DE102006032418A1 - Voltage converter i.e. direct current-direct current-voltage converter for generating active voltage supply, has terminal provided for connecting inductor, and switches connecting terminal with input, outputs and ground line - Google Patents
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Abstract
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungswandler und ein Verfahren zur Spannungswandlung.The The present invention relates to a voltage converter and a method for voltage conversion.
Zur Konversion von Gleichspannungen werden üblicherweise induktive DCDC-Konverter eingesetzt. Solche Konverter können beispielsweise nach dem Buck- oder nach dem Boost-Prinzip arbeiten, je nach dem, ob eine Abwärts- oder Aufwärtskonversion einer Eingangsspannung gewünscht ist.to Conversion of DC voltages are usually inductive DCDC converters used. Such converters can for example, work according to the buck or the boost principle, depending on whether a downward or upconversion an input voltage desired is.
Sollen mehrere Ausgangsspannungen bereitgestellt werden, so ist normalerweise je ein DCDC-Konverter pro gewünschter Ausgangsspannung erforderlich. Dies hat jedoch den Nachteil, dass jeder Konverter eine eigene Induktivität benötigt. Diese Induktivität wird häufig als externes Bauteil realisiert und hat in jedem Fall einen verhältnismäßig großen Flächenbedarf.Should multiple output voltages are provided, so is normal one DCDC converter per desired one Output voltage required. However, this has the disadvantage that everyone Converter own inductance needed. This inductance becomes common realized as an external component and in any case has a relatively large space requirement.
In
dem Aufsatz
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Spannungswandler anzugeben, der Ausgangsspannungen unterschiedlicher Polarität erzeugt und dabei mit nur einer Induktivität auskommt.task the present invention is to provide a voltage converter, the output voltages of different polarity generated and thereby with only an inductance gets along.
Die Aufgabe wird bezüglich der Vorrichtung durch einen Spannungswandler gelöst, aufweisend einen Eingang zum Zuführen einer Eingangsspannung, einen ersten Ausgang zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung, einen zweiten Ausgang zum Bereitstellen einer invertierten Ausgangsspannung, Mittel zum Anschließen einer Induktivität, und Schaltmittel, die die Mittel zum Anschließen der Induktivität mit dem Eingang, dem ersten Ausgang, dem zweiten Ausgang und einem Bezugspotentialanschluss koppeln.The Task is relative the device solved by a voltage converter, having an input for feeding an input voltage, a first output for providing an output voltage, a second output for providing an inverted output voltage, means to connect an inductance, and switching means comprising the means for connecting the inductor to the Input, the first output, the second output and a reference potential terminal couple.
Nach dem vorgeschlagenen Prinzip ist der Spannungswandler dazu eingerichtet, mit lediglich einer Induktivität zwei unterschiedliche Ausgangsspannungen, nämlich eine Ausgangsspannung und eine invertierte Ausgangsspannung bereitzustellen.To the proposed principle, the voltage converter is set up to with only one inductance two different output voltages, namely an output voltage and to provide an inverted output voltage.
Hierfür sind Schaltmittel vorgesehen, die Mittel zum Anschließen der Induktivität mit einem Eingang des Spannungswandlers, einem ersten Ausgang, einem zweiten Ausgang sowie einem Bezugspotentialanschluss koppeln.For this purpose are switching means provided, the means for connecting the inductance with a Input of the voltage converter, a first output, a second Coupling output and a reference potential connection.
Die Schaltmittel sind bevorzugt so ausgeführt, dass der Spannungswandler bezüglich des ersten Ausgangs in einem Boost-Betrieb, also als Aufwärtswandler, arbeitet.The Switching means are preferably designed so that the voltage converter in terms of the first output in a boost mode, ie as an up-converter, is working.
Bezüglich des zweiten Ausgangs zum Bereitstellen der invertierten Ausgangsspannung arbeitet der Spannungswandler bevorzugt als inverting Converter, also als invertierender Wandler. Das bedeutet, dass das Vorzeichen der am zweiten Ausgang abgegebenen Spannung bei positiv anliegender Eingangsspannung negativ ist.Regarding the second output for providing the inverted output voltage the voltage converter works preferentially as inverting converter, So as an inverting converter. That means the sign the voltage delivered to the second output when the voltage is positive Input voltage is negative.
Bevorzugt umfasst der Spannungswandler eine Steuereinheit, die die Schaltmittel ansteuert.Prefers The voltage converter comprises a control unit which controls the switching means controls.
Die Steuereinheit umfasst in einer Ausführungsform einen Eingang zum Zuführen eines Taktsignals. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Steuereinheit einen internen Taktgenerator. Der Takt dient dabei bevorzugt zum Steuern des Schaltmittels in periodischer Art und Weise, beispielsweise zum Betrieb eines getakteten Spannungswandlers.The Control unit comprises in one embodiment an input to Respectively a clock signal. In another embodiment, the control unit comprises an internal clock generator. The clock is preferably used for Controlling the switching means in a periodic manner, for example for the operation of a clocked voltage transformer.
Das Mittel zum Anschließen einer Induktivität hat bevorzugt zwei Anschlüsse, zwischen denen eine Induktivität anschließbar ist.The Means for connection has an inductance prefers two connections, between which an inductance connectable is.
Das Schaltmittel umfasst bevorzugt vier Schalter, von denen ein Schalter den Eingang des Spannungswandlers mit dem ersten Anschluss des Mittels zum Anschließen einer Induktivität koppelt, ein zweiter Schalter den Bezugspotentialanschluss mit dem zweiten Anschluss des Mittels zum Anschließen einer Induktivität koppelt, ein dritter Schalter der den ersten Anschluss des Mittels zum Anschließen einer Induktivität mit dem zweiten Ausgang des Spannungswandlers koppelt und ein vierter Schalter den zweiten Anschluss des Mittels zum Anschließen einer Induktivität mit dem ersten Ausgang des Spannungswandlers koppelt.The Switching means preferably comprises four switches, one of which switch the input of the voltage transformer with the first connection of the means to connect an inductance coupled, a second switch the reference potential terminal with the second terminal of the means for connecting an inductance, a third switch connecting the first terminal of the means for connecting a inductance coupled to the second output of the voltage converter and a fourth Switch the second port of the means for connecting a inductance coupled to the first output of the voltage converter.
Es ist demnach ein Aspekt des vorgeschlagenen Prinzips, dass der erste Ausgang des Spannungswandlers an einem Anschluss des Mittels zum Anschließen der Induktivität über einen Schalter gebildet ist und dass der zweite Ausgang ebenfalls über einen Schalter an einem anderen Anschluss des Mittels zum Anschließen der Induktivität gebildet ist.It is therefore an aspect of the proposed principle that the first Output of the voltage transformer at a connection of the means for connecting the Inductance over one Switch is formed and that the second output also has a Switch on another connection of the means for connecting the inductance is formed.
Die Steuereinheit ist bevorzugt zur Ansteuerung der Schalter mit jeweiligen Steueranschlüssen der Schalter verbunden.The Control unit is preferred for driving the switch with respective Control terminals of the Switch connected.
Zur Realisierung eines so genannten Voltage Mode DCDC-Wandlers sind bevorzugt der erste und der zweite Ausgang über ein Mittel zur Spannungsmessung mit der Steuereinheit verbunden.To realize a so-called Voltage Mode DCDC converter, the first and the second output are preferably via a means for voltage Measurement connected to the control unit.
Alternativ oder zusätzlich können Mittel zur Stromerfassung vorgesehen sein. Bevorzugt ist ein erstes Mittel zur Stromerfassung in den Laststromzweig am ersten Ausgang und ein weiteres Mittel zur Stromerfassung in den mit dem Bezugspotential verbundenen Stromzweig geschaltet. Hierdurch kann ein so genannter Current Mode DCDC-Wandler realisiert sein.alternative or additionally can Means be provided for current detection. Preferred is a first Means for current sensing in the load current branch at the first output and another means for current detection in the with the reference potential connected branch. This can be a so-called Current Mode DCDC converter be realized.
Alternativ oder zusätzlich kann ein Mittel zur Spannungsmessung am Eingang des Spannungswandlers angeschlossen sein zur Erfassung der Eingangsspannung, welches ebenfalls wie die anderen Mittel zur Spannungsmessung und die Mittel zur Stromerfassung mit der Steuereinheit verbunden sein kann.alternative or additionally can be a means of voltage measurement at the input of the voltage converter be connected to detect the input voltage, which also like the other means of voltage measurement and the means of current detection can be connected to the control unit.
In einer Ausführungsform ist am ersten und am zweiten Ausgang je ein Kondensator angeschlossen. Unter bestimmten Bedingungen, beispielsweise wenn eine am Ausgang angeschlossene Last kapazitiv ist, kann auf den Kondensator verzichtet werden. Der Kondensator ist jeweils bevorzugt mit einem Bezugspotentialanschluss verbunden.In an embodiment a capacitor is connected to the first and the second output. Under certain conditions, for example when one is at the exit connected load is capacitive, can dispense with the capacitor become. The capacitor is in each case preferred with a reference potential terminal connected.
Die Schalter sind bevorzugt mit jeweiligen Transistoren, beispielsweise Feldeffekt-Transistoren aufgebaut.The Switches are preferred with respective transistors, for example Field effect transistors built.
Einige der Schalter, beispielsweise der dritte und/oder der vierte Schalter können jedoch auch eine Diode umfassen.Some the switch, for example the third and / or the fourth switch can but also include a diode.
Parallel zu dem Mittel zum Anschließen einer Induktivität ist ein Bypass-Schalter in einer Ausführungsform vorgesehen.Parallel to the means for connection an inductance For example, a bypass switch is provided in one embodiment.
Der Bypass-Schalter ist dabei so geschaltet, dass bei angeschlossener Induktivität eine Parallelschaltung der Induktivität mit dem Bypass-Schalter gebildet ist.Of the Bypass switch is switched so that when connected inductance formed a parallel connection of the inductance with the bypass switch is.
Der Bypass-Schalter umfasst bevorzugt einen Transistor, beispielsweise einen Feldeffekt-Transistor. Der Bypass-Schalter ist in einer Ausführungsform zu seiner Ansteuerung mit der Steuereinheit verbunden.Of the Bypass switch preferably comprises a transistor, for example a field effect transistor. The bypass switch is in one embodiment connected to its control with the control unit.
Bevorzugt ist an das Mittel zum Anschließen einer Induktivität eine Induktivität angeschlossen.Prefers is the means of connecting one inductance an inductance connected.
Die Induktivität ist bevorzugt mit je einem Anschluss mit einem ersten und einem zweiten Anschluss des Mittels zum Anschließen einer Induktivität verbunden.The inductance is preferred, each with a connection with a first and a second terminal of the means for connecting an inductance connected.
Während der übrige Spannungswandler bevorzugt in einer integrierten Schaltung realisiert ist, kann die Induktivität eine extern an einen Halbleiterkörper, umfassend die integrierte Schaltung des Spannungswandlers, anschließbare Induktivität sein. Alternativ kann die Induktivität eine On-Chip-Induktivität sein.While the rest of the voltage converter is preferably implemented in an integrated circuit, the inductance an external to a semiconductor body, comprising the integrated circuit of the voltage converter, be connectable inductance. alternative can the inductance be an on-chip inductor.
Bezüglich des Verfahren wird die Aufgabe gelöst durch Zuführen einer Eingangsspannung, Konvertieren der Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung mittels einer Induktivität und Kon vertieren der Eingangsspannung in eine invertierte Ausgangsspannung mittels der Induktivität.Regarding the Procedure, the task is solved by feeding an input voltage, converting the input voltage into one Output voltage by means of an inductance and con vert the input voltage in an inverted output voltage by means of the inductance.
Bevorzugt sind die Eingangsspannung und die Ausgangsspannungen DC-Spannungen.Prefers Both the input voltage and the output voltages are DC voltages.
Das Umsetzen der Eingangsspannung in die Ausgangsspannung erfolgt in einer Ausführungsform nach dem Boost-Prinzip.The The input voltage is converted into the output voltage in an embodiment according to the boost principle.
Dem gegenüber erfolgt das Konvertieren der Eingangsspannung in eine invertierte Ausgangsspannung bevorzugt in einem so genannten invertierenden Betrieb.the across from the input voltage is converted to an inverted one Output voltage preferably in a so-called inverting Business.
Dabei ist der Betrieb des Spannungswandlers bevorzugt getaktet.there the operation of the voltage converter is preferably clocked.
Das Konvertieren der Eingangsspannung in die Ausgangsspannung und das Konvertieren der Eingangsspannung in die invertierte Ausgangsspannung können beim getakteten Betrieb bevorzugt abwechselnd periodisch erfolgen.The Convert the input voltage to the output voltage and the Convert the input voltage to the inverted output voltage can in the pulsed operation preferably take place alternately periodically.
Alternativ ist es auch möglich, mehrere aufeinander folgende Taktperioden lang den Boost-Betrieb durchzuführen und anschließend eine oder mehrere Taktperioden lang den Inverting-Betrieb.alternative it is also possible several consecutive clock periods long the boost operation perform and subsequently one or more clock periods in the inverting mode.
Beispielsweise kann ein Aufladen der Induktivität in einer ersten Taktphase erfolgen. Hierfür ist die Induktivität bevorzugt zwischen den Eingang des Spannungswandlers und einen Bezugspotentialanschluss geschaltet. Nachfolgend kann die Induktivität in einer zweiten Taktphase entladen werden, indem der Eingang des Spannungswandlers über die Induktivität mit dem ersten Ausgang des Spannungswandlers verbunden ist.For example may be charging the inductor take place in a first clock phase. For this purpose, the inductance is preferred between the input of the voltage converter and a reference potential terminal connected. Subsequently, the inductance in a second clock phase be discharged by the input of the voltage transformer over the inductance is connected to the first output of the voltage converter.
Nachfolgend kann wieder die erste Taktphase durchgeführt werden, wie bereits beschrieben. Danach ist bevorzugt vorgesehen, zum Bereitstellen der invertierten Ausgangsspannung den Bezugspotentialanschluss über die Induktivität mit dem eingangsseitig an der Induktivität angekoppelten zweiten Ausgang zu verbinden.following can again be performed the first clock phase, as already described. After that is preferably provided for providing the inverted output voltage the reference potential connection via the inductance with the input coupled to the inductor second output connect to.
Danach können sich die beschriebenen Taktphasen periodisch wiederholen.After that can the described clock phases repeat periodically.
In einer Ausführung ist eine weitere Taktphase vorgesehen, in welcher die Induktivität überbrückt beziehungsweise kurzgeschlossen ist. Dies dient insbesondere dazu, unterschiedliche Leistungen am ersten und zweiten Ausgang bereitstellen zu können.In an execution a further clock phase is provided in which the inductance bridges or shorted. This serves in particular to different To provide services at the first and second output.
Damit in allen Taktphasen die erste und zweite Ausgangsspannung bereitgestellt werden können, ist es vorteilhaft, die Ausgangsspannung kapazitiv zu stützen.In order to provided in all clock phases, the first and second output voltage can be it is advantageous to capacitively support the output voltage.
Weitere Einzelheiten und Ausgestaltungen des vorgeschlagenen Prinzips sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.Further Details and embodiments of the proposed principle are Subject of the dependent Claims.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand von Figuren näher erläutert.The Invention will be described below in several embodiments with reference to Figures explained in more detail.
Dabei zeigen:there demonstrate:
In den beschriebenen Ausführungsbeispielen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder gleich wirkende Teile.In the described embodiments like reference characters designate like or equivalent parts.
Optional
ist zumindest ein Mittel zur Stromerfassung vorgesehen, das den
Strom in einem stromführenden
Zweig misst. Insbesondere sind mehrere Mittel zur Strommessung positioniert,
um die Ströme durch
mehrere Schalter zu erfassen. Im Ausführungsbeispiel der
Der
erste Schalter S1, die Induktivität
Zugleich
ist mit der gleichen Induktivität
ein invertierender Betrieb möglich.
Hierfür
ist die Induktivität
Demnach können die Steuereinheit sowie die Induktivität und der erste und der zweite Schalter S1, S2 für die Bereitstellung beider Ausgangsspannungen mit benutzt werden. Insgesamt ergibt sich mit dem vorgeschlagenen Prinzip ein verringerter Chipflächenbedarf und insbesondere der Vorteil, Ausgangsspannungen unterschiedlicher Polarität und vorzugsweise gleichen Betrags mit einer DCDC-Wandleranordnung zu erzeugen, welche lediglich eine Induktivität benötigt.Accordingly, the control unit as well as the inductance and the first and second switches S1, S2 can be used for the provision of both output voltages. Overall, the proposed principle results in a reduced chip area requirement and in particular the advantage of off supply voltages of different polarity and preferably the same amount with a DCDC converter arrangement to produce, which only requires an inductance.
Die
Funktionsweise der Schaltung von
Mit
dem zusätzlichen
Schalter ist es möglich, unterschiedliche
Leistungen an den beiden Ausgängen
In einem herkömmlichen Boost-Betrieb mit nur einer Ausgangsspannung würden sich die Taktperioden A, B periodisch abwechseln.In a conventional one Boost operation with only one output voltage would be the clock cycles A, B alternate periodically.
Um
nun sowohl am zweiten Ausgang
In
einer ersten Betriebsart werden die vier Taktperioden A, B, A, B*
wie anhand von
Alternativ können jeweils mehrere gleichartige Taktfolgen hintereinander ausgeführt werden, beispielsweise in einer Folge A, B, A, B, A, B, A, B*, A, B*, A, B*. Dies wird auch als Burst-Betrieb bezeichnet.alternative can in each case a plurality of identical clock sequences are carried out in succession, for example in a sequence A, B, A, B, A, B, A, B *, A, B *, A, B *. This is also called burst operation.
Wenn
verschiedene Leistungen an den beiden Ausgangsanschlüssen
In einer weiteren Betriebsart ist es daher möglich, nach der Sequenz A, B, A, B* die Taktphase C einzufügen, was resultiert in der periodischen Wiederholung von A, B, A, B*, C.In another mode, it is therefore possible, after the sequence A, B, A, B * insert the clock phase C, which results in the periodic repetition of A, B, A, B *, C.
In
einer vierten Betriebsart kann die Taktphase A gemäß
Selbstverständlich kann auch die Reihenfolge geändert werden, in einer fünften Betriebsart, bei der die Sequenz A, B*, B periodisch wiederholt wird.Of course you can also changed the order be, in a fifth Mode in which the sequence A, B *, B repeats periodically becomes.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Steuerverfahrens ist die Summe der Zeitintervalle aller Taktphasen konstant.In a preferred embodiment of the control method is the sum of the time intervals of all clock phases constant.
Um
konstante Spannungen an den Ausgängen
Diese Ausführung zeichnet sich dadurch aus, dass die Hochspannungstauglichkeit der Schaltung verbessert ist. Die Durchbruchspannung der Dioden ist höher wie bei einem Stan dard-NMOS-Transistor, dessen Drain eine begrenzte Spannungsfestigkeit aufweist.These execution is characterized by the fact that the high voltage capability of the Circuit is improved. The breakdown voltage of the diodes is higher as in a standard NMOS transistor whose drain has a limited current Has dielectric strength.
Die
beiden Schottky-Dioden D1, D2 von
Zusätzlich ist
ein Widerstand R1 zwischen den zweiten Ausgang
Bei
dem beschrieben Betrieb gemäß
Im
Burst-Mode, bei dem jeweils mehrere Taktzyklen gleicher Art wiederholt
werden, beispielsweise A, B, A, B, A, B, A, B*, A, B*, A, B*, kann
der Wechsel der Betriebsart beispielsweise dadurch ausgelöst werden,
dass die am ersten und zweiten Ausgang
Das vorgeschlagene Prinzip ist beispielsweise für die aktive Versorgungsspannungserzeugung von organischen Leuchtdioden, OLED, geeignet, sowie für jede andere Anwendung, bei der positive und negative Versorgungsspannungen, die stabil sind, in Form von Gleichspannungen benötigt werden.The proposed principle is, for example, for the active supply voltage generation of organic light emitting diodes, OLED, suitable, as well as for each other Application in which positive and negative supply voltages, which are stable, needed in the form of DC voltages.
- 11
- Eingangentrance
- 22
- erster Ausgangfirst output
- 33
- zweiter Ausgangsecond output
- 44
- Anschlussconnection
- 4'4 '
- Anschlussconnection
- 55
- Induktivitätinductance
- 66
- BezugspotentialanschlussReference potential terminal
- 77
- Steuereinheitcontrol unit
- 88th
- Mittel zur Stromerfassungmedium for current detection
- 99
- Mittel zur Stromerfassungmedium for current detection
- AA
- erste Taktphasefirst clock phase
- BB
- zweite Taktphasesecond clock phase
- B*B *
- dritte Taktphasethird clock phase
- CC
- vierte Taktphasefourth clock phase
- C1C1
- Kondensatorcapacitor
- C2C2
- Kondensatorcapacitor
Claims (14)
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DE102006032418A DE102006032418A1 (en) | 2006-07-13 | 2006-07-13 | Voltage converter i.e. direct current-direct current-voltage converter for generating active voltage supply, has terminal provided for connecting inductor, and switches connecting terminal with input, outputs and ground line |
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DE102006032418A1 true DE102006032418A1 (en) | 2008-01-17 |
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