unmittelbar als Führungsgröße für den Regelkreis dienende Ausgangsspannung zur Durchführung eines Schwellwertvergleichs verwendet, in dessen Abhängigkeit die Ausgangsspannung an zumindest diesem Ausgang beeinflusst wird.

In einer Einschalt-Betriebsart, englisch: start-up mode, ist der Substratanschluss des Feldeffekttransistors im zweiten Schalter bevorzugt mit dem ersten Ausgang verbunden.

In einer Stromspar-Betriebsart ist bevorzugt der Substratanschluss des Feldeffekttransistors im zweiten Schalter mit dem zweiten Ausgang verbunden.

Weitere Ausgestaltungen und vorteilhafte Weiterbildungen des vorgeschlagenen Prinzips sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
3 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Gleichspannungswandlers nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
4 die Beschaltung der Substratanschlüsse der Schalter von 3 in einer Einschalt-Betriebsart und
5 die Beschaltung der Substratanschlüsse der Schalter von 3 in einer Stromspar-Betriebsart.
1 zeigt einen Gleichspannungswandler mit einem Eingang 1, an dem ein Anschluss eines als Spule ausgeführten Energiespeichers 2 angeschlossen ist. Der freie Anschluss des Energiespeichers 2 ist über einen ersten Schalter 5 mit einem ersten Ausgang 6 gekoppelt und über einen zweiten Schalter 29 mit einem zweiten Ausgang 7 gekoppelt. Der erste Ausgang 6 und der zweite Ausgang 7 sind über je einen als Stützkapazität ausgeführten Ladungsspeicher 8, 9 gegen einen Bezugspotenzialanschluss 4 geschaltet. Je ein Schalter 5, 29 mit nachgeschaltetem Stützkondensator 8, 9 bildet je einen Aus gangszweig des Gleichspannungswandlers. Zum Steuern des Auflade-Vorgangs des Energiespeichers 2 ist an dessen mit den Ausgangszweigen 5, 8; 29, 9 verbundenem Anschluss ein weiterer Schalter 3 gegen Bezugspotenzialanschluss 4 angeschlossen.
Der erste Schalter 5 und der zweite Schalter 29 umfassen je einen Feldeffekttransistor vom p-Kanal-Leitfähigkeitstyp 36, 37 mit je zwei Dioden 38, 39; 40, 41. Der jeweilige Feldeffekttransistor 36, 37 ist mit den Anschlüssen seiner gesteuerten Strecke je zwischen Energiespeicher 2 und zugeordneten Ausgang 6, 7 geschaltet. Die beiden Dioden 38, 39; 40, 41 sind mit ihren Kathodenanschlüssen jeweils unmittelbar miteinander und mit dem Substratanschluss des zugeordneten Feldeffekttransistors 36, 37 verbunden. Die Anodenanschlüsse der Dioden 38, 39 sind mit je einem Anschluss der gesteuerten Strecke des jeweiligen Feldeffekttransistors 36, 37 verbunden. Der Substratanschluss des ersten Feldeffekttransistors 36 ist mit dem Ausgang 6 verbunden. Der Substratanschluss des zweiten Feldeffekttransistors 37 ist zur Bereitstellung eines einstellbaren Substratpotenzials mit einer Steuereinheit 35 verbunden. Eingänge der Steuereinheit 35 sind mit dem ersten Ausgang 6 und dem zweiten Ausgang 7 verbunden. Weitere Steuerausgänge der Steuereinheit 35 sind mit den Gate-Anschlüssen der Feldeffekttransistoren 36, 37 sowie mit einem Steuereingang des weiteren Schalters 3 verbunden.
Nach dem vorgeschlagenen Prinzip sind bei einem Gleichspannungswandler mit mehreren Ausgangszweigen und mit einer Spule als Ladungsspeicher mehrere Feldeffekttransistoren, vorliegend vom p-Kanal-Typ, 36, 37 vorgesehen. Prinzipbedingt haben die Feldeffekttransistoren 36, 37 einen Substratanschluss. Mit diesem Substratanschluss werden vorliegend die beiden Di oden 38, 39 geschaltet. Durch die Beschaltung des Substratanschlusses zumindest des zweiten Feldeffekttransistors 37 können verschiedene Betriebsarten mit Vorteil ausgeführt werden, nämlich ein lückender Betrieb, ein nicht-lückender Betrieb, ein Startvorgang sowie ein Stromspar-Betrieb.
Demnach wird nach dem vorgeschlagenen Prinzip der Substratanschluss betriebszustand- und zeitabhängig geschaltet.
In dem nicht-lückenden Betrieb erzeugt der vorgeschlagene Gleichspannungswandler an den beiden Ausgängen 6, 7 unterschiedliche Ausgangsspannungen. Im nicht-lückenden Betrieb geht der Spulenstrom in der Entladephase der Spule nicht auf Null zurück. Alle Substratanschlüsse sind dabei auf die höchste Ausgangsspannung geschaltet, die vorliegend am Ausgang 6 bereitgestellt wird. Somit kann der Strom in den einzelnen Ausgangszweigen 5, 8; 29, 9 individuell geschaltet werden.
Im lückenden Betrieb hingegen geht der Spulenstrom in der Entladephase der Spule auf Null zurück. Dabei ist darauf zu achten, einen Rückfluss der Ladungsträger von den Ausgängen 6, 7 in eine am Eingang 1 angeschlossene Spannungsquelle zu verhindern, um einen guten Wirkungsgrad zu erzielen. Das bedeutet, dass die am Substrat angeschlossenen Dioden aller Feldeffekttransistoren oder Schalter in Sperrrichtung geschaltet werden müssen. Das ist dadurch erzielt, dass alle Substratanschlüsse der schaltenden Feldeffekttransistoren an die höchste Ausgangsspannung am Ausgang 6 geschaltet sind. Um zusätzlich eine unabhängige Spannungsregelung gewährleisten zu können, wird der Substratanschluss des aktuellen Schalters des aktiven Ausgangszweiges, bei dem der Spulenstrom zu Null geschätzt wird, nicht auf die höchste Ausgangsspannung, son dern auf die eigene Ausgangsspannung geschaltet. Dies muss bei jeder Puls-Periode erfolgen. Dadurch wird das Problem vermieden, dass in der Steuereinrichtung 35 keine exakte Vorhersage möglich ist, wann der Spulenstrom auf Null sinkt. Um dennoch sicher einen Ladungsträgerrückfluss vom Ausgang zum Eingang zu verhindern, wird die Schätzung konservativ ausgeführt. Das bedeutet, dass der Schalttransistor des gerade aktiven Kanals abgeschaltet würde, bevor der Spulenstrom Null erreicht. Wären alle Substratanschlüsse auf die höchste Ausgangsspannung geschaltet, so würde der restliche Strom über die Bulk-Dioden auf diesen Kanal geleitet. Der Kanal mit der höchsten Spannung wäre nicht mehr regelbar. Um dies zu verhindern, wird mit dem Abschalten des letzten Schalttransistors vorliegend auch der Substratanschluss dieses Transistors auf den eigenen Ausgang geschaltet.
Somit ist gewährleistet, die Ausgangsspannungen unabhängig voneinander regeln zu können, unabhängig von lückender oder nicht-lückender Betriebsart und bei gutem Wirkungsgrad der Anordnung.
Die Dioden 38 bis 41 sind vorliegend zwischen Drain beziehungsweise Source und Bulk aufgrund der integrierten Schaltungsbauweise der Feldeffekttransistoren gebildet. Insbesondere die in Vorwärtsrichtung gepolten Dioden 38, 40 können jedoch durch zusätzlich integrierte Dioden ergänzt sein, die zur weiteren Verbesserung des Wirkungsgrads beitragen. Diese sind mit Vorteil als Schottky-Dioden ausgeführt.
2 zeigt eine Weiterbildung der Schaltung von 1, die sich von jener nur dadurch unterscheidet, dass der Substratanschluss des zweiten Feldeffekttransistors 37 nicht unmittelbar mit der Steuereinrichtung 35 verbunden ist, sondern über einen Schalter 33 je nach Schalterstellung mit dem Ausgang 6 oder dem Ausgang 7. Aufgrund der weitgehenden Übereinstimmung der Ausführungsbeispiele wird bezüglich der Erläuterung der verwendeten Bauteile, deren vorteilhafter Zusammenschaltung und Wirkungsweise auf die Beschreibung der 1 verwiesen, die an dieser Stelle nicht wiederholt werden soll.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand eines Gleichspannungswandlers mit drei Ausgängen 6, 7, 15. Es ist ein Eingang 1 zur Zuführung einer Gleichspannung vorgesehen, an den ein als Spule ausgeführter Energiespeicher 2 angeschlossen ist. Der freie Anschluss des Energiespeichers 2 ist über einen Schalter 23 gegen einen Bezugspotenzialanschluss 4 geschaltet. Weiterhin ist der zwischen dem Energiespeicher 2 und dem Schalter 23 gebildete Schaltungsknoten über einen ersten Schalter 20 mit einem ersten Ausgang 6, über einen zweiten Schalter 21 mit einem zweiten Ausgang 7 und über einen dritten Schalter 22 mit einem dritten Ausgang 15 verbunden. Erster, zweiter und dritter Ausgang 6, 7, 15 sind je zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung in Form einer Gleichspannung ausgelegt. Erster, zweiter und dritter Ausgang 6, 7, 15 sind über je einen als Kondensator ausgeführten Ladungsspeicher 8, 9, 17 gegen den Bezugspotenzialanschluss 4 geschaltet.
Weiterhin ist ein Regelkreis vorgesehen, der einen Regler 11 umfasst und der den ersten Ausgang 6 mit einem gemeinsamen Mittel zur Beeinflussung der Spannungshöhe 23, 10 koppelt. Das gemeinsame Mittel zur Beeinflussung der Spannungshöhe umfasst einen Modulator 10 und den bereits beschriebenen Schalter 23. Der Modulator ist vorliegend als Pulsweitenmodulator ausgeführt. Ein Schwellwertvergleicher 12 ist mit einem nicht-invertierenden Eingang mit dem zweiten Ausgang 7 und mit einem invertierenden Eingang mit einer Spannungsquelle 13 verbunden, die einen einstellbaren Schwellwert bereitstellt. Der Ausgang des Schwellwertvergleichers 12 ist über einen Steuerblock 24, 25 mit jeweiligen Steuereingängen des ersten und des zweiten Schalters 5, 29 verbunden.
Der Energiespeicher 2 wird regelmäßig mit einem Strom aufgeladen, der von einer an den Eingang 1 angeschlossenen Spannungsquelle bereitgestellt wird. Ein Entladestrom des Energiespeichers 2 wird auf die drei Ausgangszweige 20, 8; 21; 9; 22, 17 verteilt, die jeweils einen Schalter und einen Ladungsspeicher umfassen. Dabei wird der Anteil der Stroms pro Zweig so eingestellt, dass die Ausgangsspannung am Ausgang 6, 7, 15 dieses Zweigs nahezu konstant bleibt. Der jeweilige Stromanteil liefert dabei den aktuellen Ausgangsstrom, also Laststrom, und lädt zusätzlich den jeweiligen Stützkondensator 8, 9, 17 auf. Der Stützkondensator 8, 9, 17 versorgt eine an den Ausgängen 6, 7, 15 angeschlossene elektrische Last in derjenigen Zeitspanne, in der ein Strom vom Energiespeicher 2 nicht unmittelbar bereitsteht. Die Spannung am Ausgang 7 wird über eine Schwellwertsteuerung mit dem Schwellwertvergleicher 12 und dem Steuerblock 24, 25 eingestellt. Dabei wird ein Ausgangszweig 21, 9 solange aus dem Energiespeicher 2 aufgeladen, bis der Sollwert der Ausgangsspannung am Ausgang 7, detektiert mit Schwellwertvergleicher 12, erreicht ist. Überschreitet die Ausgangsspannung am Ausgang 7 den von der Schwellwert-Spannungsquelle 13 bereitgestellten Schwellwert, so schaltet der Steuerblock 24, 25 auf einen der anderen Ausgangszweige 20; 8; 22, 17 um. Somit werden nacheinander alle Ausgangszweige mit einem Entladestrom des Energiespeichers 12 beaufschlagt .
Der Ausgang 6 ist an einen Regelkreis angeschlossen. Der Regler 11 erfasst eine Abweichung der tatsächlichen Ausgangsspannung am Ausgang 6 von einem Sollwert und stellt einen daraus gewonnenen Ausgangsspannungsfehler als Führungsgröße für den Regelkreis bereit. Steht für den Ausgang 1 nicht genug Strom zur Verfügung, um die Ausgangsspannung am Ausgang 6 konstant zu halten, muss der Strom, den der Energiespeicher 2 bereitstellt, erhöht werden; ist umgekehrt die Ausgangsspannung über den Sollwert angestiegen, ist der Strom, den der Energiespeicher 2 bereitstellt, zu groß. Der für den ersten Ausgang 6 verbleibende Strom ist selbstverständlich nicht nur abhängig von der elektrischen Last an diesem Ausgang, sondern auch von den elektrischen Lasten an den anderen Ausgängen. Das bedeutet, dass durch eine Ausregelung der Spannung am ersten Ausgang 6 auch die Ausgangsspannungen an den anderen Ausgängen 6, 15 mit geregelt werden.
Die Ansteuerung der Schalter 20, 21, 22 erfolgt so, dass die Ausgänge 6, 7, 15 nicht gleichzeitig mit dem Energiespeicher 2 verbunden sind.
Der dritte Ausgang 15 ist in Analogie zum zweiten Ausgang 7 mit dem nicht-invertierenden Eingang eines weiteren Schwellwertvergleichers 18 verbunden, dessen invertierender Eingang über eine Spannungsquelle 19 gegen Bezugspotenzialanschluss 4 geschaltet ist. Die Spannungsquelle 19 stellt einen zweiten Schwellwert bereit. Der Ausgang des weiteren Schwellwertvergleichers 18 ist mit dem Steuerblock 24, 25 verbunden. Der Steuerblock 14 steuert zusätzlich zu dem ersten und zweiten Schalter 20, 21 auch den dritten Schalter 22 an.
Anhand der Schaltung von 3 wird deutlich, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt alle Ausgänge 7, 15 außer einem Ausgang über eine Schwellwertsteuerung 12, 13; 18, 19 bezüglich der Spannungshöhe eingestellt werden. Lediglich der Ausgang 6 weist bezüglich der Ausgangsspannung eine echte Regelfunktion auf, die über den Regler 11 und den Modulator 10 mit Schalter 3 realisiert ist.
Die Schalter 20, 21, 22 umfassen je einen Metal Oxide Semiconductor, MOS-Feldeffekttransistor vom p-Kanal-Typ 36, 37, 45, dessen Gate-Anschluss jeweils den Steuereingang des Schalters 20, 21, 22 bildet. Die Anschlüsse der gesteuerten Strecken der p-Kanal-Transistoren 36, 37, 45 bilden die Lastanschlüsse der Schalter. Diese Lastanschlüsse sind außerdem mit je einem Anodenanschluss je einer Diode 38, 39; 40, 41; 47, 48 verbunden, deren Kathodenanschlüsse miteinander und mit dem jeweiligen Ausgang des Gleichspannungswandlers verbunden sind. Auch der Schalter 23 umfasst einen MOS-Feldeffekttransistor 42 mit zwei Dioden 43, 44, wobei hier ein n-Kanal-Feldeffekttransistor 42 vorgesehen ist, dessen Anschlüsse der gesteuerten Strecke die Lastanschlüsse des Schalters 23 bilden und mit je einem Kathodenanschluss je einer Diode 43, 44 verbunden sind, deren Anodenanschlüsse miteinander und mit dem Bezugspotenzialanschluss 4 verbunden sind. Der Gate-Anschluss des Schalters 23 ist mit einem Pulsweitenmodulator 10 verbunden, der Teil des Regelkreises ist.
Jeder Ausgang 6, 7, 15 ist mit dem Regler 11 verbunden, vorliegend über einen Analog/Digital-Wandler 26. Der Regler 11 steuert den Pulsweitenmodulator 10 an. Dabei ist jedoch eine Multiplex-Funktion in dem Regler 11 vorgesehen, derart, dass zu einem bestimmten Zeitpunkt immer nur genau einer der drei Ausgänge 6, 7, 15 mit dem Pulsweitenmodulator 10 gekoppelt ist. Außerdem ist zusätzlich ein noch weiterer Schwellwertvergleicher 27 vorgesehen, dessen nicht-invertierender Ein gang mit dem ersten Ausgang 6 und dessen invertierender Eingang über eine Spannungsquelle 28 mit Bezugspotenzialanschluss 4 verbunden ist. Die Spannungsquelle 28 stellt einen einstellbaren Schwellwert bereit. Die Ausgänge aller Schwellwertvergleicher 12, 18, 27 sind mit einem Funktionsblock 24 verbunden, der zur Umschaltung zwischen den Kanälen und zur Auswahl der Kanäle ausgelegt ist. Die Begriffe Kanal und Ausgangszweig sind synonym. Der Funktionsblock 24 ist mit einer Ausgangszweig-Steuerung 25 gekoppelt, die wiederum mit den Gate-Anschlüssen der Transistoren der drei Schalter 20, 21, 22 verbunden ist. Ein Synchronisationseingang der Ausgangszweig-Steuerung 25 ist mit dem Regler 11 verbunden. Der Funktionsblock 24 und die Ausgangszweig-Steuerung 25 bilden gemeinsam den Steuerblock 24, 25.
Mit der Schaltung von 3 ist es möglich, die Funktionen der Ausgänge 6, 7, 15 zyklisch zu vertauschen. Das bedeutet, dass in einer ersten Phase ein Ausgangsspannungsfehler am ersten Ausgang 6 zur Regelung benutzt wird, in einer zweiten Phase der Fehler des zweiten Ausgangs 7 und in einer dritten Phase der Fehler am Ausgang 15. Dadurch ist sichergestellt, dass abwechselnd jede Ausgangsspannung ausgeregelt wird. Dadurch ist es unerheblich, welcher der Ausgänge elektrisch belastet ist und es können auch keine Konvergenzprobleme auftreten. Die Auswahl der Ausgänge 6, 7, 15 zur Bereitstellung einer Führungsgröße für den Regelkreis kann entweder wie beschrieben periodisch durchwechseln oder es kann eine gewichtete Sortierung nach Ausgangslast erfolgen. Das bedeutet, dass stets derjenige Ausgang, der gerade den größten Stromanteil benötigt, die Führungsgröße bereitstellt. Dabei ist als Kriterium die Pulsweite des jeweiligen Ausgangskanals heranzuziehen. Hat beispielsweise der erste Ausgangszweig 8, 20 eine Pulsweite von 13%, der zweite Ausgangszweig 9, 21 eine Pulsweite von 4% und der dritte Kanal 17, 22 eine Pulsweite von 7%, so ergibt sich eine Schaltreihenfolge bezüglich der Ausgänge vom zweiten zum dritten zum ersten Ausgang 7, 15, 6.
In einer noch alternativen Betriebsweise dient jeweils derjenige Ausgang 6, 7, 15 zur Bereitstellung der Führungsgröße, der gerade die aktuell größte Pulsweite hat. Dadurch wird die Zahl der Umschaltvorgänge reduziert und damit auch das Rauschen auf den Ausgangsspannungen auf den Ausgängen 6, 7, 15.
Zur Ansteuerung der Schalter 20, 21, 22, 23 ist vorliegend eine Vielzahl von Treiberstufen 29, 30, 31 sowie ein Logikgatter 32 vorgesehen. Diese dienen der Verkopplung der Schaltsignale, die vom Pulsweitenmodulator 10 und von der Ausgangszweigsteuerung 25 bereitgestellt werden, miteinander. So handelt es sich bei den Treiberstufen 29, 30, 31 um Doppeltreiberstufen, die je einen ersten und einen zweiten Eingang sowie je einen ersten und einen zweiten Ausgang haben. Die ersten Eingänge der Treiberstufen 29 bis 31 sind je mit Ausgängen der Zweigsteuerung 25 verbunden, während die zweiten Eingänge mit dem Ausgang des Pulsweitenmodulators 10 verbunden sind. Die ersten Ausgänge der Treiberstufen 29 bis 31 sind mit jeweiligen Gate-Anschlüssen der Schalter 20 bis 22 verbunden, während die zweiten Ausgänge miteinander in dem UND-Baustein 32 verknüpft werden, dessen Ausgang mit dem Gate-Anschluss des Schalters 23 verbunden ist. Dies dient der Einhaltung von Nichtüberlappungszeiten.
Außerdem sind zwei weitere Schalter 33, 34 vorgesehen, die jeweils von der Zweigsteuerung 25 angesteuert werden. Die Schalter 33, 34 verbinden den gemeinsamen Kathodenanschluss des zweiten und dritten Schalters 21, 22 wahlweise mit dem ersten Ausgang 6 oder mit dem zweiten bzw. dritten Ausgang 7, 15. Dies dient zur Umschaltung zwischen verschiedenen Betriebsarten des getaktet betriebenen Gleichspannungswandlers durch Beaufschlagen der Substratanschlüsse mit unterschiedlichen Substratpotentialen, wie bereits oben erläutert.
Bei der Schaltung von 3 wird die Spannung an jedem Ausgang 6, 7, 15 mit je einem Schwellwertvergleicher 18, 12, 27 überwacht. Mit den Schwellwertvergleichern wird ermittelt, ob die Ausgangsspannung an den Ausgängen 6, 7, 15 größer oder kleiner als ein vorgebbarer Referenzwert ist. Der Funktionsblock 24 wählt den entsprechenden Ausgang anhand der Entscheidungen der Schwellwertvergleicher und einem Auswahlkriterium für den nächsten Kanal. Das Durchschalten der Ausgänge erfolgt nur während einer Entladebetriebsart des Energiespeichers 2, nicht während dessen Aufladephase. Derjenige Ausgang, der in der vorangegangenen Periode den größten Ladestrom bzw. die längste Pulsweite hatte, wird als derjenige Kanal ausgewählt, an dessen Ausgang die Führungsgröße für den Regelkreis bereitgestellt wird. Er tauscht demnach die zeitliche Position mit demjenigen Ausgangskanal, der in der vorangegangenen Periode die Führungsgröße bereitgestellt hat. Mit dem Analog/Digital-Wandler 26 wird der Ausgangsspannungsfehler an dem ausgewählten Ausgang gemessen und dem Regler 11 zugeführt. Dieser Regler 11 verändert die Pulsweite für die Aufladephase des Energiespeichers so, dass der Ausgangsspannungsfehler an dem ausgewählten, die Führungsgröße bereitstellenden Kanal möglichst gering ist. Die Koeffizienten der Regelung können dabei kanalabhängig sein.
Zusammenfassend bietet das vorgeschlagene Prinzip einen hohen Wirkungsgrad, geringe Überkreuzbeeinflussung zwischen den Ausgangsspannungen, geringes Rauschen und geringe Kosten bei der Herstellung als integrierte Schaltung. Darüber hinaus er möglicht die Ansteuerung des Substratpotentials in zeit- und betriebsartabhängiger Weise im lückenden sowie im nichtlückenden Betrieb eine unterschiedliche Einstellbarkeit der Spannungen zwischen den Ausgängen und in beiden Betriebsarten einen verbesserten Wirkungsgrad.
Selbstverständlich liegt es in alternativen Ausführungsformen auch im Rahmen der vorgeschlagenen Erfindung, weitere Ausgangsspannungen durch entsprechende Erweiterung der Schaltung bereitzustellen. Dabei entspricht es dem vorgeschlagenen Prinzip, n-1 von n Ausgängen über eine Schwellwertsteuerung einzustellen, und genau einen der n Ausgänge in einer Spannungsregelung zu betreiben. Da mit dem Steuerblock 24, 25 auf je einen anderen Ausgangszweig umgeschaltet wird, sobald der voreingestellte Spannungsschwellwert überschritten wird, wird durch unmittelbare Spannungsregelung des ersten Ausgangs auch eine Spannungsregelung der übrigen Ausgänge sichergestellt.
4 zeigt die Schalterstellung der Schalter 33, 34 und die Beschaltung der Gate-Anschlüsse der Feldeffekttransistoren 36, 37, 46, 47, nicht wie in 3 für die aktiven Betriebszustände des Gleichspannungswandlers, sondern für eine Einschalt-Betriebart. Die 4 entspricht weitgehend der 3 und deren Beschreibung wird insoweit an dieser Stelle nicht wiederholt. Im Unterschied zu 3 ist bei 4 jedoch der Gate-Anschluss des dritten Feldeffekttransistors 46 im dritten Schalter 22 nicht über einen Treiber 31 von einer Steuereinrichtung angesteuert, sondern unmittelbar mit dem ersten Ausgang 6 verbunden. Mit dem ersten Ausgang 6 sind auch die Substratanschlüsse des ersten, zweiten und dritten Feldeffekttransistors 36, 37, 46 verbunden.
Beim Einschaltvorgang ist die Versorgungsspannung noch so gering, dass ein komplexer Regelalgorithmus wie in 3 und die Taktversorgung noch nicht zur Verfügung stehen. Daher wird in dieser Betriebsart über eine nicht eingezeichnete Hilfsschaltung zunächst die Versorgungsspannung des Wandlers erzeugt, die vorliegend eigentlich am zweiten Ausgang 7 bereitgestellt wird, nämlich VDDIOREG. Dabei wird sichergestellt, dass die übrigen Spannungen innerhalb erlaubter Grenzen bleiben. Beispielsweise muss die Spannung am zweiten Ausgang auf 2,2 V gehen, während die Spannung am dritten Ausgang VDDCREG nicht über 1,8 V hinausgehen soll. Die höchste Spannung, die vorliegend erzeugt wird, nämlich VDD_LED am ersten Ausgang 6, wird vorliegend nicht an die Versorgung des Wandlers angeschlossen und für den Einschaltvorgang nicht benutzt. Dies wird dadurch gelöst, dass vorliegend die Substratanschlüsse aller Feldeffekttransistoren 36, 37, 46 der drei Schalter 20, 21, 22 in den Ausgangszweigen auf die höchste Spannung gelegt werden, nämlich VDD_LED und über eine aktive Ansteuerung der zwei benutzten Kanäle 20, 21 verhindert, dass die dritte Spannung 1,8 V übersteigt.
5 zeigt die Beschaltung der Bauteile innerhalb des Blocks 50 von 3 in einer nicht aktiven Betriebsart, sondern in einer Stromspar-Betriebsart. Die Schaltung von 5 entspricht weitgehend derjenigen von 3 und deren Beschreibung wird an dieser Stelle insoweit nicht wiederholt. Im Unterschied dazu ist bei 5 vorgesehen, die Gate-Anschlüsse des ersten und dritten Feldeffekttransistors 36, 46 mit dem ersten Ausgang 6 zu verbinden. Die Substratanschlüsse des ersten und dritten Feldeffekttransistors 36, 46 sind ebenfalls mit dem ersten Ausgang 6 verbunden. Der Steueranschluss des zweiten Feldeffekttransistors 37 ist wie in 3 von der Treiberstufe 30 gesteuert. Der Substratan schluss des zweiten Feldeffekttransistors 37 ist mit seiner gesteuerten Strecke und mit dem zweiten Ausgang 7 verbunden.
In der Stromspar-Betriebsart nach 5 wird nur die Versorgungsspannung am Ausgang 7 benötigt und demnach auch nur diese erzeugt. Die Substratanschlüsse des ersten und dritten Feldeffekttransistors 36, 46 werden auf die Spannung am ersten Ausgang 6 geschaltet und der Substratanschluss des zweiten Feldeffekttransistors 37 auf den eigenen Ausgang 7. In dieser Betriebsart isoliert demnach die Substratanschlusssteuerung den zweiten Ausgang 7 von den übrigen Ausgängen und auch nur die Spannung am zweiten Ausgang 7 wird erzeugt. Im Übrigen wird bei der Schaltung von 5 nicht der Regelalgorithmus von 3 benutzt, sondern die gleiche Schaltung verwendet, die auch in der Einschalt-Betriebsart gemäß 4 zum Einsatz kommt.
Zusammenfassend ermöglicht die vorgeschlagene Ansteuerung der Substratanschlüsse eine Isolation des benötigten Ausgangs 7 von den übrigen Ausgängen 6, 15.

1: Eingang
2: Energiespeicher
3: Schalter
4: Bezugspotenzialanschluss
5: Schalter
6: Ausgang
7: Ausgang
8: Ladungsspeicher
9: Ladungsspeicher
10: Modulator
11: Regler
12: Schwellwertvergleicher
13: Spannungsquelle
17: Ladungsspeicher
18: Schwellwertvergleicher
19: Spannungsquelle
20: Schalter
21: Schalter
22: Schalter
23: Schalter
24: Schwellwertvergleichauswertung
25: Steuermittel
26: Analog/Digital-Wandler
27: Schwellwertvergleicher
28: Spannungsquelle
29: Treiber
30: Treiber
31: Treiber
32: Treiber
33: Schalter
34: Schalter
35: Steuereinheit
36: Feldeffekttransistor
37: Feldeffekttransistor
38: Diode
39: Diode
40: Diode
41: Diode
42: Feldeffekttransistor
43: Diode
44: Diode
45: Feldeffekttransistor
46: Feldeffekttransistor
47: Diode
48: Diode
50: Schaltblock

Claims

Gleichspannungswandler, aufweisend – einen Energiespeicher (2), der mit einem Eingang (1) zur Zuführung einer Gleichspannung verbunden ist, – einen ersten Ausgang (6) zur Bereitstellung einer ersten Ausgangsspannung, – einen zweiten Ausgang (7) zur Bereitstellung einer zweiten Ausgangsspannung, – einen ersten Schalter (5), der den Energiespeicher (2) mit dem ersten Ausgang (6) koppelt und der einen ersten Feldeffekttransistor (36) umfasst, – einen zweiten Schalter (29), der den Energiespeicher (2) mit dem zweiten Ausgang (7) koppelt und der einen zweiten Feldeffekttransistor (37) umfasst, – einen weiteren Schalter (3), der mit dem Energiespeicher (2) gekoppelt ist, – eine Steuereinheit (35), die eingangsseitig mit dem ersten und dem zweiten Ausgang (6, 7) gekoppelt ist und die ausgangsseitig mit dem ersten Schalter (5), mit dem zweiten Schalter (29) und mit dem weiteren Schalter (3) zu deren Ansteuerung gekoppelt ist, – wobei der zweite Feldeffekttransistor (37) einen Substratanschluss hat, der mit der Steuereinheit (35) verbunden ist zum Ansteuern mit einem Substratpotential in Abhängigkeit einer Betriebsart des Gleichspannungswandlers.
Gleichspannungswandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Feldeffekttransistor (36) einen Substratanschluss hat, der mit der Steuereinheit (35) verbunden ist.
Gleichspannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratanschluss des zweiten Feldeffekttransistors (37) umschaltbar mit dem ersten oder zweiten Ausgang (6, 7) des Gleichspannungswandlers gekoppelt ist.
Gleichspannungswandler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Substratanschluss des zweiten Feldeffekttransistors (37) in einer nicht lückenden Betriebsart des Gleichspannungswandlers mit demjenigen Ausgang (6) verbunden ist, der zur Bereitstellung der größten der Ausgangsspannungen ausgelegt ist, und dass der Substratanschluss des zweiten Feldeffekttransistors (37) in einer lückenden Betriebsart des Gleichspannungswandlers mit dem zweiten Ausgang (7) des Gleichspannungswandlers verbunden ist.
Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und der zweite Feldeffekttransistor (36, 37) je zwei kathodenseitig unmittelbar miteinander und mit dem Substratanschluss des jeweiligen Feldeffekttransistors (36, 37) verbundene Dioden (38, 39; 40, 41) umfassen, deren Anodenanschlüsse mit den Anschlüssen der gesteuerten Strecke des jeweiligen Feldeffekttransistors (36, 37) verbunden sind.
Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Schalter (23) einen weiteren Feldeffekttransistor (42) mit zwei anodenseitig unmittelbar miteinander und mit dem Substratanschluss des weiteren Feldeffekttransistors (42) verbundene Dioden (43, 44) umfasst, deren Kathodenanschlüsse mit den Anschlüssen der gesteuerten Strecke des weiteren Feldeffekttransistors (42) verbunden sind.
Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Einschalt-Betriebsart der Substratanschluss des zweiten Feldeffekttransistors (37) mit dem ersten Ausgang (6) verbunden ist.
Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Stromspar-Betriebsart der Substratanschluss des zweiten Feldeffekttransistors (37) mit dem zweiten Ausgang (7) verbunden ist.
Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein dritter Ausgang (15) zur Bereitstellung einer dritten Ausgangsspannung vorgesehen ist, dem ein dritter Schalter (22) zugeordnet ist, der den Energiespeicher (2) mit dem dritten Ausgang (15) koppelt und der einen dritten Feldeffekttransistor (45) umfasst, wobei der dritte Feldeffekttransistor (45) einen Substratanschluss hat, der mit einem Schalter (34) umschaltbar mit dem ersten oder dritten Ausgang (6, 15) verbunden ist zum Ansteuern mit einem Substratpotential in Abhängigkeit der Betriebsart des Gleichspannungswandlers.
Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit einen Schwellwertvergleicher (12) umfasst, der den zweiten Ausgang (7) über einen Steuerblock (24, 25) mit dem zweiten Schalter (21) koppelt, und dass die Steuereinheit einen Regelkreis umfasst mit einem Regler (11), der den ersten Ausgang (6) mit dem weiteren Schalter (23) koppelt.
Gleichspannungswandler nach Anspruch 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass dem dritten Ausgang (15) ein weiterer Schwellwertvergleicher (18) zugeordnet ist, der den dritten Ausgang (15) mit dem Steuerblock (24, 25) koppelt.
Gleichspannungswandler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerblock (24, 25) Mittel zur Auswertung von Schwellwertvergleichen (24) und Mittel (25) zum Ansteuern des ersten und zweiten Schalters (20, 21) umfasst.
Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Regler (11) ein Mittel zum Umschalten umfasst, derart, dass entweder der erste Ausgang (6) oder der zweite Ausgang (7) mit dem weiteren Schalter (23) gekoppelt ist.
Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis einen Pulsweitenmodulator (10) umfasst, der den Regler (11) mit dem weiteren Schalter (23) koppelt.
Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Regelkreis einen Analog/Digital-Wandler (26) umfasst, der dem Regler (11) vorgeschaltet ist.
Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der Energiespeicher (2) eine Induktivität ist.
Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 10 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Ausgang des Gleichspannungswandlers (6, 7, 15) je ein Ladungsspeicher (8, 9, 17) angeschlossen ist.
Gleichspannungswandler nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ladungsspeicher (8, 9, 17) als Kondensatoren ausgeführt sind.
Gleichspannungswandler nach einem der Ansprüche 10 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Gleichspannungswandler ein Aufwärts-Spannungswandler ist, der eine eingangsseitig anliegende Gleichspannung in mehrere, an den Ausgängen bereitgestellte Gleichspannungen umsetzt.
Verfahren zur Umsetzung einer Gleichspannung in mehrere, ausgangsseitige Gleichspannungen mit folgenden Schritten: – Zuführen einer Gleichspannung an einem Eingang (1), – Aufladen eines Energiespeichers (2) mit der Gleichspannung, – Bereitstellen einer ersten Ausgangsspannung an einem ersten Ausgang (6) in Abhängigkeit von der Schalterstellung eines ersten Schalters (5) und von dem Ladezustand des Energiespeichers (2), – Bereitstellen einer zweiten Ausgangsspannung an einem zweiten Ausgang (7) in Abhängigkeit von der Schalterstellung eines zweiten Schalters (29) und von dem Ladezustand des Energiespeichers (2), – Bereitstellen eines Substratpotentials, – Ansteuern des Substratanschlusses eines Feldeffekttransistors (37) im zweiten Schalter (29) mit dem Substratpotential.
Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch Verbinden eines Substratanschlusses des Feldeffekttransistors (37) im zweiten Schalter (29) mit dem ersten oder zweiten Ausgang (6, 7).
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, gekennzeichnet durch – Verbinden des Substratanschlusses des Feldeffekttransistors (37) im zweiten Schalter (29) in einer nicht lückenden Betriebsart mit demjenigen Ausgang (6), der zur Bereitstellung der größten der Ausgangsspannungen ausgelegt ist, – Verbinden des Substratanschlusses des Feldeffekttransistors (37) im zweiten Schalter (29) in einer lückenden Betriebsart mit dem zweiten Ausgang (7).
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, gekennzeichnet durch – Regeln des Aufladevorgangs des Energiespeichers (2) in Abhängigkeit von der ersten Ausgangsspannung, – Durchführen eines Schwellwertvergleichs bezüglich der zweiten Ausgangsspannung und Ansteuern des ersten und zweiten Schalters (5, 29) in Abhängigkeit von dem Vergleichsergebnis.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, gekennzeichnet durch – Aufladen eines ersten Ladungsspeichers (8) am ersten Ausgang (6) in Abhängigkeit von der Schalterstellung des ersten Schalters (5) und von dem Ladezustand des Energiespeichers (2), – Aufladen eines zweiten Ladungsspeichers (9) am zweiten Ausgang (7) in Abhängigkeit von der Schalterstellung des zweiten Schalters (29) und von dem Ladezustand des Energiespeichers (2).
Verfahren nach Anspruch 24, gekennzeichnet durch Aufladen des ersten Ladungsspeichers (8) und Aufladen des zweiten Ladungsspeichers (9) in je einer Entlade-Betriebsart, die zeitlich getrennt sind von einem Aufladen des Energiespeichers (2) in einer Auflade-Betriebsart.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 25, gekennzeichnet durch Aufladen des Energiespeichers (2) mittels Pulsweitenmodulation.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 26, gekennzeichnet durch periodisch abwechselndes Regeln eines Aufladevorgangs des Energiespeichers (2) in Abhängigkeit von der ersten Ausgangsspannung in einem Regelkreis und der zweiten Ausgangsspannung in dem Regelkreis, wobei bezüglich der nicht unmittelbar als Führungsgröße für den Regelkreis dienenden Ausgangsspannung ein Schwellwertvergleich durchgeführt wird, in dessen Abhängigkeit die Ausgangsspannung an diesem Ausgang beeinflusst wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 27, gekennzeichnet durch Verbinden des Substratanschlusses des Feldeffekttransistors (37) im zweiten Schalter (29) mit dem ersten Ausgang (6) in einer Einschalt-Betriebsart.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 28, gekennzeichnet durch Verbinden des Substratanschlusses des Feldeffekttransistors (37) im zweiten Schalter (29) mit dem zweiten Ausgang (7) in einer Stromspar-Betriebsart.