DE102012110324A1

DE102012110324A1 - Digitale Steigungssteuerung für einen Gleichspannungswandler mit geschalteten Kapazitäten

Info

Publication number: DE102012110324A1
Application number: DE201210110324
Authority: DE
Inventors: Werner Höllinger; Gerhard MADERBACHER; Stefano Marsili
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-10-27
Filing date: 2012-10-29
Publication date: 2013-05-02
Also published as: US9780655B2; US20150222187A1; US20130106380A1; CN103151914A; US9007791B2

Abstract

Erfindungsgemäße Ausführungsformen von Vorrichtungen und Verfahren minimieren Schaltverluste in einem Gleichspannungswandler (100) mit geschalteten Kapazitäten. Die Steigung der Lade- und/oder der Entlade-Phase kann verändert werden, wobei die Übergänge vom Laden zum Entladen und/oder vom Entladen zum Laden der geschalteten Kapazität (C2; C3) geglättet werden.

Description

Hintergrund der Erfindung
Verschiedene mobile oder tragbare elektronische Vorrichtungen weisen einen verringerten Strombedarf auf, da einige der Systeme innerhalb dieser Vorrichtungen bei geringen Spannungen (beispielsweise 3,0 V; 1,5 V) betrieben werden. Solche elektronischen Vorrichtungen verwenden oft Gleichspannungswandler bzw. Gleichstromwandler („dc-dc converter“), um Spannungen, welche von ihren Spannungsversorgungen verfügbar sind, in kleinere Spannungen, welche von diesen Systemen eingesetzt werden, „abwärts zu wandeln“.
Typische Gleichspannungswandler umfassen Gleichspannungswandler mit geschalteten Kapazitäten, welche einen oder mehrere Schalter aufweisen, die eine oder mehrere „fliegende Kapazitäten“ steuern. Die Schalter bestimmen, wann die fliegenden Kapazitäten geladen und entladen werden, um der Last Strom bzw. Leistung zuzuführen. Die fliegenden Kapazitäten können von einer geregelten Stromquelle geladen werden und können zumindest teilweise zu einem „Puffer“ oder einer Ausgangskapazität, welche parallel mit der Last gekoppelt ist, entladen werden.
Die Gleichspannungswandler mit geschalteten Kapazitäten weisen jedoch im Allgemeinen den Nachteil von Schaltverlusten auf. Die Schaltverluste umfassen einen Leistungsverlust, welcher sich aus der Leistung ergibt, die eingesetzt wird, um die Schalter zu betreiben. Diese Schaltverluste müssen nicht abhängig von dem zugeführten Laststrom sein, da in vielen Fällen der Betrieb der Schalter unabhängig von der Last konstant ist. Beispielsweise können die Schalter dieselbe Energie pro Schaltvorgang unabhängig von der Last erfordern, und dieselbe Anzahl von Schaltern kann für einen großen Bereich von Lastströmen, welche durch den Gleichspannungswandler zugeführt werden, im Betrieb sein.
Die vorliegende Erfindung stellt sich die Aufgabe, den Übergang zwischen den Lade- und Entladephasen bei einem Gleichspannungswandler mit geschalteten Kapazitäten weniger abrupt als nach dem Stand der Technik zu gestalten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein System nach Anspruch 1 oder 8 gelöst. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die detaillierte Beschreibung wird mit Bezug zu den beigefügten Figuren fortgesetzt. In den Figuren identifiziert/en die am weitesten links stehende(n) Ziffer(n) eines Bezugszeichens die Figur, in welcher dieses Bezugszeichen das erste Mal auftritt. Die Verwendung derselben Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren zeigt ein ähnliches oder ein identisches Element an.
1A ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Gleichspannungswandlers mit geschalteten Kapazitäten, in welchem die erfindungsgemäßen Verfahren implementiert werden können.
1B ist eine schematische Darstellung eines Beispiels eines Gleichspannungswandlers mit geschalteten Kapazitäten, welcher mehrere Energie speichernde Kapazitäten und mehrere Schalter aufweist, gemäß einer Ausführungsform.
2A ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften ersten Betriebsart des in 1B dargestellten Gleichspannungswandlers.
2B ist eine schematische Darstellung einer beispielhaften zweiten Betriebsart des in 1B dargestellten Gleichspannungswandlers.
2C ist eine schematische Darstellung einer dritten Betriebsart des in 1B dargestellten Gleichspannungswandlers.
3A ist eine schematische Darstellung eines Teils eines Gleichspannungswandlers mit geschalteten Kapazitäten gemäß einer Ausführungsform, wobei ein Digital-Analog-Wandler eingesetzt ist.
3B ist eine schematische Darstellung eines Teils eines Gleichspannungswandlers mit geschalteten Kapazitäten gemäß einer Ausführungsform, wobei mehrere Hilfsschalter eingesetzt sind.
4 ist ein Blockdiagramm einer digitalen Regelschleife für einen Gleichspannungswandler gemäß einer Ausführungsform.
5 ist ein Blockdiagramm einer digitalen Steuereinheit für einen Gleichspannungswandler gemäß einer Ausführungsform.
6 ist ein Blockdiagramm einer digitalen Steuereinheit für einen Gleichspannungswandler gemäß einer anderen Ausführungsform.
7A ist eine schematische Darstellung eines Teils eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform, wobei ein Multiplexer und ein Digital-Analog-Wandler eingesetzt sind.
7B ist eine schematische Darstellung eines Teils eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform, wobei ein Tiefpassfilter und ein Digital-Analog-Wandler eingesetzt sind.
8A ist eine schematische Darstellung eines Teils eines Gleichspannungswandlers, wobei Verfahren zur Steuerung der Steigung gemäß einer Ausführungsform eingesetzt sind.
8B ist eine schematische Darstellung eines Teils eines Gleichspannungswandlers, wobei Verfahren zur Steuerung der Steigung gemäß einer anderen Ausführungsform eingesetzt sind.
9 stellt eine beispielhafte Wellenform für Verfahren zur Steuerung der Steigung gemäß einer Ausführungsform dar.
10A ist ein Flussdiagramm, welches ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung des Schaltens eines Gleichspannungswandlers gemäß einer Ausführungsform darstellt.
10B ist ein Flussdiagramm, welches ein beispielhaftes Verfahren zur Steuerung des Schaltens eines Gleichspannungswandlers gemäß einer anderen Ausführungsform darstellt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Überblick
Erfindungsgemäße Implementierungen von Verfahren und/oder Vorrichtungen stellen die Steuerung von Schalteigenschaften bei Gleichspannungswandlern mit geschalteten Kapazitäten bereit. In verschiedenen Implementierungen werden die Schalteigenschaften abhängig von Lasteigenschaften (beispielsweise der Größe des Laststroms) verändert. Die Schalteigenschaften können verändert werden, um Schaltverluste in dem Gleichspannungswandler zu verringern, zu minimieren oder zu vermeiden.
Ein typischer Gleichspannungswandler mit geschalteten Kapazitäten enthält einen oder mehrere Schalter, welche eine oder mehrere Energie speichernde Kapazitäten (auch als „flying capacitors“ bekannt) steuern. Bei einer Ausführungsform kann der Betrieb der Schalter (d.h. das „Ein“- und „Aus“-Schalten der Schalter) verändert werden, indem individuelle Schalter oder Gruppen von Schaltern abhängig von der Last zugeschaltet und abgeschaltet werden. Beispielsweise kann sich eine minimale Anzahl von Schaltern für eine vorgegebene Zeit für eine vorgegebene Last in Betrieb befinden, wobei andere Schalter konstant in einem offenen oder in einem geschlossenen Zustand gehalten werden. Bei Änderungen bezüglich der Last kann ein oder können mehrere Schalter zu- oder abgeschaltet werden, um dadurch die veränderte Last zu berücksichtigen, was dazu führt, dass mehr oder weniger Schalter im Betrieb sind und die verbleibenden Schalter konstant in ihrem Zustand verbleiben.
Bei einer anderen Ausführungsform kann ein oder können mehrere Schalter mehrere individuell zu betreibende Hilfsschalter umfassen. Individuelle Hilfsschalter oder Gruppen von Hilfsschaltern können sich für eine vorgegebene Zeit für eine vorgegebene Last in Betrieb befinden, wobei andere Schalter und/oder Hilfsschalter konstant in einem offenen oder in einem geschlossenen Zustand gehalten werden. Bei weiteren Ausführungsformen können die Schalter und/oder die Hilfsschalter beispielsweise mittels einer digitalen Steuereinheit für einen Betrieb ausgewählt werden. Abhängig von einer Anzahl von Schaltern und/oder Hilfsschaltern, welche in einem Gleichspannungswandler eingesetzt werden, kann eine geregelte Ausgangsspannung fein eingestellt werden und Schaltverluste können genau gesteuert werden. Beispielsweise kann eine größere Anzahl von Hilfsschaltern eine genauere Einstellung der geregelten Ausgangsspannung und eine genauere Steuerung von Schaltverlusten ermöglichen.
In dieser Offenbarung werden verschiedene Ausführungsformen von Schaltsteuerungen für einen Gleichspannungswandler mit geschalteten Kapazitäten diskutiert. Die Verfahren und Vorrichtungen zur Schaltsteuerung werden mit Bezug zu Schaltbildern und verschiedenen entsprechenden Wellenformen der beispielhaften Gleichspannungswandler, welche in den Figuren dargestellt sind, diskutiert. Die diskutierten Verfahren und Vorrichtungen können für verschiedenste Entwürfe, Schaltungen und Vorrichtungen von Gleichspannungswandlern angewendet werden und gehören zum beanspruchten Schutzumfang.
Die vorliegende Erfindung weist folgende Vorteile auf: 1) eine fehlerfreie und genaue Schaltsteuerung bei einer Betriebsart mit geringen Strömen; 2) eine Quantifizierung der ausgewählten Schalter, der Anzahl der betriebenen Schalter und der Steuerspannungen zum Betrieb der Schalter; 3) eine verbesserte Effizienz der Gleichspannungswandler bei Lasten mit geringem Strom; 4) geringer Energieverbrauch bei den Schaltvorgängen; 5) die Möglichkeit Untermengen von Schaltern zum Betrieb auszuwählen während die übrigen Schalter ihren Zustand konstant halten; und 6) es sind keine zusätzlichen geregelten Stromquellen außerhalb des Schaltnetzes notwendig. Die Vorteile der offenbarten Verfahren werden bei Anwendungen und Entwürfen offensichtlicher, welche für geringere Stromgrößen und höhere Frequenzen entworfen sind.
Die Ausführungsformen werden im Folgenden mittels mehrerer Beispiele im Detail erläutert. Obwohl verschiedene Ausführungsformen und Beispiele diskutiert werden, sind weitere Ausführungsformen und Beispiele möglich, indem die Merkmale und Elemente der einzelnen Ausführungsformen und Beispiele kombiniert werden.
Beispielhafter Gleichspannungswandler mit geschalteten Kapazitäten
1A stellt eine schematische Zeichnung für eine beispielhafte Schaltung 100 eines Gleichspannungswandlers dar, wobei Verfahren und/oder Vorrichtungen eingesetzt werden können, um eine Schaltsteuerung (beispielsweise ein programmierbares Schalten, eine programmierbare zeitliche Steuerung der Schalter) bereitzustellen. Diese Verfahren und/oder Vorrichtungen können als Teil der Schaltung 100 des Gleichspannungswandlers oder als Teil eines anderen Systems (beispielsweise als Peripherie eines Gleichspannungswandlers 100) implementiert werden. Der in 1A dargestellte Gleichspannungswandler ist als ein Abwärtswandler („Buck“-Wandler) dargestellt und beschrieben, welcher die Eingangsgleichspannung (V_IN) auf eine bestimmte niedrigere Ausgangsgleichspannung (V_OUT) reduziert. Diese Darstellung wurde jedoch zur Vereinfachung der Diskussion gewählt. Die hier beschriebenen Verfahren und Vorrichtungen bezüglich der Schaltsteuerung für Gleichspannungswandler sind jedoch nicht auf Abwärtswandler eingeschränkt und können auf andere Typen von Gleichspannungswandler (beispielsweise Aufwärtswandler, verstärkende Wandler, Inverswandler (Buck-Boost-Converter)) angewendet werden. Obwohl Gleichspannungswandler mit geschalteten Kapazitäten diskutiert werden, können die beschriebenen Verfahren und/oder Vorrichtungen auch für andere Arten von Gleichspannungswandlern und auch Gleichstromwandlern eingesetzt werden. Dennoch wird durchweg der allgemeine Begriff „Gleichspannungswandler“ verwendet.
Wie in 1A dargestellt ist, kann ein beispielhafter Gleichspannungswandler 100 mit einem Netzwerk 102 von Schaltern (wie beispielsweise den Schaltern T1, T2, T3 und T4) und Energie speichernden Elementen (wie beispielsweise dem Energiespeicherelement C2) entworfen werden. Bei einer Ausführungsform kann einer oder können mehrere der Schalter T1–T4 das Laden und/oder Entladen des Energie Speicherelement C2 steuern. Der eine oder die mehreren Schalter T1–T4 arbeiten, indem sie gemäß eines Zeitschemas geöffnet und geschlossen werden, um ein Laden mittels einer Spannungsquelle (z. B. V_IN) und ein Entladen mittels einer Last (dargestellt als Last R_L) zu ermöglichen. In 1A sind vier Schalter (T1, T2, T3 und T4) zur Vereinfachung der Diskussion dargestellt. Bei verschiedenen Ausführungsformen können auch mehr oder weniger Schalter in einem Gleichspannungswandler 100 eingesetzt werden.
Die Last R_L kann eine Vorrichtung, ein System oder dergleichen darstellen, welchem durch den Gleichspannungswandler 100 Leistung zugeführt wird und welches Strom verbraucht. Beispielsweise kann die Last R_L ein Untersystem einer Kommunikationsvorrichtung, eines Microcontrollers oder dergleichen darstellen. Bei einigen Ausführungsformen kann, wie es in 1A dargestellt ist, ein Gleichspannungswandler 100 eine Lastkapazität C_L (d.h. eine Pufferkapazität) und eine zugehörige Impedanz R_C parallel zu der Last R_L aufweisen. Bei solchen Ausführungsformen wird das Energiespeicherelement C2 auch über die Lastkapazität C_L entladen, wodurch eine zusätzliche Energie für die Last R_L verfügbar gemacht wird und ein gepuffertes Laden ermöglicht wird. Der Ausgang des Gleichspannungswandlers 100 (V_OUT) ist in dem Beispiel der 1A als die Spannung über der Last R_L dargestellt.
Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Schalter T1–T4 als Metalloxid-Halbleiter-Bauelementen (MOS-Bauelementen), beispielsweise als Metalloxid-Halbleiter vom P-Typ (PMOS) und/oder als Metalloxid-Halbleiter vom N-Typ (NMOS), welche beispielsweise über ein Taktsignal gesteuert werden, ausgeführt sein. Bei anderen Ausführungsformen können die Schalter T1–T4 unter Verwendung von Dioden, von anderen Typen von Transistoren oder dergleichen implementiert werden. Die Energiespeichervorrichtung C2 kann durch eine Kapazität oder eine ähnliche Energiespeichervorrichtung implementiert werden.
Die Anzahl der Energiespeicherelemente C2, welche in dem beispielhaften Gleichspannungswandler eingesetzt werden, kann abhängig von dem Verhältnis der Eingangsspannung (V_IN) zur Ausgangsspannung (V_OUT) gewählt werden, um die Energieübertragung von der Eingangsquelle zu der Ausgangslast zu maximieren. Bei beispielhaften Ausführungsformen kann für ein Verhältnis von 2:1 (VIN ≥ 2 × VOUT) ein Energiespeicherelement C2 ausreichend sein, und für ein Verhältnis von 3:1 (VIN ≥ 3 × VOUT) können zwei Energiespeicherelemente C2 ausreichend sein, usw. Dementsprechend können zusätzliche Energiespeicherelemente C2 zusätzliche Schalter T1–T4 erforderlich machen (siehe beispielsweise das Netzwerk 104 der 1B).
Ein beispielhafter Betrieb wird unter Verwendung der Schaltung der 1A erläutert, wobei eine Ausführungsform eines Gleichspannungswandlers 100 mit einem Verhältnis von 2:1 dargestellt ist. Der beschriebene Betrieb ist nicht auf die dargestellte Schaltung beschränkt und kann auch für verschiedene andere Schaltungskonfigurationen von Gleichspannungswandlern eingesetzt werden. Einbezogen sind ein Energiespeicherelement C2, die Schalter T1 und T3, welche mit einem ersten Anschluss von C2 gekoppelt sind, und die Schalter T2 und T4, welche mit einem zweiten Anschluss von C2 gekoppelt sind.
Indem die Schalter geöffnet und geschlossen werden, kann der erste Anschluss von C2 über den Schalter T1 mit dem positiven Anschluss der Eingangsquelle V_IN oder über den Schalter T3 mit dem positiven Anschluss der Pufferkapazität C_L (und V_OUT) verbunden werden. Der zweite Anschluss von C2 kann entweder über T4 mit dem negativen Anschluss der Eingangsquelle V_IN oder über T2 mit dem positiven Anschluss der Pufferkapazität C_L (und V_OUT) verbunden werden. Bei einer Ausführungsform, kann einer oder können mehrere der Schalter T1–T4 programmierbar sein, um in einem konstanten Zustand zu verbleiben, während einer oder mehrere der anderen Schalter ihre Zustände während einer vorbestimmten Anzahl von Schaltzyklen wechseln bzw. hin und her schalten.
Eine Energieübertragung kann durch zwei verschiedene sich abwechselnde Schaltkonfigurationen erhalten werden, wie es im Folgenden beschrieben wird. In einer ersten Phase werden T1 und T2 geschlossen und T3 und T4 sind offen. Das Energiespeicherelement C2 liegt in Reihe mit der Pufferkapazität C_L. Die Energie strömt von der Quelle V_IN zu dem Ausgang und lädt C2. Während der zweiten Phase sind T3 und T4 geschlossen und T1 und T2 offen. Das Energiespeicherelement C2 liegt nun parallel zu der Pufferkapazität C_L. Die Energie, welche in dem Energiespeicherelement C2 während der ersten Phase gespeichert wird, wird zu der Pufferkapazität C_L und zu der Last R_L übertragen.
Bei einer Ausführungsform weist das Energiespeicherelement C2 und die Pufferkapazität C_L im stationären Zustand eine Spannung auf, welche im Wesentlichen gleich V_OUT ist. Daher tritt während der ersten Phase, wenn das Energiespeicherelement C2 und die Pufferkapazität C_L in Reihe verbunden sind, eine Energieübertragung von der Quelle V_IN auf, wenn V_IN ≥ 2 × V_OUT gilt. Dabei kann die Energieübertragung umso effizienter sein, je dichter V_IN an 2 × V_OUT liegt.
Bei dieser Diskussion wird vorausgesetzt, dass ein idealer Übergang zwischen den zwei vorab beschriebenen Phasen existiert. Die beschriebenen Verfahren sind jedoch nicht auf diesen Fall beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen können zusätzliche Phasen zwischen den zwei Phasen eingesetzt werden, um Kurzschlusssituationen zu vermeiden. Das Vorhandensein von zusätzlichen Phasen liegt im Umfang der vorliegenden Erfindung.
1B stellt schematisch einen beispielhaften Gleichspannungswandler mit geschalteten Kapazitäten dar, welcher ein Netzwerk 104 aufweist, welches mehrere Energiespeicherelemente (C2 und C3) und mehrere Schalter (T1 –T9) besitzt. Wie in 1B dargestellt ist, können die Schalter eines Gleichspannungswandlers 100 bei einer ersten Schaltkonfiguration derart konfiguriert werden, dass die Energiespeicherelemente C2 und C3 in Serie liegen, und in einer zweiten Schaltkonfiguration derart konfiguriert werden, dass die Energiespeicherelemente C2 und C3 parallel liegen. Darüber hinaus können die Schalter des Gleichspannungswandlers 100 in einer dritten Schaltkonfiguration auch derart konfiguriert werden, dass die Energiespeicherelemente C2 und C3 in Reihe mit der Ausgangskapazität C_L liegen, und können in einer vierten Schaltkonfiguration derart konfiguriert werden, dass die Energiespeicherelemente C2 und C3 parallel zu der Ausgangskapazität C_L liegen. Alternative oder zusätzliche Konfigurationen sind bei anderen Ausführungsformen auch möglich.
Bei verschiedenen Ausführungsformen können die Betriebsprinzipien, welche vorab mit Bezug zu 1A beschrieben sind, auf den Gleichspannungswandler 100 der 1B angewendet werden. Darüber hinaus können bei verschiedenen Ausführungsformen zumindest drei Betriebsarten mit der Schaltung der 1B realisiert werden.
Mit Bezug zu 2A wird ein erstes Beispiel einer Betriebsart im Folgenden beschrieben. Die erste Betriebsart setzt ein Verhältnis von 3:1 (V_IN ≥ 3 × V_OUT) ein. In einer ersten Phase, welche in 2A als Schaltungskonfiguration 202 dargestellt ist, sind die Schalter T6, T2 und T5 geschlossen und die anderen Schalter sind offen. Die Energiespeicherelemente C2 und C3 liegen in Reihe mit der Pufferkapazität C_L. Die Energie strömt von der Quelle V_IN zu dem Ausgang V_OUT und lädt C2 und C3. Während der zweiten Phase, welche in 2A als Schaltungskonfiguration 204 dargestellt ist, sind die Schalter T1, T7, T9 und T4 geschlossen, wobei die anderen Schalter offen sind. Die Energiespeicherelemente C2 und C3 liegen nun parallel zu der Pufferkapazität C_L. Die Energie, welche in den Energiespeicherelementen C2 und C3 während der ersten Phase gespeichert wird, wird zu der Pufferkapazität C_L übertragen.
In einem stationären Zustand weisen die Energiespeicherelemente C2 und C3 und die Pufferkapazität C_L eine Spannung auf, welche näherungsweise gleich V_OUT ist. Daher wird während der ersten Phase eine Energieübertragung von der Quelle V_IN bewerkstelligt, wenn V_IN ≥ 3 × V_OUT gilt. Je dichter V_IN an 3 × V_OUT liegt, desto effizienter ist die Energieübertragung.
Mit Bezug zu 2B wird ein zweites Beispiel einer Betriebsart im Folgenden beschrieben. Die zweite Betriebsart verwendet ein Verhältnis von 2:1 (V_IN ≥ 2 × V_OUT). Bei der zweiten Betriebsart wird nur ein Energiespeicherelement, beispielsweise C2, verwendet. In einer ersten Phase, welche in 2B als Schaltungskonfiguration 206 dargestellt ist, sind die Schalter T4 und T9 offen und die Schalter T8 und T5 sind geschlossen. Das Energiespeicherelement C2 liegt in Reihe mit der Pufferkapazität C_L. Die Energie fließt von der Quelle V_IN zu dem Ausgang V_OUT und lädt das Energiespeicherelement C2. Während der zweiten Phase, welche in 2B als Schaltungskonfiguration 208 dargestellt ist, sind die Schalter T8 und T5 offen und die Schalter T4 und T9 geschlossen. Das Energiespeicherelement C2 liegt nun parallel zu der Pufferkapazität C_L. Die Energie, welche während der ersten Phase in dem Energiespeicherelement C2 gespeichert wird, wird auf die Pufferkapazität C_L übertragen.
Im stationären Zustand weisen das Energiespeicherelement C2 und die Pufferkapazität C_L eine Spannung auf, welche näherungsweise gleich V_OUT ist. Daher wird während der ersten Phase eine Energieübertragung von der Quelle V_IN bewerkstelligt, wenn V_IN ≥ 2 × V_OUT gilt. Je dichter V_IN an 2 × V_OUT liegt, desto effizienter ist die Energieübertragung.
Bei alternativen Ausführungsformen müssen die Schalter, welche mit dem zweiten Energiespeicherelement C3 verbunden sind, nicht notwendigerweise alle offen sein, wie es in 2B der Fall ist. Eine spezielle (statische) Konfiguration der Schalter, welche mit C3 gekoppelt sind, kann ausgewählt werden, um einen Übergang von der zweiten Betriebsart zu der ersten Betriebsart oder zu der dritten Betriebsart leichter oder problemloser vorzunehmen.
Mit Bezug auf 2C wird im Folgenden ein drittes Beispiel einer Betriebsart beschrieben. Die dritte Betriebsart verwendet auch ein Verhältnis von 2:1 (V_IN ≥ 2 × V_OUT), verwendet aber beide Energiespeicherelemente C2 und C3 in einer „Gegentakt“-Konfiguration.
Die dritte Betriebsart ist im Allgemeinen äquivalent mit der zweiten Betriebsart, wobei aber in diesem Fall beide Energiespeicherelemente C2 und C3 verwendet werden. In der ersten Phase, welche in 2C als Schaltungskonfiguration 210 dargestellt ist, wird C2 entladen, während C3 geladen wird. In der zweiten Phase, welche in 2C als Schaltungskonfiguration 212 dargestellt ist, wird C2 geladen, während C3 entladen wird. Die dritte Betriebsart weist eine Stromleistungsfähigkeit auf, welche im Vergleich zur zweiten Betriebsart doppelt so groß ist.
Wie bereits vorab erwähnt ist, sei angenommen, dass ein idealer Übergang zwischen den zwei Phasen jeder vorab beschriebenen Betriebsart stattfindet. Die beschriebenen Verfahren sind jedoch nicht auf diesen Fall beschränkt. Bei einigen Ausführungsformen können bei einer oder bei mehreren der Betriebsarten zusätzliche Phasen zwischen den zwei Phasen eingesetzt werden, um Kurzschlusssituationen zu vermeiden. Das Vorhandensein von zusätzlichen Phasen bei einer oder bei mehreren der Betriebsarten liegt im Umfang der vorliegenden Erfindung.
Darüber hinaus können auch Betriebsarten, welche andere Spannungsverhältnisse (beispielsweise ein Verhältnis von 1:1 oder ein aufwärts wandelndes Verhältnis) einsetzen, Betriebsarten, welche zusätzliche Energiespeicherelemente und/oder Schalter umfassen, und Betriebsarten, welche andere Komponenten mit ähnlichem Verhalten umfassen, eingesetzt werden. Darüber hinaus können die erfindungsgemäßen Gleichspannungswandler zusätzliche Komponenten aufweisen, welche in den Figuren nicht dargestellt sind.
Beispielhafte Schaltsteuerung
Bei einer Ausführungsform arbeitet einer oder arbeiten mehrere der Schalter T1–T9 in ähnlicher Weise wie ein variabler Widerstand. Wenn beispielsweise einer oder mehrere der Schalter als Metalloxid-Halbleiter (MOS-Bauelement) implementiert sind, kann die Gate-Source-Spannung der MOS-Bauelemente in analoger Weise wie eine variable Impedanz des Schalters eingesetzt werden. Wenn ein Schalter offen ist, ist die Impedanz des Schalters sehr hoch (z. B. im Bereich von Megaohm). Dagegen ist die Impedanz des Schalters, wenn der Schalter geschlossen ist, (dieser Widerstand wird auch als R_ON bezeichnet) sehr gering. Bei verschiedenen Ausführungsformen bestimmt der Wert von R_ON für einen Schalter einen maximalen Strom, welchen der Gleichspannungswandler 100 von der Eingangsquelle zu dem Ausgang übertragen kann (siehe 1A und 1B).
Bei einer Ausführungsform mit einem einzigen Energiespeicherelement C2, wie es in 1A dargestellt ist, kann unter der Voraussetzung, dass alle Schalter denselben Wert für R_ON aufweisen, der maximale Strom, welcher übertragen werden kann, wie folgt berechnet werden: Imax = (V_IN – 2 × V_OUT)/2/(2 × R_ON) (1)
Beispielsweise beträgt unter der Annahme V_IN = 3,3 V; V_OUT = 1,5 V; R_ON = 0,5 Ohm der maximale Strom, welchen ein beispielhafter Gleichspannungswandler der 1A einer Last bereitstellt, 150 mA. Wenn eine angeforderte Stromlast größer als 150 mA ist, ist es (ohne weitere Maßnahmen) nicht möglich, die erforderliche Ausgangsspannung V_OUT = 1,5 V zu erhalten. Auf der anderen Seite ist es für alle Lastströme unterhalb von 150 mA möglich, die Ausgangsspannung V_OUT = 1,5 V einzustellen. Wenn stattdessen vorausgesetzt ist, dass die angeforderte Stromlast 50 mA beträgt, kann die Ausgangsspannung, welche in einer offenen Regelschleife erhalten wird, indem zwischen den zwei vorab beschriebenen Phasen geschaltet wird, wie folgt berechnet werden: Vout_ol = (V_IN – Iload × 2 × (2 × R_ON))/2 = 1,6 V (2)
Dadurch ergibt sich eine Ausgangsspannung, welche um 100 mV größer als die angeforderten 1,5 V ist. Die Verfahren zur Einstellung der Impedanz der Schalter, welche im Folgenden beschrieben werden, können daher auch eingesetzt werden, um die Ausgangsspannung auf einen erforderlichen Wert zu regeln.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der Widerstand R_ON von einem oder von mehreren der Schalter T1–T9 ausgewählt und die Impedanz des einen oder der mehreren Schalter T1–T9 eingestellt werden. Bei einer Ausführungsform ist die Impedanz von einem oder von mehreren der Schalter T1–T9 abhängig von der Last, welche mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers 100 gekoppelt ist, einstellbar.
Bei einer Ausführungsform umfasst mindestens einer der Schalter T1–T9 einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 302, welcher ausgestaltet ist, um die Impedanz des Schalters einzustellen. Dies ist in 3A dargestellt, wobei der Schalter T1 als ein MOS-Transistor T1A implementiert dargestellt ist. Der Transistor T1A ist „ein“-geschaltet (d.h. der T1A befindet sich in einem leitenden Zustand), was bedeutet, dass der Schalter T1A geschlossen ist, wenn die Gate-Source-Spannung (V_GS) groß genug ist. Bei dem in 3A dargestellten Beispiel kann die V_GS des Schalters T1A für die ein- oder durchgeschaltete Phase durch den DAC programmiert werden, wobei effektiv die Impedanz des Schalters T1A eingestellt wird. Die Spannung V_GS des Schalters T1A für die „aus“-geschaltete Phase liegt unterhalb der Schwellenspannung des MOS-Bauelements T1A.
Wieder mit dem vorab beschriebenen Beispiel, wobei ein Gleichspannungswandler 100 eine angeforderte Stromlast von 50 mA aufweist, kann, unter der Voraussetzung dass der Widerstand des Schalters T2 im eingeschalteten Zustand (R_{ON_2}) 0,5 Ohm beträgt, der Widerstand des Schalters T1A im eingeschalteten Zustand (R_{ON_1A}) bestimmt werden, indem in der Gleichung (2) ersetzt wird: Iload = (V_IN – 2 × V_OUT)/2/(R_{ON_1A} + R_{ON_2})
Dadurch ergibt sich für R_{ON_1A}: R_{ON_1A} = (V_IN – 2 × V_OUT – 2 × R_{ON_2} × Iload)/(2 × Iload) R_{ON_1A} = 2,5 Ohm.
Daher kann bei einer Ausführungsform die Impedanz eines Schalters, welcher als ein MOS-Bauelement implementiert ist, mittels folgender Gleichung bestimmt werden:
Dabei ist C_ox die Oxidkapazität, W die Kanalbreite, L die Kanallänge und V_TH die Schwellenspannung des MOS-Bauelements.
Daher kann beispielsweise ein DAC 302 eingesetzt werden, um die V_GS eines Schalters einzustellen, und es ergibt sich die gewünschte Impedanz für den Schalter. Bei verschiedenen Ausführungsformen können mehrere oder alle der Schalter T1 –T9 eines Gleichspannungswandlers 100 mit einem DAC 302 ausgeführt werden, welcher ausgestaltet ist, um die Impedanz der Schalter einzustellen. Bei einigen Ausführungsformen kann ein oder können mehrere der Schalter T1–T9 abhängig von einem digitalen Wort für die Impedanzeinstellung ausgewählt werden. Darüber hinaus kann jeder der Schalter zur Impedanzeinstellung abhängig von einem anderen digitalen Wort, welches dem jeweiligen entsprechenden Schalter zugeordnet ist, ausgewählt werden. Dies kann der Fall sein, wenn jeder Schalter mit einem DAC 302 ausgeführt ist. Ein digitales Wort kann eine vorbestimmte Anzahl von Bit umfassen, wobei jedes der Bit eine Schaltinformation darstellt, wie beispielsweise: Identifizieren des Schalters, Darstellen einer bestimmten Impedanz für den Schalter, Übermitteln anderer Steuerinformationen, usw. Bei einigen Ausführungsformen kann das digitale Wort eine Eingabe für den DAC 302 (wie beispielsweise V_{gs_dig} in 3A) sein.
Bei verschiedenen Ausführungsformen können die vorab beschriebenen Verfahren beispielsweise bezüglich der Leitfähigkeit (G = 1/R_ON) der Schalter T1–T9 während ihres „ein“-geschalteten Zustands angewendet werden.
Bei einer anderen Ausführungsform, wie sie in 3B dargestellt ist, kann ein Schalter (beispielsweise der Schalter T1) mittels mehrerer unabhängig steuerbarer Hilfsschalter (T1_0–T1_31) ausgeführt sein. Bei einer Ausführungsform ist die maximale Impedanz von jedem individuellen Hilfsschalter im Wesentlichen äquivalent zu der maximalen Impedanz des Schalters (beispielsweise T1) geteilt durch die Anzahl der Hilfsschalter, welche implementiert sind, um den Schalter T1 darzustellen. Bei einer anderen Ausführungsform kann einer oder können mehrere der Hilfsschalter gewichtet (beispielsweise binär gewichtet) sein.
Bei einigen Ausführungsformen sind die Hilfsschalter (T1_0–T1_31) parallel angeordnet, wie es in 3B dargestellt ist. Bei anderen Ausführungsformen können die Hilfsschalter in anderen Konfigurationen angeordnet sein, was Kombinationen von Anordnungen in Reihe und von parallelen Anordnungen einschließt. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die Impedanz oder die Leitfähigkeit einer Untermenge der Hilfsschalter (oder für alle Hilfsschalter) einstellbar sein, wie es vorab beschrieben ist. Die schematische Darstellung der 3B zeigt 32 Hilfsschalter (T1_0–T1_31). Bei alternativen Ausführungsformen kann eine kleinere oder größere Anzahl von Hilfsschaltern eingesetzt werden. Die Anzahl der eingesetzten Hilfsschalter kann den Umfang von Schaltverlusten beeinflussen, welche bei einem Gleichspannungswandler 100 auftreten. Mit einer größeren Anzahl von Hilfsschaltern kann beispielsweise eine feinere Einstellung der Hilfsschalter, welche für eine bestimmte Last betriebsfähig sind, möglich sein. Dementsprechend können weniger oder kleinere Schalter und/oder Hilfsschalter eingesetzt werden; wodurch sich eine geringere Leistung, welche von den Schaltern oder Hilfsschaltern benötigt wird, und damit geringere Schaltverluste ergeben.
Bei einer Ausführungsform können individuelle Hilfsschalter oder Gruppen (Untermengen) von Hilfsschaltern programmiert werden, um für eine bestimmte Zeitspanne für eine bestimmte Last im Betrieb zu sein (d.h. hin und her zu schalten), wobei die anderen Hilfsschalter konstant in einem offenen oder geschlossenen Zustand gehalten werden. Beispielsweise können für eine kleinere Last weniger Hilfsschalter im Betrieb sein als für eine größere Last. Daher kann bei verschiedenen Ausführungsformen eine Optimierung der Anzahl der im Betrieb befindlichen Hilfsschalter bei jedem Schaltzyklus durchgeführt werden. Bei weiteren Ausführungsformen können die Schalter und/oder Hilfsschalter abhängig von einer Last zum Betrieb mittels einer digitalen Logik oder einer digitalen Steuereinheit ausgewählt werden und eingestellt werden, um für eine vorbestimmte Anzahl von Schaltzyklen hin und her zu schalten oder in einem konstanten Schaltzustand zu verbleiben.
Wieder mit Bezug zu dem vorab beschriebenen Beispiel ist das Einstellen der angemessenen V_GS eines Schalters T1 im Wesentlichen äquivalent zum Einschalten einer Untermenge von Hilfsschaltern (T1_0–T1_31), welche T1 repräsentieren. Beispielsweise können, um das Äquivalent des R_{ON_1A} = 2,5 Ohm zu erzielen, 6,4 Hilfsschalter der 32 Hilfsschalter (siehe 3B) eingeschaltet werden, wobei jeder Hilfsschalter eine Impedanz von R_{ON_i} = 16 Ohm aufweist. Um diese Hilfsschalter-Konfiguration zu erzielen, können sechs Hilfsschalter eingeschaltet werden und ein siebter Hilfsschalter kann abwechselnd in einem Verhältnis von 60/40 ein- und ausgeschaltet werden. Dieses Verfahren kann effektiv für jeden der Schalter T1–T4 in dem Netzwerk 102 eingesetzt werden. Darüber hinaus kann das vorab beschriebene programmierte Verfahren auch effektiv für zwei oder mehrere Schalter, welche gleichzeitig betrieben werden, eingesetzt werden.
Bei einigen Ausführungsformen kann abhängig von einem digitalen Wort eine Impedanz oder Leitfähigkeit von einem oder von mehreren der Hilfsschalter (T1_0–T1_31) oder von einer Untermenge der Hilfsschalter einstellbar sein. Darüber hinaus kann abhängig von einem anderen digitalen Wort, welches dem jeweiligen Hilfsschalter zugeordnet ist, eine Impedanz oder Leitfähigkeit von jedem der Hilfsschalter (T1_0–T1_31) einer Untermenge einstellbar sein. Die Verwendung von eigenen digitalen Worten entweder für Schalter oder für Hilfsschalter ermöglicht eine bessere Aufteilung. Beispielsweise kann mit separaten Schaltern oder Hilfsschaltern, welche anstelle von äquivalenten Impedanzen programmierbare Impedanzen aufweisen, eine feinere Aufteilung erzielt werden, indem verschiedene Impedanzen (welche den entsprechenden Schaltern zugeordnet sind) kombiniert werden. Wiederum kann die Anzahl der im Betrieb befindlichen Schalter (und damit die zugehörigen Schaltverluste) abhängig von dem Laststrom bestimmt werden.
Beispielsweise können mit Bezug zu der Schaltung von 1A und unter der Voraussetzung, dass ein digitales Wort eine Zahl mit 6 Bit ist, 64 verschiedene Kombinationen realisiert werden. Wenn jeder Schalter 32 Hilfsschalter besitzt, wie es in 3B der Fall ist, und wenn P die digitale Darstellung der Impedanz des Schalters ist, welche benötigt wird, um eine bestimmte Last zu treiben, kann die Anzahl der Hilfsschalter wie folgt ausgewählt werden:
Für T1 und T3 -> floor(P/2)
Für T2 und T4 -> floor(P/2) + mod(P, 2)
Bei einer Ausführungsform ist diese Programmierung monoton und stellt 64 Impedanzwerte mittels 32 Hilfsschaltern pro Schalter bereit. Das Verfahren kann auch erweitert werden, um weiter auf 16 Hilfsschalter verringert zu werden:
Für T1 -> floor(P/4)
Für T2 -> floor(P/4) + (mod(P, 4) >= 1)
Für T3 -> floor(P/4) + (mod(P, 4) >= 2)
Für T4 -> floor(P/4) + (mod(P, 4) >= 3)
Dabei ist die Funktion floor(x), welche auch als Gaußklammer bekannt ist, die größte ganze Zahl, die kleiner oder gleich x ist. Die Funktion mod(a, b) gibt den Rest der Division von a:b an. mod(a, b) entspricht also der Differenz zwischen b und der größten Zahl, die höchstens so groß wie a und durch b teilbar ist. Die Funktion (mod(a, b) >= c) liefert den Wert 1, wenn mod(a, b) ≥ c ist, und sonst den Wert 0. Die obigen Ausführungsformen sind entsprechend auf Konstellationen mit mehr als vier Schaltern erweiterbar.
Bei einer Ausführungsform kann dasselbe Verfahren auch eingesetzt werden, um die vier V_GS-Werte der vier Schalter T1–T4 zu programmieren. Bei weiteren Ausführungsformen kann dasselbe Verfahren eingesetzt werden, um andere Schalter, beispielsweise die Schalter T1–T9 der 1B, zu programmieren.
Beispielhafte Ausführungsformen
Bei verschiedenen Ausführungsformen können die vorab beschriebenen Verfahren im Zusammenhang mit anderen Verfahren und/oder Vorrichtungen eingesetzt werden, um ein Schalten in einem Gleichspannungswandler (beispielsweise dem Gleichspannungswandler 100) zu steuern. Beispielsweise kann bei einer Ausführungsform ein System (beispielsweise das System 400 der 4) einen Gleichspannungswandler 100 umfassen, welcher ein Schaltnetzwerk 102 (oder 104) mit den Schaltern T1–T4 (oder T1–T9) aufweist, welche einstellbare Impedanzen oder Leitfähigkeiten besitzen, wie es vorab beschrieben ist. Der Gleichspannungswandler 100 ist in 4 nicht explizit dargestellt, aber umfasst Komponenten, wie sie vorab beschrieben (und in den 1–3B dargestellt) sind. Bei einigen Ausführungsformen umfasst ein Gleichspannungswandler 100 einige oder alle der in dem System 400 der 4 dargestellten Komponenten.
Ein System 400 kann eine digitale Steuereinheit 402 umfassen, welche ausgestaltet ist, um die Impedanz oder Leitfähigkeit von einem oder von mehreren der Schalter T1–T9 oder von allen Schaltern T1–T9 des Schaltnetzwerks 102 oder 104 einzustellen. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann eine digitale Steuereinheit 402 ausgestaltet sein, um die Impedanz oder Leitfähigkeit von einem oder von mehreren der Schalter T1–T9 abhängig von einer Last R_L, welche mit einem Ausgang des Gleichspannungswandlers 100 gekoppelt ist, einzustellen. Bei einer Ausführungsform kann die digitale Steuereinheit 402 ein digitales Wort erzeugen oder bereitstellen, wie es vorab beschrieben ist, um die Impedanz oder die Leitfähigkeit der Schalter einzustellen. Die digitale Steuereinheit 402 kann eine Information, wie beispielsweise eine Schalteridentifikation, eine Impedanz- oder Leitfähigkeits-Information von einem oder von mehreren Schaltern und dergleichen in einem digitalen Wort erzeugen. Bei einer anderen Ausführungsform ist die digitale Steuereinheit 402 ausgestaltet, um eine Gate-Source-Spannung von einem oder von mehreren Schaltern, welche als MOS-Transistoren implementiert sind, einzustellen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann ein System 400 eine Rückkopplungsschleife 406 umfassen, um eine Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 100 in die digitale Steuereinheit 402 zurückzuführen. Die Rückkopplungsschleife 406 kann beispielsweise für eine Fehlerkorrektur bezüglich der Ausgangsspannung des Gleichspannungswandlers 100 sorgen. Bei einer Ausführungsform führt die Rückkopplungsschleife 406 die Ausgangsspannung über einen Analog-Digital-Wandler (ADC) 408 zu der digitalen Steuereinheit 402 zurück.
Die Ausgangsspannung V_OUT kann durch den ADC 408 als Vorbereitung zum Empfang durch die digitale Steuereinheit 402 abgetastet werden. Bei einer alternativen Ausführungsform kann ein Komparator anstelle des ADC 408 eingesetzt werden, wobei der Komparator beispielsweise eine Auflösung von 1 Bit aufweisen kann. Bei einer Ausführungsform berechnet die digitale Steuereinheit 402 den Wert der Impedanz oder Leitfähigkeit von einem oder von mehreren der Schalter T1–T9 in seiner durchgeschalteten bzw. eingeschalteten Phase. Bei einer anderen Ausführungsform berechnet die digitale Steuereinheit die Betriebsart für den Gleichspannungswandler 100 (beispielsweise die erste, die zweite oder die dritte Betriebsart, wie es vorab beschrieben ist).
Wie in 4 dargestellt ist, kann ein System 400 einen digital gesteuerten Signalgenerator 404 umfassen. Bei einer Ausführungsform werden die Werte der Impedanz/Leitfähigkeit und der Betriebsart dem Signalgenerator 404, wenn er vorhanden ist, eingegeben, welcher das Steuersignal (digitale Wort) erzeugt, welches an die Schalter T1–T9 ausgegeben wird. Bei einer Ausführungsform erfasst der Signalgenerator 404 auch die Dauer der Ladephase (T_Laden) und der Entladephase (T_Entladen) als Parameter. Bei einer Ausführungsform erzeugt der Signalgenerator 404 eine Schaltkonfiguration für die Ladephase abhängig von der Information über die Impedanz/Leitfähigkeit und Betriebsart, wartet eine programmierte Zeitspanne T_Laden und erzeugt eine Schaltkonfiguration für die Entladephase abhängig von der Information über die Impedanz/Leitfähigkeit und Betriebsart. Der Signalgenerator 404 wartet dann die programmierte Zeitspanne T_Entladen, bevor sich der Zyklus wiederholt.
Bei einer Ausführungsform sind die Zeitdauern T_Laden und T_Entladen zumindest vorübergehend konstant, was dazu führt, dass der Gleichspannungswandler 100 während dieser Zeitspanne mit einer konstanten Schaltfrequenz (1/(T_Laden + T_Entladen)) arbeitet. Um zu einer anderen Schaltfrequenz zu wechseln, ist es ausreichend, die Werte von T_Laden und/oder T_Entladen zu ändern. Darüber hinaus sorgt ein zufälliges Verändern von T_Laden oder T_Entladen oder von beiden für einen die Frequenz streuenden Effekt. Daher ist die digitale Steuereinheit 402 bei einer Ausführungsform ausgestaltet, eine Schaltfrequenz des Gleichspannungswandlers 100 abhängig von der Ladezeit und/oder der Entladezeit von einem oder von mehreren der Energiespeicherkapazitäten (z. B. C2 und C3) zu bestimmen.
Bei einer Ausführungsform wird die Information über die Impedanz/Leitfähigkeit und/oder die Information über die Betriebsart einmal pro Schaltzyklus (beispielsweise vor Beginn einer Ladephase) geändert. Bei anderen Ausführungsformen wird die Information über die Impedanz/Leitfähigkeit und die Information über die Betriebsart in anderen Zeitintervallen geändert, wobei beispielsweise ein Überabtasten oder Unterabtasten in einem System 400 eingesetzt werden kann. Bei einer Ausführungsform plant der digital gesteuerte Signalgenerator 404 die Aktualisierung der Information ein bzw. legt diese fest. Bei einer anderen Ausführungsform plant der Signalgenerator 404 die Abtastvorgänge des ADC 408 (eine Taktteilerfunktion) ein bzw. legt diese fest. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann der ADC 408 getriggert werden, um zweimal pro Schaltperiode (z. B. genau vor Beginn der Lade- und Entlade-Phase oder am Ende der Lade- und Entlade-Phase) abzutasten. Bei alternativen Ausführungsformen kann ein Überabtasten oder Unterabtasten eingesetzt werden.
Das Blockdiagramm der 5 stellt beispielhafte Funktionsblöcke dar, welche gemäß verschiedenen Ausführungsformen in der digitalen Steuereinheit 402 realisiert sein können. Von einem oder von mehreren Abtastwerten des ADC 408 kann eine Fehlerinformation erzeugt werden, wie es in Block 502 dargestellt ist. Beispielsweise können zwei oder mehr Abtastwerte pro Schaltperiode summiert werden, um ein Fehlersignal zu erzeugen. Das Fehlersignal zeigt an, wie weit die Ausgangsspannung von der Sollspannung des Gleichspannungswandlers 100 entfernt ist.
Bei einer Ausführungsform wird die Fehlerinformation einer PID-Steuereinheit bzw. einem PID-Regler 504 bereitgestellt. Bei einer Ausführungsform kann die digitale Steuereinheit 402 vereinfacht werden, um einen PI-Regler zu umfassen (der „D“-Koeffizient ist gleich 0). Die Koeffizienten P, I, D können durch einen externen Block bereitgestellt werden, welcher die Koeffizienten entsprechend Betriebsbedingungen des Gleichspannungswandlers 100 oder des Systems 400 adaptiert. Der PID-Regler 504 empfängt eine Menge von konstanten Koeffizienten P, I, D (typischerweise gilt D = 0) und adaptiert diese entsprechend der ausgewählten Betriebsart (beispielsweise entsprechend der ersten, der zweiten oder der dritten Betriebsart) und der Betriebsbedingungen. Bei einer Ausführungsform wird der Laststrom (eine der beispielhaften Betriebsbedingungen) von dem Integrator 506 erfasst und an den PID-Regler 504 weitergereicht.
Der PID-Regler 504 aktualisiert den Wert der Leitfähigkeit abhängig von der erfassten Information und gibt einen Leitfähigkeitswert aus, um die Schalter, welche „ein“-geschaltet werden, zu programmieren. Der erzeugte Leitfähigkeitswert kann für alle Schalter oder für eine Auswahl (eine Untermenge) der Schalter (oder der Hilfsschalter) angewendet werden.
Wenn er vorhanden ist, bestimmt ein Block 508 zur Auswahl der Betriebsart, ob ein Wechsel der Betriebsart erforderlich ist, bevor die Information über die Impedanz/Leitfähigkeit den Schaltern bereitgestellt wird. Bei einigen Ausführungsformen wird ein Wechsel der Betriebsart vorgenommen, wenn der angeforderte Laststrom groß ist (wobei beispielsweise ein Wechsel von der zweiten Betriebsart zu der dritten Betriebsart oder von der ersten Betriebsart zu der zweiten Betriebsart vorgenommen wird) oder wenn der Laststrom so gering ist, dass eine Betriebsart mit einer besseren Effizienz ausgewählt werden kann (wobei beispielsweise ein Wechsel von der dritten Betriebsart zu der zweiten Betriebsart oder von der zweiten Betriebsart zu der ersten Betriebsart bestimmt wird). Als Ergebnis werden bei einigen Änderungen der Betriebsart die Information über die Impedanz/Leitfähigkeit und der Integratorteil der PID-Information neu bestimmt, um (harte) Übergänge in der Ausgangsspannung zu vermeiden.
Bei einer beispielhaften Ausführungsform kann der Gleichspannungswandler 100 in der zweiten Betriebsart betrieben werden und die Leitfähigkeit von allen Schaltern T1–T9 kann programmiert sein. Die Kleinsignalübertragungsfunktion P(s) des Systems 400 von der Leitfähigkeit G zu der Ausgangsspannung V_O kann gemäß den folgenden Gleichungen berechnet werden: G = Gdc + g (Gdc = Leitfähigkeit im stationären Zustand, g = Leitfähigkeitsvariation) V_O = V_OUT + v_O (V_OUT = stationärer Zustand, v_O = Spannungsvariation) R = V_OUT/Iload (Lastwiderstand) Gdc = 4·Iload/(Vi – 2·V_OUT); P(s) = v_O(s)/g(s) = K0 × (Vi – 2·V_OUT)/2/(Gdc + 2/R) + s·C) (P(s) = Übertragungsfunktion; Vi = Eingangsspannung; C = Kapazität; K0 = Konstante)
Die Übertragungsfunktion P(s) ist ein System erster Ordnung, wobei sich die Eckfrequenz und die Gleichspannungsverstärkung entsprechend dem Laststrom ändern. Bei verschiedenen Ausführungsformen ist die Gleichspannungsverstärkung des Systems 400 umgekehrt proportional zu dem Laststrom und schließlich zu Gdc. Für hohe Frequenzen ist das Integratorverhalten unabhängig von dem Laststrom.
Dementsprechend ist für viele Anwendungen eines Systems 400 ein PI-Regler ausreichend. Ein konstanter Satz von Koeffizienten kann bei einigen Ausführungsformen eingesetzt werden, aber bei anderen Ausführungsformen kann die Abhängigkeit von dem Laststrom eliminiert werden, um die Effizienz zu verbessern. Beispielsweise kann der „P“-Koeffizient konstant gehalten werden, während der „I“-Koeffizient angepasst wird. Bei einer Ausführungsform kann dies bewerkstelligt werden, indem Gdc erfasst wird, welche direkt proportional zu dem Laststrom ist, welcher durch die integrierende Komponente „I“ selbst approximiert werden kann. Für große Gdc kann ein großer „I“-Koeffizient eingesetzt werden. Für eine kleine Gdc kann ein kleiner „I“-Koeffizient eingesetzt werden. Bei einer Ausführungsform kann Gdc (oder äquivalent der Inhalt eines Registers des Integrators 506) eingesetzt werden, um den „I“-Koeffizienten einzustellen. Bei Einsatz dieser Koeffizientenanpassung, wie sie in Block 510 dargestellt ist, kann die digitale Steuereinheit 402 die Übertragungsfunktion der offenen Regelschleife des gesamten Systems 400 konstant halten, wenn sich der Laststrom ändert. Bei verschiedenen Ausführungsformen hält die digitale Steuereinheit 402 die Übertragungsfunktion der offenen Regelschleife abhängig von einer Information, welche von der Rückkopplungsschleife erfasst wird, konstant.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann auch eine Änderung der Betriebsart bezüglich der Koeffizienten berücksichtigt werden. Wenn beispielsweise von der zweiten Betriebsart zu der dritten Betriebsart gewechselt wird, verdoppelt der Gleichspannungswandler 100 seine Verstärkung. Wenn dieselben dynamischen Eigenschaften beibehalten werden sollen, können der „P“- und der „I“-Koeffizient beide halbiert werden. Alternativ kann die Ausgabe des PI-Reglers in der zweite Betriebsart halbiert werden, wobei die Koeffizienten unverändert bleiben.
Bei einer Ausführungsform, bei welcher einer oder mehrere der Schalter T1–T9 mit Mengen von Hilfsschaltern implementiert sind, kann der digital gesteuerte Signalgenerator 404 jeden individuellen Hilfsschalter ansteuern. Die Information über die Impedanz/Leitfähigkeit wird in eine bestimmte Anzahl von Hilfsschalter übersetzt, welche „ein“-geschaltet werden müssen. Je größer die Leitfähigkeit ist, desto größer ist die Anzahl von Hilfsschaltern, welche „ein“-geschaltet werden müssen (dies wird als Wandlung in den Thermometer-Code der digitalen Leitfähigkeitsdarstellung bezeichnet und ist in den 8A und 8B dargestellt).
Bei einer Ausführungsform kann das System 400 unter Verwendung eines Verfahrens zur Pulsfrequenzmodulation (pfm) bei einer variablen Schaltfrequenz arbeiten. Beispielsweise kann eine digitale Steuereinheit 402 in einem System 400 vorhanden sein, wobei die digitale Steuereinheit ausgestaltet ist, um die Schalt-Zeitsteuerung von einem oder von mehreren der Schalter T1–T9 abhängig von einer Last, welche mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers 100 gekoppelt ist, anzupassen. Bei einer Ausführungsform wird die mittlere Schaltfrequenz des Systems 400 umso kleiner, je kleiner die Stromlast des Gleichspannungswandlers 100 wird. Eine kleinere mittlere Schaltfrequenz entspricht im Allgemeinen kleineren mittleren Schaltverlusten, da die Schalter weniger oft pro Zeitperiode arbeiten. Im Allgemeinen ist die Entladephase umso kürzer, je höher der Laststrom ist. Im Allgemeinen gilt daher, dass für große Lasten die Schaltfrequenz größer und für kleine Lasten die Schaltfrequenz kleiner ist.
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann eine variable Schaltfrequenz, welche auf zufällig erzeugten Werten basiert, eingesetzt werden. Dieses Verfahren kann als ein Verfahren bezeichnet werden, welches einen streuenden Effekt auf das Ausgangsspektrum des Systems 400 aufweist. Dementsprechend ist die digitale Steuereinheit 402 bei einer Ausführungsform ausgestaltet, um den Gleichspannungswandler 100 mittels einer Pulsfrequenzmodulation gemäß einer sich zufällig verändernden Frequenz zu regeln. Die sich zufällig verändernde Frequenz kann mittels eines oder mittels mehrerer der folgenden Verfahren implementiert werden:
(1) Bei einer Ausführungsform wird die Dauer der Ladephase von einem oder von mehreren der Energiespeicherelemente C2 und C3 zufällig angepasst, indem ein zufälliges Zeitinterval der minimalen Dauer der Ladephase hinzugefügt wird. Bei einer Ausführungsform ist der Zufallszahlengenerator 602 beispielsweise ausgestaltet, um einen zufälligen Zeitintervallwert zu erzeugen, und die digitale Steuereinheit 402 ist ausgestaltet, um die Zeitdauer des Ladens von einem oder von mehreren der Energiespeicherelemente C2 und C3 durch den zufälligen Zeitintervallwert zu erhöhen oder zu verringern. (2) Bei einer anderen Ausführungsform wird die minimale Zeitdauer der Entladephase von einem oder von mehreren der Energiespeicherelemente C2 und C3 zufällig angepasst, indem ein zufälliges Zeitinterval der minimalen Zeitdauer der Entladephase hinzugefügt wird. Beispielsweise ist der Zufallszahlengenerator 602 bei einer Ausführungsform ausgestaltet, um einen zufälligen Zeitintervallwert zu erzeugen, und die digitale Steuereinheit ist ausgestaltet, um die Entladedauer von einem oder von mehreren der Energiespeicherelemente C2 und C3 durch den zufälligen Zeitintervallwert zu erhöhen oder zu verringern. (3) Bei einer weiteren Ausführungsform wird die Leitfähigkeit von einem oder von mehreren der Schalter T1–T9 beispielsweise durch die digitale Steuereinheit 402 zufällig ausgewählt und eingestellt. Beispielsweise kann sich die Ladungsmenge, welche von der Eingangsquelle V_IN zu der Ausgangspufferkapazität C_L und der Last R_L bereitgestellt wird, in jeder Schaltperiode ändern, und daher kann die Entladephase in jeder Schaltperiode unterschiedlich ausfallen, so dass sich die (Länge der) Schaltperiode in jedem Schaltzyklus verändern kann. Bei alternativen Ausführungsformen können eine oder mehrere der vorab beschriebenen Verfahren gleichzeitig eingesetzt werden oder ein anderes Verfahren kann eingesetzt werden, um dieselben oder ähnliche Ergebnisse zu erzielen. Darüber hinaus kann oder können bei verschiedenen Ausführungsformen eine oder mehrere der vorab beschriebenen Verfahren einmal in der jeweiligen Schaltperiode oder gemäß einem anderen Zeitschema eingesetzt werden.
6 ist ein Blockdiagramm einer digitalen Steuereinheit für einen Gleichspannungswandler 100 gemäß einer beispielhaften Ausführungsform basierend auf einem Betrieb mit sich zufällig verändernder Frequenz. Bei einem Beispiel wird einmal pro Schaltperiode (beispielsweise wenn ein Komparator triggert) oder gemäß einem anderen angemessenen Zeitintervall eine Gruppe von Zufallszahlen durch einen Zufallszahlengenerator 602 erzeugt, wie zum Beispiel: R_Entladen, R_Laden, R1, R2, ... Rm. R_Entladen und R_Laden können eingesetzt werden, um die vorab beschriebenen Optionen (1) und (2) zu implementieren. Die anderen Zufallszahlen (R1, R2, ... Rm) werden eingesetzt, um Leitfähigkeitswerte für die Schalter T1–T9 des Gleichspannungswandlers zu erzeugen, wie es in Option (3) vorab beschrieben ist. Dementsprechend ist bei einer Ausführungsform die digitale Steuereinheit 402 ausgestaltet, um das zeitliche Schaltverhalten von einem oder von mehreren Schaltern T1–T9 abhängig von einem Zufallswert, welcher von dem Zufallszahlengenerator 602 erzeugt wird, anzupassen.
Die digitale Steuereinheit 402 kann auch einige zusätzliche Merkmale implementieren. Wenn er vorhanden ist, kann ein Block 604 zur Auswahl der Betriebsart und zur Anpassung der Leitfähigkeit abhängig von dem Laststrom bestimmen, in welcher Betriebsart gearbeitet wird.
Bei einer Ausführungsform kann der Laststrom erfasst werden, indem die mittlere Zeitdauer der Entladephase erfasst wird. Die digitale Steuereinheit 402 kann auch einen Zähler 606 umfassen, welcher ausgestaltet ist, um die Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Triggerereignissen des Komparators zu messen. Die Information kann zu einem Tiefpassfilter (nicht dargestellt) geschickt werden, wobei die Ausgabe beispielsweise eine Anzeige der Stromleistungsfähigkeit des Gleichspannungswandlers 100, welcher in einer bestimmten Betriebsart arbeitet, anzeigt. Wenn die gemessene Entladephase dicht an dem Minimum des programmierten Wertes für T_Entladen liegt, kann dies beispielsweise anzeigen, dass der Gleichspannungswandler 100 dicht an seiner maximalen Stromleistungsfähigkeit für die Betriebsart arbeitet und das eine Betriebsartänderung angezeigt ist (z. B. von der zweiten Betriebsart zu der dritten Betriebsart oder von der ersten Betriebsart zu der zweiten Betriebsart). Wenn andererseits die gemessene Entladephase länger ist, kann dies anzeigen, dass die Betriebsart zu viel Strom bereitstellt (dieser Zustand kann eine erhöhte Welligkeit verursachen) und dass eine Betriebsartänderung angezeigt ist (z. B. von der dritten Betriebsart zu der zweiten Betriebsart oder von der zweiten Betriebsart zu der ersten Betriebsart).
Bei einer Ausführungsform, bei welcher einer oder mehrere der Schalter T1–T9 als Menge von Hilfsschaltern implementiert sind, kann der digital gesteuerte Signalgenerator 404 jeden individuellen Hilfsschalter steuern. Die Information über die Leitfähigkeit, welche von dem Block 604 zur Auswahl der Betriebsart und zur Anpassung der Leitfähigkeit ausgegeben wird, kann in eine Angabe (d.h. in ein digitales Wort) übersetzt werden, so dass eine bestimmte Anzahl von Hilfsschaltern „ein“-geschaltet werden. Daher kann die zufällige Anpassung der Leitfähigkeit (G1, G2, G3, ... GN) eines Schalters T1–T9, welcher als eine Menge von Hilfsschaltern implementiert ist, erzielt werden, indem zufällig bestimmt wird, wie viele Hilfsschalter in der nächsten Schaltperiode eingeschaltet werden.
Bei einer Ausführungsform kann ein Erfassen des Laststroms auch eingesetzt werden, um den Zufallswert, welcher eingesetzt wird, um die zufällige Leitfähigkeit eines Schalters T1–T9 zu bestimmen, zu bilden. Wenn beispielsweise jeder Schalter T1–T9 32 Hilfsschalter umfasst, kann es vorteilhaft sein, eine Zufallszahl in einem Bereich von 1–16 zu verwenden, wenn der Laststrom gering ist, oder eine Zufallszahl in einem Bereich von 16–32 zu verwenden, wenn der Laststrom hoch ist.
Beispielhafte Steigungssteuerung
Bei verschiedenen Ausführungsformen kann die Steigung bzw. Steilheit der Lade- und/oder Entladephase verändert werden, um die Übergänge vom Laden zum Entladen und/oder vom Entladen zum Laden von einem oder von mehreren der Energiespeicherelemente C2 und C3 zu glätten. Die Stärke des Stroms, welcher in dem Schaltnetzwerk 102 oder 104 fließt, wird geregelt, indem angemessene digitale Werte für die Leitfähigkeit G von einem oder von allen Schaltern T1–T9 ausgewählt werden. Bei alternativen Ausführungsformen kann die digitale Auswahl der Leitfähigkeit G von einem oder von mehreren Schaltern T1–T9 mit einer maximalen Leitfähigkeit Gmax in mindestens zwei Arten, wie es in 7A und 7B dargestellt ist, ausgeführt werden. Bei anderen Ausführungsformen können andere Verfahren eingesetzt werden, um ähnliche Ergebnisse zu erzielen.
7A ist eine schematische Darstellung eines Abschnitts eines Gleichspannungswandlers 100, wobei ein Multiplexer (MUX) 702 und ein Digital-Analog-Wandler (DAC) 302 gemäß einer Ausführungsform eingesetzt werden. Die Übersteuerspannung (V_GS) des Schalters T1A wird mittels des DAC 302 geregelt, wie es vorab mit Bezug auf 3 geschrieben ist. Der DAC 302 ist ein Schaltersteuerelement, da er ausgestaltet sein kann, um ein Signal zur Einstellung einer Leitfähigkeit an einen Schalter T1A abhängig von einer Last, welche mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers 100 gekoppelt ist, auszugeben.
Darüber hinaus kann die Steigungssteuerung des zeitlichen Schaltverhaltens mittels des MUX 702 bewerkstelligt werden, wobei der MUX 702 ausgestaltet ist, um eine Änderungsrate des Signals zur Anpassung der Leitfähigkeit, welches an den Schalter T1A ausgegeben wird, zu steuern. Bei einer Ausführungsform ist der MUX 702 ausgestaltet, um eine Änderungsrate einer Ladephase und/oder einer Entladephase des Energiespeicherelements C2 oder C3 zu regeln. Der MUX 702 kann ausgestaltet sein, um ein Steigungssteuersignal 704 an das Schaltersteuerelement (z. B. den DAC 302) entsprechend einem Taktpuls auszugeben.
Bei einer Ausführungsform, wie sie in 7A dargestellt ist, empfängt der MUX 702 ein Signal, welches einen Leitfähigkeitswert (d.h. Vgs_dig, das digitale Wort) darstellt und ein oder mehrere skalierte Signale bzw. Skalierungssignale, welche Bruchteile des Leitfähigkeitswerts darstellen. Die Skalierungssignale sind in 7A als 3/4, 1/2 und 1/4 dargestellt und entsprechen den jeweiligen Bruchteilen des Leitfähigkeitswerts Vgs_dig. Bei alternativen Ausführungsformen können andere Bruchteile des Leitfähigkeitswerts Vgs_dig (z.B. 1/3, 2/3) alternativ oder zusätzlich eingesetzt werden. Diese Skalierungssignale können durch digitale Skalierungselemente (z. B. eine digitale Logik) erzeugt werden, welche ausgestaltet sind, um das Signal, welches den Leitfähigkeitswert (Vgs_dig) darstellt, zu empfangen und das eine oder die mehreren Skalierungssignale zu dem MUX 702 auszugeben.
Der MUX 702 ist ausgestaltet, um das Steigungssteuersignal 704 an das Schaltersteuerelement (d.h. DAC 302) auszugeben, welches das eine oder die mehreren Skalierungssignale und das Leitfähigkeitssignal (Vgs_dig) umfasst, entweder in einer aufsteigenden Reihenfolge oder einer abfallenden Reihenfolge bezüglich der Größe. Der MUX 702 kann beispielsweise die Signale in der folgenden Reihenfolge ausgeben: 1/4, 1/2, 3/4 und Vgs_dig. Darüber hinaus kann der MUX 702 die Signale auch in der entgegengesetzten Reihenfolge ausgeben. Bei einer Ausführungsform kann der MUX 702 die Signale in einer aufsteigenden Reihenfolge bei einer steigenden Flanke einer Schaltsequenz ausgeben, wie es mit dem Bezugszeichen 706 in 7A dargestellt ist, und er kann die Signale in einer abfallenden Reihenfolge bei einer fallenden Flanke einer Schaltsequenz ausgeben, wie es mit dem Bezugszeichen 708 in 7A dargestellt ist. Auf diese Weise wird die Leitfähigkeit des Schalters bzw. der Schalter langsam über die bestimmte Zeitspanne von 0 auf den angestrebten Leitfähigkeitswert erhöht (oder umgekehrt). Daher wird der Strom bezüglich der Energiespeicherkapazitäten C2 und/oder C3 gleichmäßig von 0 auf den erforderlichen Wert erhöht (oder umgekehrt), wenn sie geladen (und entladen) werden. Wie vorab diskutiert ist, können die Verfahren, welche hier beschrieben sind, auf einen einzelnen Schalter oder auf einige oder auf alle Schalter T1–T9 angewendet werden, wie es erwünscht ist.
Bei einer alternativen Ausführungsform, wie sie in 7B dargestellt ist, umfasst das Steigungssteuerelement ein Tiefpassfilter 710. Das Tiefpassfilter 710 ist ausgestaltet, um das Leitfähigkeitseinstellungssignal (Vgs_dig) zu empfangen und ein geglättetes Steigungssteuersignal 712 an das Schaltersteuerelement (d.h. den DAC 302) auszugeben. Das Tiefpassfilter 710 kann ausgestaltet sein, um das Signal Vgs_dig, welches bei 714 dargestellt ist, aufzunehmen und um das geglättete Signal, welches bei 716 dargestellt ist, auszugeben. Wie vorab beschrieben ist, steuert das geglättete Signal 716 den Schaltvorgang stufenweise und damit das Laden und Entladen der Energiespeicherkapazitäten C2 und/oder C3.
Bei anderen Ausführungsformen wird die Leitfähigkeit von einem oder von mehreren der Schalter T1–T9 eingestellt, indem einer oder mehrere Schalter T1–T9 durch eine Menge von Hilfsschaltern ersetzt ist und Untermengen der Hilfsschalter ausgewählt werden, um diese ein- und/oder auszuschalten. Eine digitale Steigungssteuerung kann eingesetzt werden, wie es in 8A und 8B dargestellt ist.
Bei den in 8A und 8B dargestellten Beispielen werden 32 Hilfsschalter (T1_0–T1_31) eingesetzt. Wie vorab beschrieben ist, können auch weniger oder mehr Hilfsschalter eingesetzt werden. Dementsprechend weist jeder der Hilfsschalter der Menge von Hilfsschaltern eine maximale Leitfähigkeit auf, welche im Wesentlichen äquivalent mit der maximalen Leitfähigkeit des Schalters bzw. der Schalter, welche durch die Hilfsschalter ersetzt werden, geteilt durch die Anzahl der Hilfsschalter in der Menge ist. Wenn eine digitale Steuereinheit 402 einen bestimmten Leitfähigkeitswert G anfordert, wird der Wert „thermometercodiert“ und/oder binär gewichtet und den Steuerleitungen 802 zugeordnet, welche jedem individuellen Hilfsschalter T1_0–T1_31 zugeordnet sind. Dieses Kodieren entspricht dem digitalen Wort, welches vorab beschrieben ist, da es die Schalter identifiziert und eine Schalterkonfiguration für die identifizierten Schalter anzeigt. Bit des digitalen Worts werden Steuerleitungen und individuellen Hilfsschaltern zugeordnet. Wenn beispielsweise G = 19 in 8A gilt, wenn der „Schalter T1“ „ein“-zuschalten ist, werden die ersten 19 Leitungen von unten auf 1 gesetzt und der Rest der Leitungen verbleibt auf 0. Die Hilfsschalter (T1_0–T1_31) mit einer Steuerleitung 802 mit dem Wert 1 können geschlossen werden, während Hilfsschalter (T1_0–T1_31) mit einer Steuerleitung 802 mit dem Wert 0 beispielsweise offen bleiben.
Bei einer Ausführungsform wird die Steigungssteuerung durch ein Steigungssteuerelement (beispielsweise die digitale Steuereinheit 402, den digital gesteuerten Signalgenerator 404, usw.) erzielt, welches unterschiedliche Verzögerungselemente 804 (beispielsweise durch einen Taktzyklus) auf jeder Steuerleitung 802 einfügt. Bei dem vorab beschriebenen Beispiel sind der ersten Leitung 802 ein Verzögerungselement 804, der zweiten Leitung zwei, der dritten Leitung drei und der vierten Leitung vier Verzögerungselemente 804 eingefügt worden. Bei dem dargestellten Beispiel in 8A werden die Verzögerungselemente 804 ab der fünften Leitung durch das sich wiederholende Schema 1, 2, 3, 4, 1, 2, 3, 4, ... usw. eingefügt.
Abhängig von den eingefügten Verzögerungselementen 804 wird der Schaltvorgang der Hilfsschalter T1_0–T1_31 bei jedem Schaltzyklus unterschiedlich verzögert. Wenn beispielsweise G = 19 gilt, werden 5 Hilfsschalter nach einem Zyklus eingeschaltet, 5 nach 2 Zyklen, 5 nach 3 Zyklen und schließlich 4 nach 4 Zyklen eingeschaltet. Dieses Schema ist im Wesentlichen mit der Ausführung der 7A äquivalent. Über der Zeit wird die Leitfähigkeit G gleichmäßig erhöht, so dass der Strom, welcher in dem Schalter fließt, auch gleichmäßig erhöht wird.
Bei einer Ausführungsform werden G = 19 Leitungen auf 0 zurückgesetzt, um die zugehörigen Schalter in einem abgestuften Schema, wie es vorab beschrieben ist, mit den Verzögerungselementen 804 auszuschalten. Wiederum werden 5 Hilfsschalter nach einem Zyklus, 5 nach 2 Zyklen, 5 nach 3 Zyklen und schließlich 4 nach 4 Zyklen ausgeschaltet.
Bei einer alternativen Ausführungsform, wie sie in 8B dargestellt ist, wird ein Tiefpassfilter 806 als Alternative zu den Verzögerungselementen eingesetzt und fungiert als ein Steigungssteuerelement. Wie es vorab mit Bezug zu 7B beschrieben ist, empfängt das Tiefpassfilter 806 das Leitfähigkeitseinstellungssignal (Vgs_dig) und gibt ein geglättetes Steigungssteuersignal 808 an ein Schaltersteuerelement (z. B. den Thermometer-Codierer 810) ab. Der Thermometer-Codierer 810 ist ausgestaltet, um einen Schaltzustand von einem oder von mehreren der Menge der Hilfsschalter T1_0–T1_31 abhängig von einer Last, welche mit einem Ausgang des Gleichspannungswandlers 100 gekoppelt ist, zu steuern. Beispielsweise kann das Tiefpassfilter ausgestaltet sein, um das Signal Vgs_dig, welches bei 812 dargestellt ist, zu empfangen und das geglättete Signal, welches bei 814 dargestellt ist, auszugeben. Wie vorab beschrieben ist, steuert das geglättete Signal 814 den Schaltvorgang in Stufen und damit das Laden und Entladen der Energiespeicherkapazitäten C2 und/oder C3. Daher ist das Tiefpassfilter 806 ausgestaltet, um eine Änderungsrate des Schaltzustands von einem oder von mehreren der Menge der Hilfsschalter T1_0–T1_31 zu steuern. Darüber hinaus ist das Tiefpassfilter 806 ausgestaltet, um eine Änderungsrate der Ladephase und/oder der Entladephase der Energiespeicherelemente C2 oder C3 zu regeln.
9 stellt beispielhaft zwei Wellenformen dar, um das Verfahren zur Steigungssteuerung gemäß einer Ausführungsform darstellen. Die Wellenformen stellen den Strom dar, welcher während einer Ladephase (positiv) und einer Entladephase (negativ) in das Energiespeicherelement C2 der 1A fließt. Das obere Diagramm 902 stellt das Szenario dar, bei welchem die Steigungssteuerung nicht eingesetzt wird und die Schalter T1– T4 sofort ein- und ausgeschaltet werden. Das untere Diagramm 904 stellt das Szenario dar, bei welchem die Steigungssteuerung eingesetzt wird. Man kann dem Diagramm 904 entnehmen, dass die Übergänge von einer Ladephase zu einer Entladephase (und umgekehrt) gleichmäßiger bzw. glatter sind. Daraus folgt, dass die Verfahren zur Steigungssteuerung die Schalteigenschaften verändern, um plötzliche Phasenänderungen der Energiespeicherelement C2 und C3 zu verringern.
Erfindungsgemäße Verfahren
10A stellt ein repräsentatives Verfahren 1000 dar, um eine Schaltsteuerung für einen Gleichspannungswandler (beispielsweise den Gleichspannungswandler 100) zu implementieren. Dies wird auch als Regeln des Gleichspannungswandlers 100 bezeichnet, da die Schaltsteuerung eine Ausgabe des Gleichspannungswandlers regelt. Ein beispielhaftes Verfahren 1000 umfasst ein Verändern der Schalteigenschaften abhängig von einer Größe des Laststroms. Die Schalteigenschaften können verändert werden, um Schaltverluste in dem Gleichspannungswandler zu reduzieren, zu minimieren oder zu vermeiden. Das Verfahren 1000 wird mit Bezug zu den 1–9 beschrieben.
Im Block 1002 umfasst das Verfahren ein Anordnen von mehreren Schaltern (beispielsweise den Schaltern T1–T4) bezüglich einer Energiespeichervorrichtung (beispielsweise der Energiespeichervorrichtung C2) und bezüglich einer Ausgangskapazität (beispielsweise der Pufferkapazität C_L). Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Koppeln der mehreren Schalter mit der Energiespeichervorrichtung, so dass die Energiespeichervorrichtung in Reihe mit der Ausgangskapazität liegt, wenn sich die mehreren Schalter in einer ersten Schaltkonfiguration befinden, und so dass die Energiespeichervorrichtung parallel mit der Ausgangskapazität liegt, wenn sich die mehreren Schalter in einer zweiten Schaltkonfiguration befinden. Beispielsweise können mindestens zwei Schalter mit jedem Anschluss der Energiespeichervorrichtung gekoppelt sein. Indem einer der Schalter bei jedem Anschluss geöffnet und der andere geschlossen wird (erste Konfiguration) befindet sich die Energiespeichervorrichtung in Reihe mit der Ausgangskapazität. Indem die anderen der Schalter bei jedem Anschluss geöffnet und die ersten geschlossen werden (zweite Konfiguration) liegt die Energiespeichervorrichtung parallel zu der Ausgangskapazität.
Bei einer Ausführungsform kann das Verfahren ein Bestimmen abhängig von einem digitalen Wort umfassen, welche Schalter der mehreren Schalter sich in einem offenen Zustand befinden und welche Schalter der mehreren Schalter sich in einem geschlossenen Zustand befinden. Ein digitales Wort kann beispielsweise eine Folge von Bit umfassen, welche ausgestaltet sind, um eine Schaltinformation darzustellen, wie beispielsweise: eine Schalteridentifikation, eine erwünschte Schalterimpedanz und dergleichen. Bei einer Ausführungsform kann das Verfahren ein Auswählen einer ersten Untermenge der mehreren Schalter, welche sich in einem offenen Zustand befinden sollen, und ein Auswählen einer zweiten Untermenge der mehreren Schalter, welche sich in einem geschlossenen Zustand befinden sollen, abhängig von der Last, welche mit der Ausgangskapazität gekoppelt ist, umfassen.
Bei verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Verfahren ein Auswählen von einem oder von mehreren der Schalter, welche sich in einem konstanten Zustand befinden sollen, wenn die Last, welche mit der Ausgangskapazität gekoppelt ist, kleiner wird. Dies weist den Effekt auf, dass die Anzahl der im Betrieb befindlichen Schalter für kleinere Lasten verringert wird. Im Gegensatz dazu kann das Verfahren auch ein Auswählen von einem oder von mehreren der Schalter umfassen, damit diese bei jedem Schaltzyklus ihren Zustand ändern, wenn die Last, welche mit der Ausgangskapazität gekoppelt ist, größer wird, so dass die Anzahl der im Betrieb befindlichen Schalter für größere Lasten vergrößert wird. Dementsprechend können individuelle Schalter in jedem Schaltzyklus abhängig von Änderungen des Laststroms in Betrieb genommen oder außer Betrieb genommen werden.
Bei einer Ausführungsform kann das Verfahren ein Auswählen einer dritten Untermenge der Schalter umfassen, welche für eine vorbestimmte Anzahl von Schaltzyklen in einem konstanten Zustand verbleiben sollen, so dass eine Anzahl von Schaltern für eine vorbestimmte Anzahl von Schaltzyklen in einem bestimmten Zustand gehalten wird.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren 1000 ein Auswählen von einem oder von mehreren der Schalter für eine Impedanzeinstellung abhängig von einem digitalen Wort. Bei verschiedenen Ausführungsformen kann ein einziges digitales Wort oder können mehrere digitale Wörter eingesetzt werden. Darüber hinaus können verschiedene digitale Worte individuellen Schaltern zugeordnet werden.
Im Block 1004 umfasst das Verfahren ein Einstellen einer Impedanz von einem oder von mehreren der Schalter abhängig von einer Last, welche mit der Ausgangskapazität gekoppelt ist. Bei einer Ausführungsform umfasst das Einstellen der Impedanz eines Schalters ein Auswählen einer Gate-Source-Spannung für ein MOS-Bauelement. Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Einstellen einer Impedanz ein Auswählen einer Untermenge von Hilfsschaltern, welche eingeschaltet oder ausgeschaltet sein sollen, wobei die Hilfsschalter insgesamt einen einzigen Schalter oder eine Menge von Schaltern repräsentieren. Daher kann die Impedanz der gesamten Menge von Schaltern im Wesentlichen gleich der Impedanz des Schalters oder der Schalter, welche durch die Menge repräsentiert werden, sein.
10B stellt ein repräsentatives Verfahren 1010 dar, um eine Schaltsteuerung für einen Gleichspannungswandler (beispielsweise den Gleichspannungswandler 100) zu implementieren. Dies wird auch als Regeln des Gleichspannungswandlers 100 bezeichnet, da die Schaltsteuerung eine Ausgabe des Gleichspannungswandlers regelt. Ein beispielhaftes Verfahren 1010 umfasst ein Verändern der Schalteigenschaften abhängig von einer Größe des Laststroms. Die Schalteigenschaften können verändert werden, um Schaltverluste in dem Gleichspannungswandler zu reduzieren, zu minimieren oder zu vermeiden. Das Verfahren 1010 wird mit Bezug zu den 1–9 beschrieben.
In Block 1012 umfasst das Verfahren ein Koppeln von mehreren Schaltern (beispielsweise von einigen oder von allen Schaltern T1–T9) mit einer Energiespeicherkapazität (beispielsweise einer oder beiden Energiespeicherelementen C2 und C3) eines Gleichspannungswandlers (beispielsweise des Gleichspannungswandlers 100). Die Schalter werden angeordnet, um ein Laden und ein Entladen der Energiespeicherkapazität zu steuern. Bei einer Ausführungsform umfasst einer oder umfassen mehrere der Schalter mehrere Hilfsschalter. Bei einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Einstellen der Leitfähigkeit des einen oder der mehreren Schalter. Dies kann bewerkstelligt werden, indem eine zufällige Anzahl der Hilfsschalter (welche den Schalter bzw. die Schalter ausbilden) ausgewählt wird, welche in einem geschlossenen Zustand sein sollen.
Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Auswählen einer zufälligen Anzahl der Hilfsschalter in einem vorbestimmten Bereich abhängig von der Last, welche mit dem Ausgang des Gleichspannungswandlers gekoppelt ist. Wenn beispielsweise einer der Schalter T1–T9 32 Hilfsschalter umfasst kann eine zufällige Anzahl innerhalb von 1–16 ausgewählt werden, wenn der Laststrom gering ist, oder eine zufällige Anzahl innerhalb von 17–32 ausgewählt werden, wenn der Laststrom hoch ist.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Einstellen einer Ladezeitdauer der Energiespeicherkapazität abhängig von einem zufälligen Intervallwert. Dies kann ein Verlängern oder Verkürzen der Ladedauer durch den zufälligen Intervallwert umfassen. Bei einer alternativen Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Einstellen einer Entladezeitdauer der Energiespeicherkapazität abhängig von einem zufälligen Intervallwert. Wiederum kann dies ein Verlängern oder Verkürzen der Entladezeitdauer durch den zufälligen Intervallwert umfassen.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Messen einer mittleren Entladezeitdauer der Energiespeicherkapazität und ein Filtern der Messung, um einen Laststrom des Gleichspannungswandlers zu bestimmen. Beispielsweise kann ein Zähler eingesetzt werden, um die mittlere Entladezeitdauer zu messen, und eine digitale Steuereinheit kann einen oder mehrere der Schalter einstellen, wenn ein Zählerwert des Zählers mit einem vorbestimmten Schwellenwert übereinstimmt. Dementsprechend kann der vorbestimmte Schwellenwert ein Niveau des Laststroms repräsentieren.
Im Block 1014 umfasst das Verfahren ein Anpassen des zeitlichen Schaltverhaltens von einem oder von mehreren der Schalter abhängig von einer Last, welche mit einem Ausgang des Gleichspannungswandlers gekoppelt ist.
Bei einer Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Regeln des Gleichspannungswandlers mittels eines Verfahrens zur Pulsfrequenzmodulation (PFM) entsprechend einer sich zufällig verändernden Frequenz. Dies kann beispielsweise das Verändern der Modulationsfrequenz umfassen, indem ein zufälliger Wert der Ladezeitdauer/oder der Entladezeitdauer der Energiespeicherkapazität hinzugefügt wird. Bei einer anderen Ausführungsform umfasst das Verfahren ein Einstellen der Leitfähigkeit von einem oder von mehreren der Schalter abhängig von einem zufälligen Wert. Dies kann ein Hinzuaddieren des Wertes einer Zufallsvariablen zu der Leitfähigkeit oder ein Abziehen des Wertes der Zufallsvariablen von der Leitfähigkeit umfassen.
Die Reihenfolge, in welcher die Verfahren 1000 und 1010 beschrieben sind, soll nicht als Einschränkung verstanden werden, und eine beliebige Anzahl der beschriebenen Verfahrensblöcke kann in irgendeiner Reihenfolge kombiniert werden, um Verfahren oder alternative Verfahren zu implementieren. Darüber hinaus können individuelle Blöcke aus dem Verfahren entfernt werden. Darüber hinaus können die Verfahren mit jeder geeigneten Hardware, Software, Firmware oder einer Kombination davon implementiert werden.

Claims

System umfassend: einen Gleichspannungswandler (100), welcher umfasst: ein Energiespeicherelement (C2; C3); und mehrere Schalter (T1–T4; T1–T9), welche mit dem Energiespeicherelement (C2; C3) gekoppelt sind; und ein Schaltersteuerelement (302), welches ausgestaltet ist, um ein Leitfähigkeitseinstellungssignal (Vgs) zu einem oder zu mehreren der Schalter (T1–T4; T1–T9) abhängig von einer Last (R_L), welche mit einem Ausgang des Gleichspannungswandlers (100) gekoppelt ist, auszugeben; und ein Leitfähigkeitssteuerelement (702; 710), welches ausgestaltet ist, um eine Änderungsrate des Leitfähigkeitseinstellungssignals (V_gs) zu steuern.
System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Leitfähigkeitssteuerelement (702; 710) ausgestaltet ist, um eine Änderungsrate einer Ladephase und/oder einer Entladephase des Energiespeicherelements (C2; C3) zu regeln.
System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltersteuerelement einen Digital-Analog-Wandler (302) umfasst, welcher ausgestaltet ist, um das Leitfähigkeitseinstellungssignal (Vgs) zu dem einen oder zu den mehreren der Schalter (T1–T4; T1–T9) auszugeben.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigungssteuerelement einen Multiplexer (702) umfasst, welcher ausgestaltet ist, um ein Steigungssteuersignal (704) gemäß einem Taktpuls an das Schaltersteuerelement (302) auszugeben.
System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Multiplexer (702) ausgestaltet ist, um ein Signal (Vgs_dig), welches einen Leitfähigkeitswert repräsentiert, und ein oder mehrere Skalierungssignale, die einen Bruchteil des Leitfähigkeitswerts repräsentieren, zu empfangen, und dass der Multiplexer (702) ausgestaltet ist, um das Steigungssteuersignal (704), welches das eine oder die mehreren Skalierungssignale und das Signal umfasst, entweder in einer aufsteigenden Reihenfolge (706) oder in einer abfallenden Reihenfolge (708) einer Stärke des Signals an das Schaltersteuerelement (302) auszugeben.
System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das System (400) darüber hinaus ein oder mehrere Signalskalierungselemente umfasst, welche ausgestaltet sind, um das Signal, welches den Leitfähigkeitswert repräsentiert, zu empfangen und das eine oder die mehreren Skalierungssignale an den Multiplexer (702) auszugeben.
System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigungssteuerelement ein Tiefpassfilter (710) umfasst, welches ausgestaltet ist, um das Leitfähigkeitseinstellungssignal (Vgs_dig) zu empfangen und ein geglättetes Leitfähigkeitsteuersignal (716) an das Schaltersteuerelement (302) auszugeben.
System umfassend: einen Gleichspannungswandler (100), welcher umfasst: ein Energiespeicherelement (C2; C3); und mehrere Schalter (T1–T4; T1–T9), welche mit dem Energiespeicherelement (C2; C3) gekoppelt sind, wobei einer oder mehrere der Schalter (T1–T4; T1–T9) eine Menge von Hilfsschalter (T1_0–T1_31) umfassen; und ein Schaltersteuerelement (810), welches ausgestaltet ist, um einen Schaltzustand von einem oder von mehreren der Menge der Hilfsschalter (T1_0–T1_31) abhängig von einer Last (R_L), welche mit einem Ausgang des Gleichspannungswandlers (100) gekoppelt ist, zu steuern; und ein Steigungssteuerelement (806), welches ausgestaltet ist, um eine Änderungsrate des Schaltzustands des einen oder der mehreren der Menge der Hilfsschalter (T1_0–T1_31) zu steuern.
System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass jeder der Hilfsschalter der Menge der Hilfsschalter (T1_0–T1_31) eine maximale Leitfähigkeit aufweist, welche im Wesentlichen äquivalent zu der maximalen Leitfähigkeit des einen oder der mehreren der Schalter (T1–T4; T1–T9) geteilt durch die Anzahl der Hilfsschalter (T1_0–T1_31) in der Menge ist.
System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigungssteuerelement ausgestaltet ist, um eine Änderungsrate von einer Ladephase und/oder einer Entladephase des Energiespeicherelements (C2; C3) zu regeln.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltersteuerelement (810) den Schaltzustand des einen oder der mehreren Hilfsschalter der Menge der Hilfsschalter (T1_0–T1_31) abhängig von einem digitalen Wort (Vgs_dig), welches von dem Schaltersteuerelement (810) empfangen wird, steuert.
System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Wort (Vgs_dig) einen Leitfähigkeitswert für den einen oder für die mehreren der Schalter (T1–T4; T1–T9), welche die Menge von Hilfsschaltern (T1_0–T1_31) umfassen, repräsentiert.
System nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das digitale Wort (Vgs_dig) repräsentiert, welche Hilfsschalter der Menge von Hilfsschalter (T1_0–T1_31) sich in einem offenen Zustand und welche der Hilfsschalter der Menge der Hilfsschalter (T1_0–T1_31) sich in einem geschlossenen Zustand befinden.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltersteuerelement (810) ausgestaltet ist, um Bit des digitalen Worts (Vgs_dig) Hilfsschaltern der Menge von Hilfsschaltern (T1_0–T1_31) zuzuordnen.
System nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das System (400) darüber hinaus Steuerleitungen (802) umfasst, und dass das Schaltersteuerelement (810) ausgestaltet ist, um die Bit des digitalen Worts (Vgs_dig) mittels der Steuerleitungen (802) den Hilfsschaltern der Menge von Hilfsschaltern (T1_0–T1_31) zuzuordnen.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigungssteuerelement ausgestaltet ist, um Verzögerungen (804) einzuführen, welche ausgestaltet sind, um ein Schalten von einem oder von mehreren der Hilfsschalter der Menge der Hilfsschalter (T1_0–T1_31) zu verzögern.
System nach einem der Ansprüche 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das System darüber hinaus Steuerleitungen (802) umfasst, welche Bit des digitalen Wortes (Vgs_dig) Hilfsschaltern der Menge der Hilfsschalter (T1_0–T1_31) zuordnet, und dass das Steigungssteuerelement ausgestaltet ist, um ein oder mehrere Verzögerungselemente (804) während jedes Taktzyklus bei den Steuerleitungen (802) einzufügen, um ein Schalten der Hilfsschalter (T1_0–T1_31) abhängig von einer Anzahl der eingeführten Verzögerungselemente (804) zu verzögern.
System nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigungssteuerelement ausgestaltet ist, um Mengen von einer ansteigenden oder abfallenden Anzahl von Verzögerungselementen (804) bei Mengen von benachbarten Steuerleitungen (802) einzuführen.
System nach einem der Ansprüche 8 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Steigungssteuerelement ein Tiefpassfilter (806) umfasst, welches ausgestaltet ist, um ein digitales Wort (Vgs_dig), welches einen Leitfähigkeitswert repräsentiert, zu empfangen und ein geglättetes Steigungssteuersignal (814) an das Schaltersteuerelement (810) auszugeben.