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Die
Erfindung betrifft einen Spannungskonverter.
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Spannungskonverter
werden in elektronischen Schaltungen dort eingesetzt, wo Schaltungsteile
mit einer Spannung versorgt oder gesteuert werden sollen, die größer oder
geringer als die Versorgungsspannung der Gesamtschaltung ist. Solche
Spannungen werden beispielsweise bei Treiberschaltungen für Beleuchtungselemente,
insbesondere für
Leuchtdioden, LED, in Spannungsversorgungsschaltungen, oder zur
Realisierung einer effizienten 3,3 V-Versorgung aus einer Lithiumionenbatterie
benötigt.
Diese Anwendungen erfordern es, unterschiedliche Ausgangsspannungen
zum Treiben einer elektrischen Last zur Verfügung zu stellen. Um eine möglichst
gute Effizienz zu erreichen, ist es daher erforderlich, mehrere
Ausgangsspannungen, die jeweils entweder größer oder geringer als die Versorgungsspannung
sind, bereitzustellen, damit eine dieser Ausgangsspannungen möglichst
nah am gewünschten
Zielwert liegt.
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Ein
Spannungskonverter kann kapazitiv oder induktiv arbeiten. Ein bekannter
kapazitiver Spannungskonverter umfasst drei Kapazitäten, die
in zwei Phasen betrieben werden. In der ersten Phase sind die Kapazitäten seriell
verschaltet. In der zweiten Phase sind die Kapazitäten parallel
geschaltet. Somit wird eine an die jeweilige Verschaltung angelegte
Versorgungsspannung in der zweiten Phase als das 1,33-fache der
Versorgungsspannung bereitgestellt.
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Eine
zu lösende
Aufgabe ist es, einen Spannungskonverter weiter zu verbessern.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch den Spannungskonverter des Patentanspruchs 1, sowie durch
die Schaltungsanordnung des Patentanspruchs 14. Weiterführungen
und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstände der abhängigen Ansprüche.
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In
einer Ausführungsform
sind bei einem Spannungskonverter ein erster und ein zweiter Anschluss vorgesehen,
die jeweils mit einem Schaltmittel gekoppelt sind. Das Schaltmittel
ist mit jeweiligen Anschlüssen zum
Anschließen
eines ersten Kondensators, eines zweiten Kondensators und eines
dritten Kondensators gekoppelt. Der Spannungskonverter ist zum Betrieb
in einer ersten und einer zweiten Betriebsart, die jeweils mindestens
drei Phasen umfassen, ausgelegt. Die drei Kondensatoren sind in
einer Phase in einer Serienschaltung zwischen den ersten Anschluss
und einen Bezugspotentialanschluss geschaltet. In den zwei anderen Phasen
sind jeweils ein erster und ein zweiter Pfad mit jeweils mindestens
einem der drei Kondensatoren in einer Parallelschaltung bezogen
auf den zweiten Anschluss verschaltet.
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Das
Schaltmittel ermöglicht
eine unterschiedliche Verschaltung der drei Kondensatoren untereinander,
sowie mit dem ersten und zweiten Anschluss in den zwei Betriebsarten
mit jeweils drei Phasen.
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Vorteilhafterweise
erhöht
die variable Verschaltung der drei Kondensatoren mit Hilfe des Schaltmittels die
Flexibilität
des Spannungswandlers.
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In
einer Weiterbildung ist in der ersten Betriebsart dem ersten Anschluss
eine Eingangsspannung zugeführt
und am zweiten Anschluss ist eine Ausgangsspannung bereitgestellt.
In der zweiten Betriebsart ist die Eingangsspannung dem zweiten
Anschluss zugeführt
und die Ausgangsspannung ist am ersten Anschluss bereitgestellt.
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In
der ersten Betriebart wird die dem ersten Anschluss zugeführte Eingangsspannung
in eine höhere Spannung
umgewandelt und am zweiten Anschluss bereitgestellt. In der zweiten
Betriebsart wird die Eingangsspannung dem zweiten Anschluss zugeführt, in
eine niedrigere Spannung umgewandelt und am ersten Anschluss bereitgestellt.
Die Umwandlung der Eingangsspannung in die Ausgangsspannung erfolgt
dabei jeweils in der ersten, zweiten und dritten Phase, in denen
die drei Kondensatoren jeweils mit dem Schaltmittel so verschaltet
sind, dass sich die entsprechende Ausgangsspannung einer Betriebsart
einstellt.
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Durch
das Zuführen
der Eingangsspannung am ersten Anschluss oder am zweiten Anschluss
und das Bereitstellen der Ausgangsspannung am zweiten Anschluss
oder am ersten Anschluss entsprechend der ersten oder zweiten Betriebsart
ist es mit dem vorliegenden Spannungskonverter vorteilhafterweise
möglich, Spannungen
wahlweise aufwärts
oder abwärts
zu wandeln. Dies ist auf besonders einfache Art und Weise möglich durch
Umschalten mit dem Schaltmittel.
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Vorzugsweise
sind die drei Kondensatoren gleich groß dimensioniert.
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In
einer Weiterbildung beträgt
in der ersten Betriebsart die Ausgangsspannung den 1,25-fachen Wert der
Eingangsspannung.
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In
der zweiten Betriebsart beträgt
die Ausgangsspannung den 0,8-fachen Wert der Eingangsspannung.
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Durch
das Umschalten von einer Betriebsart in die andere ist es vorteilhafterweise
möglich,
den jeweils reziproken Wert der Ausgangsspannung bereitzustellen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst die Serienschaltung in der einen Phase eine Reihenschaltung
aufweisend den ersten, den zweiten und den dritten Kondensator.
Bei der Reihenschaltung sind eine positive Elektrode des ersten
Kondensators mit dem ersten Anschluss, eine negative Elektrode des
ersten Kondensators mit einer positiven Elektrode des zweiten Kondensators,
eine negative Elektrode des zweiten Kondensators mit einer positiven
Elektrode des dritten Kondensators und eine negative Elektrode des
dritten Kondensators mit dem Bezugspotentialanschluss verbunden.
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Die
Phase mit der Serienschaltung entspricht dabei in der ersten Betriebsart
einer ersten Phase und in der zweiten Betriebsart einer dritten
Phase.
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In
einer Weiterbildung weist in einer dritten Phase der ersten Betriebsart
und in einer zweiten Phase der zweiten Betriebsart der erste Pfad
den ersten Kondensator und der zweite Pfad den zweiten Kondensator auf.
Dabei ist die positive Elektrode des ersten Kondensators mit der
positiven Elektrode des zweiten Kondensators, sowie mit dem ersten
Anschluss gekoppelt. Des Weiteren ist die negative Elektrode des
ersten Kondensators mit der negativen Elektrode des zweiten Kondensators,
sowie mit dem zweiten Anschluss gekoppelt.
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Vorteilhafterweise
führt diese
Realisierung ohne den dritten Kondensator zu einer Vereinfachung
des Schaltmittels.
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In
einer alternativen Ausführungsform
umfasst in den zwei anderen Phasen der jeweilige erste Pfad jeweils
eine weitere Reihenschaltung aufweisend den ersten und den zweiten
Kondensator. Der jeweilige zweite Pfad umfasst jeweils den dritten
Kondensator, dessen positive Elektrode mit dem zweiten Anschluss
gekoppelt ist.
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In
einer Weiterbildung ist in der zweiten Phase der ersten Betriebsart
und in der ersten Phase der zweiten Betriebsart in der weiteren
Reihenschaltung die positive Elektrode des ersten Kondensators mit
dem zweiten Anschluss gekoppelt, die negative Elektrode des ersten
Kondensators ist mit der positiven Elektrode des zweiten Kondensators
und dem ersten Anschluss gekoppelt, die negative Elektrode des zweiten
Kondensators ist mit der negativen Elektrode des dritten Kondensators
gekoppelt. In der dritten Phase der ersten Betriebsart und in der
zweiten Phase der zweiten Betriebsart ist in der weiteren Reihenschaltung
die positive Elektrode des zweiten Kondensators mit dem zweiten
Anschluss gekoppelt, die negative Elektrode des zweiten Kondensators
ist mit der positiven Elektrode des ersten Kondensators und dem
ersten Anschluss gekoppelt, die negative Elektrode des ersten Kondensators
ist mit der negativen Elektrode des dritten Kondensators gekoppelt.
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In
einer Weiterbildung umfassen die erste und die zweite Betriebsart
jeweils eine zyklische Abfolge der ersten, zweiten und dritten Phase.
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Dabei
entspricht die erste Phase der ersten Betriebsart der dritten Phase
der zweiten Betriebsart. Die zweite Phase der ersten Betriebsart
entspricht der ersten Phase der zweiten Betriebsart und die dritte
Phase der ersten Betriebsart entspricht der zweiten Phase der zweiten
Betriebsart.
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In
einer Weiterbildung ist in der ersten Betriebsart an einem dritten
Anschluss, der mindestens in der zweiten Phase mit der negativen
Elektrode des dritten Kondensators verbunden ist, eine zweite Ausgangsspannung
bereitgestellt. Die zweite Ausgangsspannung beträgt das 0,75-fache der Eingangsspannung.
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Vorteilhafterweise
wird die zweite Ausgangsspannung ohne Veränderung des Spannungskonverters in
der ersten Betriebsart zusätzlich
bereitgestellt. Damit ermöglicht
der Spannungskonverter gleichzeitig eine Auf- und Abwärtswandlung
der Eingangsspannung.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst das Schaltmittel mindestens einen geregelten Schalter zum
schaltbaren Verbinden eines Eingangs mit einem Ausgang und mehrere
Schaltelemente. Der geregelte Schalter weist einen Transistor, dessen
erster Anschluss den Eingang und dessen zweiter Anschluss den Ausgang
des geregelten Schalters bildet, auf.
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Der
geregelte Schalter trägt
dabei vorteilhafterweise zu einer Reduzierung des Rauschens des
Spannungskonverters und damit zu einer Erhöhung der elektromagnetischen
Verträglichkeit
bei.
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In
einer Weiterbildung weist der Transistor des geregelten Schalters
einen Steueranschluss auf, der schaltbar entweder mit einer Spannungsquelle
zum Ausschalten des Transistors oder mit einem Ausgang eines Transkonduktanzverstärkers verbunden
ist. Einem ersten Eingang des Transkonduktanzverstärkers ist eine
Sollspannung zugeführt.
Einem weiteren Eingang des Transkonduktanzverstärkers ist ein von der Ausgangsspannung
des Spannungskonverters abgeleitetes Signal zugeführt.
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Der
Transistor wird als einstellbarer Widerstand betrieben und über das
Verhältnis
zwischen dem von der Ausgangsspannung abgeleiteten Signal und der
Sollspannung geregelt.
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Vorteilhafterweise
wird durch diese Regelung das Rauschen des Spannungskonverters reduziert
und somit die elektromagnetische Verträglichkeit verbessert.
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In
einer weiteren Ausführungsform
umfasst ein Schaltelement einen elektronischen Schalter oder ein Transmissiongate.
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In
einer Weiterbildung weist das Schaltmittel weitere Schaltelemente
auf zum jeweiligen Betrieb des Spannungskonverters in einer dritten
Betriebsart, bei der die Ausgangsspannung das 1,33-fache der Eingangsspannung
beträgt,
einer vierten Betriebsart, bei der die Ausgangsspannung das 1,5-fache
der Eingangsspannung beträgt,
in einer fünften
Betriebsart, bei der die Ausgangsspannung das Doppelte der Eingangsspannung
beträgt,
und zum Betrieb in einer sechsten Betriebsart, bei der die Höhe der Ausgangsspannung
der Höhe
der Eingangsspannung entspricht. Dabei umfassen die dritte, vierte
und fünfte
Betriebsart jeweils mindestens zwei Phasen. Die sechste Betriebsart
wird in mindestens einer Phase realisiert.
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Vorteilhafterweise
werden mit einer möglichst
geringen Anzahl von Schaltelementen und mit nur drei Kondensatoren
sechs verschiedene Betriebsarten realisiert. Somit ist es einfacher möglich, eine
Ausgangsspannung zu erzeugen, die möglichst nah an einem gewünschten
Spannungswert liegt.
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In
einer Ausführungsform
umfasst eine Schaltungsanordnung mit einem wie oben beschriebenen Spannungskonverter
einen Eingang, einen Ausgang, mindestens einen weiteren Ausgang
zum Anschließen jeweils
eines anzusteuernden Bauteils, mindestens eine Stromquelle, eine
Steuereinheit, sowie eine Auswahleinheit. Der Eingang ist dabei
je nach Betriebsart des Spannungskonverters entweder mit dessen
erstem Anschluss oder mit dessen zweitem Anschluss gekoppelt. Dem
Eingang ist eine Versorgungsspannung zugeführt. An dem Ausgang, der je
nach Betriebsart des Spannungskonverters entweder mit dessen zweitem
Anschluss oder mit dessen erstem Anschluss in entgegengesetzter
Weise zur Kopplung des ersten und zweiten Anschlusses mit dem Eingang
gekoppelt ist, ist die Ausgangsspannung bereitgestellt. Die mindestens
eine Stromquelle ist eingangsseitig schaltbar entweder mit dem Eingang
der Schaltungsanordnung oder mit dem Ausgang der Schaltungsanordnung
verbunden. Ausgangsseitig ist sie mit dem mindestens einen weiteren Ausgang
verbunden. Die Steuereinheit ist zum Umschalten der jeweiligen schaltbaren
Verbindung der mindestens einen Stromquelle zwischen dem Ausgang
und dem Eingang eingerichtet. Die Auswahleinheit ist mit einer Schnittstelle
gekoppelt und zur Auswahl einer Betriebsart des Spannungskonverters
und zur Ansteuerung der Steuereinheit als Funktion von über die
Schnittstelle übertragenen
Informationen ausgelegt.
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Die
dem Eingang der Schaltungsanordnung zugeführte Versorgungsspannung wird
mit dem Spannungskonverter in die Ausgangsspannung umgesetzt. Dabei
legt die Auswahleinheit anhand der über die Schnittstelle zugeführten Informationen
die Betriebsart des Spannungskonverters und damit die Höhe der Aus gangsspannung
fest. Unter Berücksichtigung
der notwendigen Ausgangsspannung kann die Betriebsweise automatisch
gewählt
werden. Die Ausgangsspannung wird am Ausgang der Schaltungsanordnung
bereitgestellt. Zusätzlich
wird die Ausgangsspannung bei entsprechender Einstellung durch die
Steuereinheit jeweils der mindestens einen Stromquelle zugeführt. Alternativ
wird bei entgegengesetzter Einstellung durch die Steuereinheit der
mindestens einen Stromquelle die Versorgungsspannung zugeführt. An
dem mindestens einen weiteren Ausgang wird ein Strom zum Betrieb
des anzuschließenden
Bauteils abgegeben.
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Vorteilhafterweise
ermöglicht
es diese Schaltungsanordnung den Eingang der mindestens einen Stromquelle
zwischen Versorgungsspannung und Ausgangsspannung umzuschalten damit
die Effizienz noch weiter erhöht
wird.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der
Figuren näher
erläutert.
Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauelemente und Schaltungsteile
tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Schaltungsteile oder
Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung
nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
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Es
zeigen:
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1A und 1B eine
erste beispielhafte Ausführungsform
eines Spannungskonverters nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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2A und 2B eine
weitere beispielhafte Ausführungsform
eines Spannungskonverters nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
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3 eine
beispielhafte Ausführungsform
eines geregelten Schalters,
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4 ein
beispielhaftes Effizienzdiagramm, und
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5 eine
beispielhafte Ausführungsform
einer Schaltungsanordnung mit Spannungskonverter nach dem vorgeschlagenen
Prinzip.
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Die 1A und 1B zeigen
eine erste beispielhafte Ausführungsform
eines Spannungskonverters nach dem vorgeschlagenen Prinzip. In 1A ist
dabei eine erste Betriebsart in drei Phasen dargestellt. In 1B ist
eine zweite Betriebsart in drei Phasen dargestellt. Der Spannungskonverter
umfasst jeweils einen ersten Kondensator C1, einen zweiten Kondensator
C2, sowie einen dritten Kondensator C3, einen ersten Anschluss A,
einen zweiten Anschluss B, einen dritten Anschluss C, sowie einen
Bezugspotentialanschluss 10.
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In
der in 1A links gezeigten ersten Phase
der ersten Betriebsart sind die drei Kondensatoren C1, C2, C3 seriell
zwischen den ersten Anschluss A und den Bezugspotentialanschluss 10 geschaltet.
Im einzelnen ist eine positive Elektrode des ersten Kondensators
C1 mit dem ersten Anschluss A gekoppelt, eine negative Elektrode
des ersten Kondensators C1 ist mit einer positiven Elektrode des
zweiten Kondensators C2 gekoppelt, eine negative Elektrode des zweiten
Kondensators C2 ist mit einer positiven Elektrode des dritten Kondensators
C3 gekoppelt und eine negative Elektrode des dritten Kondensators
C3 ist mit dem Bezugspotentialanschluss 10 gekoppelt. Dem
ersten Anschluss A ist eine Eingangsspannung Vin zugeführt.
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In
einer zweiten Phase der ersten Betriebsart, die in der Mitte der 1A dargestellt
ist, sind die drei Kondensatoren C1, C2 und C3 in einem ersten und
einem zweiten Pfad P1, P2 parallel verschaltet. Der erste Pfad P1
weist eine erste Reihenschaltung RS1 umfassend den ersten Kondensator
C1 und den zweiten Kondensator C2 auf. Der zweite Pfad P2 umfasst
den dritten Kondensator C3. Dabei ist die positive Elektrode des ersten
Kondensators C1 mit der positiven Elektrode des dritten Kondensators
C3 gekoppelt, die negative Elektrode des ersten Kondensators C1
ist mit der positiven Elektrode des zweiten Kondensators C2, sowie
mit dem ersten Anschluss A gekoppelt, die negative Elektrode des
zweiten Kondensators C2 ist mit der negativen Elektrode des dritten
Kondensators C3 gekoppelt. Die positiven Elektroden des ersten und
des dritten Kondensators C1, C3 bilden den zweiten Anschluss B.
Die negativen Elektroden des zweiten und des dritten Kondensators
C2, C3 bilden zusammen den dritten Anschluss C.
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In
einer dritten Phase der ersten Betriebsart, die in 1A auf
der rechten Seite dargestellt ist, weist der erste Pfad P1 eine
weitere Reihenschaltung RS2 auf. In der weiteren Reihenschaltung
RS2 ist die positive Elektrode des zweiten Kondensators C2 mit der
positiven Elektrode des dritten Kondensators C3 gekoppelt, die negative
Elektrode des zweiten Kondensators C2 ist mit der positiven Elektrode
des ersten Kondensators C1, sowie mit dem ersten Anschluss A gekoppelt,
und die negative Elektrode des ersten Kondensators C1 ist mit der
negativen Elektrode des dritten Kondensators C3 gekoppelt. Dabei
bilden die positiven Elektroden des zweiten des dritten Kondensators
C2, C3 den zweiten Anschluss B. Die negativen Elektroden des ersten
des dritten Kondensators C1, C3 bilden den dritten Anschluss C.
Am zweiten Anschluss B wird eine Ausgangsspannung Vout bereitgestellt,
am dritten An schluss C wird eine weitere Ausgangsspannung Vout2
bereitgestellt. Die Ausgangsspannung Vout beträgt dabei das 1,25-fache der Eingangsspannung
Vin. Die weitere Ausgangsspannung Vout2 beträgt das 0,75-fache der Eingangsspannung
Vin.
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Die
erste, zweite und dritte Phase werden zyklisch durchlaufen getaktet
von einem internen Clocksignal. Bei Zufuhr einer Eingangsspannung
Vin von beispielsweise 4 V stellen sich in der ersten Phase die
Spannungen so ein, dass am ersten Kondensator, sowie am zweiten
Kondensator jeweils 1 V abfallen und am dritten Kondensator C3 2
V abfallen. In der zweiten und dritten Phase bleiben die Spannungsabfälle an den
Kondensatoren C1, C2 und C3 gleich groß, jedoch durch die unterschiedliche
Verschaltung stellt sich am zweiten Anschluss B die Ausgangsspannung
Vout in Höhe
von 5 V, am dritten Anschluss C die weitere Ausgangsspannung Vout2
in Höhe
von 3 V ein. In der dritten Phase bleiben die Spannungswerte aufgrund
der anderen Verschaltung gleich. Durch das Umschalten wird einer
Potentialdrift entgegengewirkt. Die Ladungen der Kondensatoren werden
ausgeglichen.
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1B zeigt
die zweite Betriebsart des Spannungskonverters. Die zweite Betriebsart
umfasst ebenfalls eine erste, eine zweite und eine dritte Phase.
Die links dargestellte erste Phase der zweiten Betriebsart entspricht
in ihrer Anordnung der zweiten Phase der ersten Betriebsart aus 1A Mitte.
Die zweite Phase der zweiten Betriebsart, die in der Mitte von 1B dargestellt
ist, entspricht der dritten Phase der ersten Betriebsart aus 1A rechts.
Die dritte Phase der zweiten Betriebsart, die rechts in 1B dargestellt
ist, entspricht der ersten Phase der ersten Betriebsart aus 1A links.
Bei allen drei Phasen der zweiten Betriebsart ist die Eingangsspannung
Vin dem zweiten Anschluss B zugeführt, und die Ausgangsspannung
Vout am ersten Anschluss A bereitgestellt. Der dritte Anschluss
C wird in der zweiten Betriebsart nicht genutzt.
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Die
Ausgangsspannung Vout beträgt
in der zweiten Betriebsart das 0,8-fache der Eingangsspannung Vin.
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Zur
Realisierung der unterschiedlichen Verschaltungen der drei Kondensatoren
C1, C2 und C3 in den jeweils drei Phasen der ersten und zweiten
Betriebsart ist ein hier nicht dargestelltes Schaltmittel vorgesehen. Das
Schaltmittel weist jeweilige Anschlüsse zum Anschließen des
ersten, des zweiten und des dritten Kondensators C1, C2, C3 auf.
Des Weiteren umfasst das Schaltmittel mindestens einen geregelten
Schalter, der in 3 dargestellt ist, sowie mehrere
Schaltelemente. Ein Schaltelement kann dabei als elektronischer
Schalter oder beispielsweise als Transmissiongate realisiert sein.
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Mit
der in den 1A und 1B gezeigten
Ausführungsform
des Spannungskonverters und dessen Betrieb in der ersten und zweiten
Betriebsart ist es vorteilhafterweise möglich, die Eingangsspannung
Vin sowohl in einen höheren
Wert der Ausgangsspannung Vout als auch in einen niedrigeren Wert
der Ausgangsspannung Vout zu konvertieren.
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Die 2A und 2B zeigen
eine weitere beispielhafte Ausführungsform
eines Spannungskonverters nach dem vorgeschlagenen Prinzip. 2A zeigt
die drei Phasen der ersten Betriebsart. Die Ausführungsform des Spannungskonverters
von 2A entspricht der Ausführungsform des Spannungskonverters aus 1A mit
Ausnahme der dritten Phase. In der dritten Phase von 2A ist
der Spannungskonverter ohne den dritten Kondensator C3 realisiert.
Somit umfasst der ers te Pfad P1 den ersten Kondensator C1, der zweite
Pfad P2 umfasst den zweiten Kondensator C2. Die negative Elektrode
des ersten Kondensators C1 ist mit dem ersten Anschluss A, sowie
mit der negativen Elektrode des zweiten Kondensators C2 gekoppelt.
Die positive Elektrode des ersten Kondensators C1 ist mit der positiven
Elektrode des zweiten Kondensators C2, sowie mit dem zweiten Anschluss
B gekoppelt. Wie in 1A beschrieben, wird auch in 2A am
zweiten Anschluss B die Ausgangsspannung Vout in Höhe des 1,25-fachen
der Eingangsspannung Vin bereitgestellt. Die weitere Ausgangsspannung
Vout2 wird am dritten Anschluss C in der zweiten Phase in Höhe des 0,75-fachen
der Eingangsspannung Vin zusätzlich
bereitgestellt.
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In 2B ist
die zweite Betriebsart dieser Ausführungsform des Spannungskonverters
dargestellt. Wie in 1B beschrieben, entspricht auch
die erste Phase von 2B der zweiten Phase von 2A,
die dritte Phase von 2A entspricht der zweiten Phase
von 2B und die erste Phase aus 2A entspricht der
dritten Phase von 2B. Die Ausgangsspannung Vout
wird am ersten Anschluss A in der zweiten Betriebsart in Höhe des 0,8-fachen
der Eingangsspannung Vin bereitgestellt.
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Auch
mit dieser Ausführungsform
des Spannungskonverters ist vorteilhafterweise eine Konvertierung der
Eingangsspannung Vin in Aufwärts-
und Abwärtsrichtung
möglich.
Des Weiteren ist diese Ausführungsform
besonders vorteilhaft, da sie weniger Schaltelemente benötigt.
| | Betriebsart |
| Schalter | 1:1 | 1:1.25 | 1:0.8 | 1:1.33 | 1:0.75 | 1:1.5 | 1:2 |
| C1– ... C2+ | | Ph1 | Ph3 | Ph1 | Ph2 | Ph1 | |
| C2– ... C3– | | Ph2 | Ph2 | | | | |
| | Betriebsart |
| Schalter | 1:1 | 1:1.25 | 1:0.8 | 1:1.33 | 1:0.75 | 1:1.5 | 1:2 |
| C2– ... C3+ | | Ph1 | Ph3 | Ph1 | Ph2 | | |
| 10
... C2– | | | | | | Ph1 | Ph1 |
| 10
... C3– | | Ph1 | Ph3 | Ph1 | Ph2 | | Ph2 |
| Vin
... C1– | | Ph2,
Ph3 | | Ph2 | | Ph2 | |
| Vin
... C1+ | Var1 | Ph1 | Ph1,
Ph2 | Ph1 | Ph1 | Ph1 | |
| Vin
... C2– | | Ph3 | | Ph2 | | Ph2 | Ph2 |
| Vin
... C2+ | Var2 | Ph2 | Ph1 | | Ph1 | | Ph1 |
| Vin
... C3– | | | | Ph2 | | | Ph1 |
| Vin
... C3+ | Var3 | | Ph2 | | Ph1 | | Ph2 |
| Vout
... C1– | | | Ph1,
Ph2 | | Ph1 | | |
| Vout
... C1+ | Var1 | Ph2,
Ph3 | Ph3 | Ph2 | Ph2 | Ph2 | |
| Vout
... C2– | | | Ph1 | | Ph1 | | |
| Vout
... C2+ | Var2 | Ph3 | Ph2 | Ph2 | | Ph2 | Ph2 |
| Vout
... C3– | | | | | Ph1 | | |
| Vout
... C3+ | Var3 | Ph2 | | Ph2 | | | Ph1 |
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Tabelle
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform
einer Implementierung des Schaltmittels, das für die in 1A und 1B sowie 2A und 2B gezeigten
Ausführungsformen
des Spannungskonverters eingesetzt ist. Dabei sind in den Zeilen
der ersten Spalte Schalter eingetragen, die weiteren Spalten zeigen jeweils
eine Betriebsart. Die Schalter werden in dem Schaltmittel als Schaltelemente
oder als geregelter Schalter implementiert. Vorzugsweise wird pro
Betriebsart jeweils ein Schalter als geregelter Schalter implementiert, alle
weiteren Schalter werden als Schaltelemente ausgeführt. In
der Tabelle 1 bezeichnet C1– die
negative Elektrode des ersten Kondensators C1, C1+ die positive
Elektrode des ersten Kondensators C1. C2+ bezeichnet die positive
Elektrode des zweiten Kondensators C2, C2– bezeichnet die negative Elektrode
des zweiten Kondensators C2. C3+ bezeichnet die positive Elektrode
des dritten Kondensators C3, C3– bezeichnet
die negative Elektrode des dritten Kondensators C3. 10 bezeichnet
den Bezugspotentialanschluss 10. Vin bezeichnet eine jeweilige
Kopplung mit dem ersten Anschluss A oder dem zweiten Anschluss B,
an welchem in der betreffenden Betriebsart die Eingangsspannung
Vin zugeführt
ist. Vout bezeichnet die Kopplung mit dem zweiten Anschluss B oder
dem ersten Anschluss A, an dem die Ausgangsspannung Vout in der
jeweiligen Betriebsart bereitgestellt ist. Beispielsweise bezeichnet
der Schalter C2– ...
C3+ die Verschaltung der negativen Elektrode des zweiten Kondensators
C2 mit der positiven Elektrode des dritten Kondensators C3. Der
Schalter Vin ... C1+ bezeichnet die Verschaltung zwischen der positiven
Elektrode des ersten Kondensators C1 und der Zufuhr der Eingangsspannung
Vin.
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Bei
den Betriebsarten sind die jeweils unterschiedlichen Phasen eingetragen.
Ph1 bezeichnet die erste Phase, Ph2 bezeichnet die zweite Phase
und Ph3 bezeichnet die dritte Phase. Dargestellt sind die erste Betriebsart
in der dritten Spalte der Tabelle, bei der die Ausgangsspannung
Vout das 1,25-fache der Eingangsspannung Vin beträgt. In der
vierten Spalte ist die zweite Betriebsart gezeigt, bei der die Ausgangsspannung Vout
das 0,8-fache der Eingangsspannung Vin beträgt. In der sechsten Spalte
ist ein weiterer Modus der ersten Betriebsart dargestellt, bei der
die Ausgangsspannung Vout das 0,75-fache der Eingangsspannung Vin
beträgt.
Wie der Tabelle zu entnehmen ist, umfasst das Schaltmittel zur Implementierung
dieser Betriebsarten 15 Schalter.
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Durch
Hinzufügen
weniger weiterer Schalter können
weitere Betriebsarten implementiert werden. In der fünften Spalte
ist die Implementierung einer dritten Betriebsart dargestellt, bei
der die Ausgangsspannung Vout das 1,33-fache der Eingangsspannung
Vin beträgt.
In der siebten Spalte ist eine vierte Betriebsart dargestellt, bei
der die Ausgangsspannung Vout das 1,5-fache der Eingangsspannung
Vin beträgt.
In der achten Spalte ist eine fünfte
Betriebsart dargestellt, bei der die Ausgangsspannung Vout das Doppelte
der Eingangsspannung Vin beträgt.
In der zweiten Spalte der Tabelle ist eine sechste Betriebsart dargestellt,
bei der die Höhe
der Ausgangsspannung Vout der Höhe
der Eingangsspannung Vin entspricht. Hierfür gibt es mit dem dargestellten
Schaltmittel drei Realisierungsmöglichkeiten,
die als Var1, Var2 und Var3 bezeichnet sind. Die dritte, vierte
und fünfte
Betriebsart werden jeweils in zwei Phasen, die sechste Betriebsart
wird in lediglich einer Phase realisiert.
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Aus
der Tabelle 1 ist ersichtlich, dass durch Hinzufügen von lediglich zwei Schaltern,
nämlich
des Schalters Vin ... C3– und
des Schalters 10 ... C2– vier
weitere Betriebsarten mit diesem Spannungskonverter realisiert werden
können.
Vorteilhafterweise ist die Anzahl der Schalter geringer als die
Summe der Schalter bei einzelnen Implementierungen für jede Betriebsart.
Somit wird mit diesem Spannungskonverter mit der geringen Anzahl
von nur drei Kondensatoren und einer geringen Anzahl von Schaltern
die Ausgangsspannung Vout in sieben unterschiedlichen Höhen bereitgestellt.
Durch diese Vielzahl an Ausgangsspannungshöhen ist es möglich, in
der gewünschten
Anwendung jeweils eine Ausgangsspannung zu wählen, die nahe am gewünschten
Zielwert liegt, da diese mit hoher Effizienz erzeugt werden kann.
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3 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
eines geregelten Schalters. Der geregelte Schalter umfasst einen
Transistor T, dessen Steueranschluss G schaltbar entweder mit einem
Transkonduktanzverstärker
OTA oder mit einer Spannungsquelle Voff verbunden ist. Die Spannungsquelle
Voff ist auf den Bezugspotentialanschluss 10 bezogen. Ein
erster Anschluss des Transistors T bildet einen Eingang E des geregelten Schalters.
Ein zweiter Anschluss des Transistors T bildet einen Ausgang D des
geregelten Schalters. Der Transkonduktanzverstärker OTA weist einen ersten
Eingang E1 zum Zuführen
einer Sollspannung Vs, sowie einen zweiten Eingang E2 zum Zuführen der
Ausgangsspannung Vout auf. Der Transistor T ist als Metal Oxide Semiconductor,
MOS, Transistor implementiert. Er kann einen NMOS- oder einen PMOS-Transistor
mit einem zurückgehängten Bulkanschluss
oder einem schaltbaren Bulkanschluss aufweisen.
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Der
Eingang E, sowie der Ausgang D des geregelten Schalters sind jeweils
Endpunkte eines in Tabelle 1 dargestellten Schalters. Beispielsweise
realisiert der geregelte Schalter den Schalter der achten Zeile
der Tabelle 1, wobei der Anschluss für die Versorgungsspannung Vin
den Eingang E und der Anschluss der negativen Elektrode des ersten
Kondensators C1 den Ausgang D des geregelten Schalters bilden. Der
Transistor T wird über
das Verhältnis
zwischen Ausgangsspannung Vout und Sollspannung Vs geregelt. Dabei
wird die Sollspannung Vs entsprechend der Betriebsart des Spannungskonverters
gewählt. Über die
Spannungsquelle Voff wird der Transistor T ausgeschaltet. Somit
wird der Transistor als einstellbarer Widerstand betrieben.
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Durch
diese Regelung wird vorteilhafterweise das Rauschen des Spannungskonverters
reduziert. Über
den einstellbaren Widerstand können
interne Verluste erhöht
werden, um hohe Stromspitzen zu vermeiden. Dies verbessert die elektromagnetische
Verträglichkeit.
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4 zeigt
ein beispielhaftes Effizienzdiagramm eines Spannungskonverters.
Auf der Abszisse ist die Eingangsspannung Vin mit Werten zwischen
2,5 und 5 V dargestellt. Die Or dinate zeigt den Wirkungsgrad n in
Prozent. Die durchgezogene Linie zeigt die Effizienz des hier vorgestellten
Spannungskonverters. Im Vergleich dazu ist mit gestrichelter Linie
die Effizienz eines induktiven Boost-Konverters dargestellt. Die
Effizienz des Spannungskonverters beträgt durchschnittlich 87% und
liegt in dem dargestellten Eingangsspannungsbereich fast immer über 80%
Somit ist die Performance dieses Spannungskonverters eher vergleichbar
mit einem induktiven Boost-Konverter,
der wie gezeigt einen Wirkungsgrad von etwa 85% hat. Zudem ist die
Realisierung eines kapazitiven Spannungskonverters kostengünstiger
und Platz sparender, da keine großen und teuren Induktivitäten erforderlich
sind.
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5 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
einer Schaltungsanordnung mit Spannungskonverter nach dem vorgeschlagenen
Prinzip. Die Schaltungsanordnung 30 umfasst einen Spannungskonverter 20,
eine Steuereinheit 21, eine Auswahleinheit 22,
sowie drei Stromquellen I1, I2 und I3. Einem Eingang In der Schaltungsanordnung 30 ist
eine Versorgungsspannung Vbat zugeführt. An einem Ausgang O der
Schaltungsanordnung 30 ist die Ausgangsspannung Vout bereitgestellt.
Der Eingang In ist je nach Betriebsart des Spannungskonverters 20 entweder
mit dessen erstem Anschluss A oder mit dessen zweitem Anschluss
B gekoppelt. Der Ausgang O ist je nach Betriebsart des Spannungskonverters 20 entweder
mit dessen zweitem Anschluss B oder mit dessen erstem Anschluss
A in entgegen gesetzter Weise zur Kopplung des ersten und zweiten
Anschlusses A, B mit dem Eingang In gekoppelt. Die drei Stromquellen
I1, I2 und I3 sind jeweils über
einen Schalter entweder mit dem Eingang In oder mit dem Ausgang
O der Schaltungsanordnung 30 gekoppelt. Das Umschalten
dieser Stromquellenschalter wird von der Steuereinheit 21 ausgelöst. Ein
von der Stromquelle I1 abgegebener Strom wird an einem weiteren
Ausgang A2 bereitgestellt.
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Ein
von der Stromquelle I2 erzeugter Strom wird an einem weiteren Ausgang
A3 bereitgestellt. Ein von der Stromquelle I3 erzeugter Strom wird
an einem weiteren Ausgang A4 bereitgestellt. Die Höhe des jeweils an
den weiteren Ausgängen
A2, A3, A4 bereitgestellten Stromes wird jeweils von der Auswahleinheit 22 bestimmt.
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Die
Auswahleinheit 22 ist mit einer Schnittstelle 23,
sowie mit dem Schaltmittel SW des Spannungskonverters 20 und
der Steuereinheit 21 gekoppelt. Anhand der über die
Schnittstelle 23 übertragenen
Informationen wählt
die Auswahleinheit 22 die Betriebsart des Spannungskonverters 20 aus
und leitet entsprechende Steuerinformationen an die Steuereinheit 21.
Bei der Auswahl der Betriebsart wird ebenso die notwendige Spannung
zum Betrieb der Stromquellen I1, 12, I3 berücksichtigt. Dieses Vorgehen
wird als sogenanntes englisch automatic modeswitching bezeichnert.
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Der
Spannungskonverter 20 weist wie oben beschrieben den ersten,
den zweiten und den dritten Kondensator C1, C2, C3, sowie das Schaltmittel
SW auf. Das Schaltmittel SW ist dabei wie in Tabelle 1 dargestellt implementiert
und somit zur Realisierung aller in dieser Tabelle dargestellten
Betriebsarten ausgelegt. Der erste, der zweite und der dritte Kondensator
C1, C2, C3 sind hier beispielhaft gleich groß mit jeweils 500 nF dimensioniert.
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Des
Weiteren ist die äußere Beschaltung
der Schaltungsanordnung 30 dargestellt. Die Versorgungsspannung
Vbat wird von einer Spannungsquelle 11 erzeugt und über einen
Kondensator Cbat dem Eingang In zugeführt. Dem Ausgang O der Schaltungsanordnung 30 ist
ein Kondensator Cout nachgeschaltet, der die Ausgangsspannung Vout
glättet.
Die Kondensatoren Cbat und Cout sind hier beispielsweise mit 1 μF dimensioniert.
An die weiteren Ausgänge
A2, A3, A4 ist beispielhaft jeweils eine Leuchtdiode LED1, LED2
und LED3 angeschlossen. Die Leuchtdioden LED1, LED2 und LED3 sind
jeweils auf den Bezugspotentialanschluss 10 bezogen.
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Die
Schaltungsanordnung 30 realisiert also einen Treiber für die drei
Leuchtdioden LED1, LED2 und LED3. Vorteilhafterweise kann die zum
Betrieb einer jeweiligen Leuchtdiode bereitgestellte Spannung die
Betriebsart des Spannungskonverters bestimmen. Damit erhöht sich
die Effizienz der Gesamtschaltung.
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- 10
- Bezugspotentialanschluss
- 11
- Spannungsquelle
- 20
- Spannungskonverter
- 21
- Steuereinheit
- 22
- Auswahleinheit
- 23
- Schnittstelle
- A
- erster
Anschluss
- A2,
A3, A4
- Ausgang
- B
- zweiter
Anschluss
- C
- dritter
Anschluss
- C1,
C2, C3
- Kondensator
- Cbat,
Cout
- Kondensator
- D,
O
- Ausgang
- E,
E1, E2, In
- Eingang
- G
- Steueranschluss
- I1,
I2, I3
- Stromquelle
- T
- Transistor
- OTA
- Transkonduktanzverstärker
- Voff
- Spannungsquelle
- Vin
- Eingangsspannung
- Vout,
Vout2
- Ausgangsspannung
- Vbat
- Versorgungsspannung
- Vs
- Sollspannung
- S
- Serienschaltung
- P1,
P2
- Parallelschaltung
- RS1,
RS2
- Reihenschaltung
- SG
- Schalter
- SW
- Schaltmittel
- LED1,
LED2, LED3
- Leuchtdiode