DE102014019718B4

DE102014019718B4 - Leistungswandlerschaltung

Info

Publication number: DE102014019718B4
Application number: DE102014019718.2A
Authority: DE
Inventors: Gerald Deboy; Rolf Weis; Klaus Krischan
Original assignee: Infineon Technologies Austria AG
Current assignee: Infineon Technologies Austria AG
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2014-03-14
Publication date: 2021-09-02
Anticipated expiration: 2034-03-15
Also published as: CN104052249B; US20140266131A1; DE102014103563A1; DE102014019718A1; CN104052249A; US9793803B2

Abstract

Leistungswandlerschaltung, die aufweist:mehrere Wandlereinheiten (31, 32, 3n), die dazu ausgebildet sind, jeweils eines von mehreren Versorgungspotentialen (V1, V2, Vn) zu erhalten und ein Ausgangssignal (Vout) an einem Ausgang (17, 18) zu erzeugen, und die jeweils ein als Schalter ausgebildetes erstes Halbleiterbauelement (321, 322, 32n) aufweisen;eine Versorgungsschaltung (2), die dazu ausgebildet ist, ein Eingangssignal (Vin) von einem Eingang (11, 12) zu erhalten und die mehreren Versorgungspotentiale (V1, V2, Vn) aus dem Eingangssignal (Vin) zu erzeugen, und die mehrere jeweils als Schalter ausgebildete zweite Halbleiterbauelemente (211, 212, 21n) aufweist;einen Halbleiterkörper (100) der wenigstens eine Ringstruktur aufweist, die ein ringförmiges erstes Halbleitergebiet (112), das zwischen einer ersten ringförmigen elektrisch leitenden Leitung (212) und einer zweiten ringförmigen elektrisch leitenden Leitung (213) angeordnet ist, und ein zweites Halbleitergebiet (113), das von dem ersten Halbleitergebiet (112) umgeben ist, aufweist;wobei das erste Halbleiterbauelement (321) einer ersten (31) der mehreren Wandlereinheiten (31, 32, 3n) in dem ringförmigen ersten Halbleitergebiet (112) integriert ist und zwischen die erste ringförmige elektrisch leitende Leitung (212) und die zweite ringförmige elektrisch leitende Leitung (213) geschaltet ist; undwobei eines (211) der mehreren zweiten Halbleiterbauelemente (211, 212, 21n) der Versorgungseinheit (2) in dem zweiten Halbleitergebiet (113) integriert ist und zwischen die zweite ringförmige elektrisch leitende Leitung (213) und eine Kontaktfläche (214) in dem zweiten Halbleitergebiet (113) geschaltet ist.

Description

Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung betreffen eine Leistungswandlerschaltung, insbesondere eine geschaltete Leistungswandlerschaltung (engl.: switched-mode power converter circuit) mit mehreren Wandlerstufen.
Geschaltete Leistungswandler sind in Automobil-, Industrie-, Verbraucherelektronik- oder Informationstechnologie-(IT)-Anwendungen zum Wandeln einer Eingangsspannung in eine einer Last zugeführte Ausgangsspannung weit verbreitet. Bei vielen Anwendungen, wie beispielsweise CPU-(Central Processing Units)-Leistungsversorgungsanwendungen ist es notwendig, eine Ausgangsspannung mit einem relativ niedrigen Pegel aus einer höheren Eingangsspannung zu erzeugen. Moderne CPUs erfordern beispielsweise eine Versorgungsspannung mit einem Spannungspegel von nur 3 V, 1,8 V oder 1,2 V. Bei dieser Art von Anwendung kann ein erster Leistungswandler eine Netzspannung (eine Wechselspannung mit 22 V_RMS oder 110 V_RMS) in eine erste Versorgungsgleichspannung mit einem Pegel von beispielsweise 12 V wandeln, und ein zweiter Leistungswandler transformiert die erste Versorgungsspannung in die niedrige Versorgungsgleichspannung, die von der CPU benötigt wird.
Mehrphasenwandler umfassen mehrere Wandlereinheiten, die parallel geschaltet sind und die jeweils einen Teil des Leistungsverbrauchs der Last liefern. Jede dieser Wandlereinheiten umfasst wenigstens einen Halbleiterschalter, der pulsweitenmoduliert (PWM) betrieben wird. Ein PWM-Betrieb des wenigstens einen Halbleiterschalters beinhaltet Verluste, wobei diese Verluste bei einer gegebenen Ausgangsleistung der Wandleitereinheit zunehmen, wenn die Spannungsfestigkeit des Halbleiterschalters zunimmt. Bei einem herkömmlichen Mehrphasenwandler ist die Spannungsfestigkeit des wenigstens einen Schalters in jeder Wandlereinheit wenigstens die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung des Mehrphasenwandlers.
Die US 2010/0314710 A1 beschreibt einen Pegelumsetzer (Level-Shifter), der dazu ausgebildet ist, ein auf ein erstes Bezugspotential bezogenes Eingangssignal auf ein auf ein zweites Bezugspotential bezogenes Ausgangssignal umzusetzen. Dieser Pegelumsetzer umfasst eine Halbbrücke mit zwei Transistoren, die so realisiert sind, dass aktive Bauelementgebiete eines der zwei Transistors ringförmig von aktiven Bauelementgebieten des anderen der zwei Transistoren umgeben sind.
Die DE 10 2013 213 447 A1 beschreibt eine Halbbrückenschaltung mit zwei Halbleiterschaltern, wobei wenigstens einer der zwei Halbleiterschalter eine Kaskodeschaltung mit mehreren in Reihe geschalteten Transistoren aufweist. Diese Transistoren können mit einer Ringstruktur so realisiert sein, dass aktive Bauelementgebiete eines der Transistoren von aktiven Bauelementgebieten eines in der Kaskodeschaltung jeweils benachbarten Transistors ringförmig umgeben sind.
Die US 2007/0 108 533 A1 beschreibt weitere Beispiele von Halbleiterbauelementen mit ringförmiger Struktur.
Die US 2011/0 267 845 A1 beschreibt einen Leistungswandler mit einem kapazitiven Spannungsteiler, dem eine Versorgungsspannung zugeführt ist und der mehrere in Reihe geschaltete Kondensatoren aufweist. Der Leistungswandler umfasst außerdem mehrere Resonanzwandlerstufen, die jeweils einen Eingang und einen Ausgang aufweisen. Der Eingang jeder Resonanzwandlerstufe ist an einen jeweiligen der Kondensatoren angeschlossen, und die Ausgänge der Resonanzwandlerstufen sind parallel geschaltet.
Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, einen Leistungswandler mit mehreren Wandlereinheiten platzsparend in einem Halbleiterkörper zu realisieren. Diese Aufgabe wird durch einen Leistungswandler nach Anspruch 1 gelöst.
Beispiele werden nun anhand von Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen dienen zum Veranschaulichen des Grundprinzips, so dass nur solche Merkmale, die zum Verständnis des Grundprinzips notwendig sind, dargestellt sind. Die Zeichnungen sind nicht maßstabsgerecht. In den Zeichnungen bezeichnen dieselben Bezugszeichen gleiche Merkmale.

1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung, die eine Leistungsversorgungsschaltung, mehrere Wandlereinheiten, die an die Leistungsversorgungsschaltung gekoppelt sind, und eine Steuerschaltung aufweist;
2 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungsversorgungsschaltung;
3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungsversorgungseinheit, die mit einem MOSFET-Schalter realisiert ist;
4 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Leistungsversorgungsschaltung;
5 veranschaulicht ein Beispiel der Leistungsversorgungsschaltung gemäß 4 im Betrieb;
6 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Wandlereinheit gemäß 1 im Detail;
7 zeigt Zeitverläufe, die ein Beispiel des Leistungswandlers gemäß 6 im Betrieb veranschaulichen;
8 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Wandlereinheit gemäß 6 im Detail;
9 zeigt Zeitverläufe, die die Wandlereinheit gemäß 8 im Betrieb veranschaulichen;
10 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Wandlereinheit gemäß 1 im Detail;
11 zeigt Zeitverläufe, die die Wandlereinheit gemäß 8 im Betrieb veranschaulichen;
12 zeigt Zeitverläufe, die ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung mit einer Versorgungsschaltung gemäß der 2 oder 4 im Betrieb veranschaulichen;
13 zeigt Zeitverläufe, die ein weiteres Ausführungsbeispiel der Leistungswandlerschaltung, die eine Versorgungsschaltung gemäß der 2 oder 4 umfasst, im Betrieb veranschaulichen;
14 zeigt Zeitverläufe, die ein weiteres Ausführungsbeispiel der Leistungswandlerschaltung, die eine Versorgungsschaltung gemäß der 2 oder 4 umfasst im Betrieb veranschaulichen;
15 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung;
16 zeigt Zeitverläufe, die ein Ausführungsbeispiel der Steuerschaltung gemäß 15 im Betrieb veranschaulichen;
17 veranschaulicht eine Leistungswandlerschaltung, die eine Versorgungsschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst;
18 zeigt Zeitverläufe, die die Leistungswandlerschaltung gemäß 17 im Betrieb veranschaulichen;
19 veranschaulicht eine Leistungswandlerschaltung, die eine Versorgungsschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst;
20 zeigt Zeitverläufe, die die Leistungswandlerschaltung gemäß 19 im Betrieb veranschaulichen;
21 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel eines ersten Schalters einer Wandlereinheit;
22 zeigt ein Schaltbild einer in 3 dargestellten Leistungswandlerschaltung, die mit Leistungswandlereinheiten, wie sie in den 6 und 8 dargestellt sind, realisiert ist;
23 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Draufsicht auf einen Halbleiterkörper, in dem Schalter der Leistungswandlerschaltung, wie sie in 22 dargestellt ist, integriert sind; und
24 veranschaulicht eine vertikale Schnittansicht eines Abschnitts des in 23 gezeigten Halbleiterkörpers.

In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die begleitenden Figuren Bezug genommen. Die Figuren bilden einen Teil der Beschreibung und zeigen mittels Darstellungen spezifische Ausführungsbeispiele, wie die Erfindung genutzt werden kann. Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen, hier beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern explizit nichts anderes angegeben.
1 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Leistungswandlerschaltung 1. Die Leistungswandlerschaltung 1 umfasst einen Eingang 11, 12 zum Erhalten einer Eingangsspannung Vin und eines Eingangsstroms lin und einen Ausgang 17, 18 zum Ausgeben einer Ausgangsspannung Vout und eines Ausgangsstroms lout. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Eingangsspannung Vin eine Gleichspannung (DC Spannung). Diese Eingangsspannung Vin kann von einer herkömmlichen Energiequelle VS (in gestrichelten Linien in 1 dargestellt), wie einer geschalteten Energieversorgung, einer Batterie oder ähnlichem, bereitgestellt werden. Ein Spannungspegel für die Eingangsspannung Vin liegt beispielsweise zwischen 5 V und 50 V, insbesondere zwischen 10 V und 30 V.
Die Ausgangsspannung Vout und der Ausgangsstrom lout können einer Last Z zur Verfügung gestellt werden (in gestrichelten Linien in 1 dargestellt). Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ausgangsspannung Vout niedriger als die Eingangsspannung Vin. Beispielsweise beträgt die Ausgangsspannung Vout etwa 1,2 V, 1,8 V oder etwa 3 V. Die Last Z kann beispielsweise eine CPU (Central Processing Unit) eines Computers sein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Leistungswandlerschaltung 1 dazu ausgebildet, die Ausgangsspannung Vout im Wesentlichen konstant zu halten. In diesem Fall kann der Ausgangsstrom lout abhängig von einem Leistungsverbrauch der Last Z variieren. Wenn beispielsweise die Eingangsspannung Vin im Wesentlichen konstant ist, kann zudem der Eingangsstrom Vin abhängig von dem Leistungsverbrauch der Last Z variieren.
Der Ausgang 17, 18 umfasst im vorliegenden Ausführungsbeispiel einen ersten Ausgangsknoten 17 und einen zweiten Ausgangsknoten 18. Optional ist ein Ausgangskondensator 19 zwischen den ersten und den zweiten Ausgangsknoten 17, 18 gekoppelt. Die Ausgangsspannung Vout ist eine Spannung zwischen den Ausgangsknoten 17, 18. Gleichermaßen umfasst der Eingang 11, 12 einen ersten Eingangsknoten 11 und einen zweiten Eingangsknoten 12, wobei die Eingangsspannung Vin eine Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Eingangsknoten 11, 12 ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel beziehen sich die Eingangsspannung Vin und die Ausgangsspannung Vout auf dasselbe Referenzpotential, wie beispielsweise Masse. In diesem Fall sind der zweite Eingangsknoten 12 und der zweite Ausgangsknoten 18 beide mit einem Knoten der Leistungswandlerschaltung verbunden, wo das Referenzpotential verfügbar ist.
Gemäß 1 umfasst die Leistungswandlerschaltung 1 eine Leistungsversorgungsschaltung 2, die mit dem Eingang 11, 12 gekoppelt ist. Die Leistungsversorgungsschaltung 2 ist dazu ausgebildet, die Eingangsspannung Vin und den Eingangsstrom lin zu erhalten und mehrere Versorgungsspannungen V₁, V₂, V_n von der Eingangsspannung Vin auszugeben. Des Weiteren umfasst die Leistungswandlerschaltung 1 mehrere Wandlereinheiten 3₁ , 3₂ , 3_n , wobei jede dieser Wandlereinheiten 3₁ - 3_n eine der mehreren Versorgungsspannungen V₁ - V_n erhält und dazu ausgebildet ist einen Ausgangsstrom l₁ - l_n dem Ausgang 17, 18 bereitzustellen. Der Ausgangsstrom lout der Leistungswandlerschaltung 1 entspricht der Summe der Ausgangsströme l₁ - l_n der einzelnen Wandlereinheiten 3₁ - 3_n . Die einzelnen Wandlereinheiten 3₁ - 3_n steuern ihre Ausgangsströme l₁ - l_n , so dass die Ausgangsspannung Vout einen vordefinierten Sollwert aufweist. Eine Art des Funktionsprinzips der einzelnen Wandlereinheiten 3₁ - 3_n ist nachfolgend detaillierter erläutert. In der Leistungswandlerschaltung 1, die in 1 dargestellt ist, gibt die Leistungsversorgungsschaltung 2 n=3 Versorgungsspannungen V₁ - V_n aus und n=3 Wandlereinheiten 3₁ - 3_n sind mit der Leistungsversorgungsschaltung 2 gekoppelt. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Die Zahl n der Wandlereinheiten, die in der Leistungswandlerschaltung 1 implementiert sind, ist beliebig und nicht auf n=3 beschränkt.
In 1 bezeichnen Bezugszeichnen 13₁ - 13_n die ersten Eingangsknoten der einzelnen Wandlereinheiten 3₁ - 3_n und Bezugszeichen 14₁ - 14_n bezeichnen die zweiten Eingangsknoten der einzelnen Wandlereinheiten 3₁-3_n . Jede Wandlereinheit 3₁ - 3_n erhält eine der Versorgungsspannungen V₁ - V_n zwischen ihrem ersten Eingangsknoten und ihrem zweiten Eingangsknoten. Die ersten Ausgangsknoten 15₁ - 15_n der einzelnen Wandlereinheiten 3₁ - 3_n sind miteinander gekoppelt, um den Ausgangsknoten 17 der Leistungswandlerschaltung 1 zu bilden und die zweiten Ausgangsknoten 16₁ - 16_n sind mit dem zweiten Ausgangsknoten 18 der Leistungswandlerschaltung 1 gekoppelt.
Gemäß 1 steuert eine Steuerschaltung 4 den Betrieb der Versorgungsschaltung 2 und der einzelnen Wandlereinheiten 3₁ - 3_n . In 1 sind die Steuersignale S2, S3₁ - S3_n , die von der Versorgungsschaltung 2 und den einzelnen Wandlereinheiten 3₁ - 3_n entsprechend erhalten werden, nur schematisch dargestellt. Abhängig von der speziellen Implementierung der Versorgungsschaltung 2 und der einzelnen Wandlereinheiten 3₁ - 3_n kann jede dieser Schaltungen zwei oder mehr Steuersignale erhalten, so dass das Steuersignal S2, S3₁ - S3_n , das in 1 dargestellt ist, je ein Steuersignal oder zwei oder mehr Steuersignale repräsentieren kann.
2 veranschaulicht ein erstes Ausführungsbeispiel einer Leistungsversorgungsschaltung 2. Die Leistungsversorgungsschaltung 2 umfasst mehrere Leistungsversorgungseinheiten (Versorgungseinheiten) 2₁ - 2_n , die in Reihe zwischen dem ersten um dem zweiten Eingangsknoten 11, 12 geschaltet sind. Jede dieser Versorgungseinheiten 2₁ - 2_n ist dazu ausgebildet, eine der Versorgungsspannungen V₁ - V_n auszugeben. Jede der Versorgungseinheiten 2₁ - 2_n umfasst eine Reihenschaltung mit einem ersten Schalter 21₁ - 21_n und einem ersten kapazitiven Speicherelement (Kondensator) 22₁ - 22_n , wobei die Versorgungsspannungen V₁ - V_n über den ersten Kondensatoren 22₁ - 22_n der Versorgungseinheit 2₁ - 2_n verfügbar sind.
In der Versorgungsschaltung 2 gemäß 2 und in anderen Ausführungsbeispielen der Versorgungsschaltung 2, die nachfolgend beschrieben wird, besitzen gleiche Merkmale der einzelnen Versorgungseinheiten 2₁ - 2_n Bezugszeichen, die voneinander durch die tiefgestellten Indizes „1“, „2“, „n“ unterschieden werden können. Im Folgenden werden Bezugszeichen ohne Indizes benutzt, wenn die Beschreibung sich gleichermaßen auf alle Versorgungsschaltungen 2₁ - 2_n und auf deren einzelne Komponenten bezieht. Gleichermaßen besitzen die Wandlereinheiten 3₁ - 3_n und deren Komponenten Bezugszeichen, die voneinander durch die tiefgestellten Indizes „1“, „2“, „n“ unterschieden werden können. Im Folgenden werden Bezugszeichen ohne Indizes genutzt, wenn die Beschreibung gleichermaßen auf jede der Wandlereinheiten 3₁ - 3_n und deren einzelne Komponenten zutrifft.
Jede der einzelnen Versorgungseinheiten 2 gibt eine der Versorgungsspannungen V₁ - V_n aus und versorgt damit die Wandlereinheit (3₁ - 3_n in 1), die daran angeschlossen ist.
Die einzelnen Wandlereinheiten 3 sind auch in 2 dargestellt. Eine Betriebsart ist nachfolgend detaillierter beschrieben. Jede der einzelnen Versorgungseinheiten 2 erhält die Energie, die sie der zugeordneten Wandlereinheit 3 bereitstellt, von den Eingangsknoten 11, 12. Jede der einzelnen Versorgungseinheiten 2 kann in einem Lademodus und in einem Versorgungsmodus betrieben werden. Im Lademodus erhält die Versorgungseinheit 2 Energie von den Eingangsknoten 11, 12, so dass der erste Kondensator 22 der Versorgungseinheit 2 geladen wird. Im Versorgungsmodus ist die Versorgungseinheit 2 bereit, der an sie angeschlossenen Wandlereinheit 3 Energie bereitzustellen, d.h., die Versorgungseinheit 2 ist bereit, den Kondensator 22 zu entladen. Ob die Versorgungseinheit 2 im Versorgungsmodus wirklich Energie der zugeordneten Wandlereinheit 3 bereitstellt ist abhängig vom Betriebsmodus der Wandlereinheit. Das ist detaillierter nachfolgend beschrieben.
Im Ausführungsbeispiel der Versorgungsschaltung 2, das in 2 dargestellt ist, werden die einzelnen Versorgungseinheiten 2₁ - 2_n im Lademodus zur gleichen Zeit betrieben. Im Lademodus schaltet die Steuerschaltung 4 (in 2 nicht dargestellt) die ersten Schalter 21₁ - 21_n der einzelnen Versorgungseinheiten 2₁ - 2_n ein. Wenn die ersten Schalter 21₁ - 21_n eingeschaltet sind, sind die Kondensatoren 22₁ - 22_n der einzelnen Versorgungseinheiten 2₁ - 2_n in Reihe zwischen den ersten und zweiten Eingangsknoten 11, 12 geschaltet. Die einzelnen Kondensatoren 22₁ - 22_n werden dann auf eine Versorgungsspannung V₁ - V_n geladen, die abhängig von der Eingangsspannung Vin und von den einzelnen Kondensatoren 22₁ - 22_n ist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel weisen die einzelnen Kondensatoren 22₁- 22_n im Wesentlichen die gleiche Kapazität auf. In diesem Fall werden die einzelnen Kondensatoren 22₁ - 22_n auf den gleichen Spannungspegel am Ende der Ladephase geladen, d.h. $V_{1} = V_{2} = V_{n} = \frac{V i n}{n}$
wobei n die Zahl der Versorgungseinheiten 2₁ - 2 _n in der Versorgungsschaltung 2 ist.
Ob die einzelnen ersten Kondensatoren 22₁ - 22_n vollständig geladen werden (auf die Spannung Vin/n im zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel) oder ob die einzelnen Kondensatoren 22₁ - 22_n nur teilweise geladen werden (auf eine Spannung niedriger als Vin/n), hängt von der Dauer der Ladephase ab. Gemäß einem Ausführungsbeispiel wird die Dauer der Ladephase so gewählt, dass die ersten Kondensatoren 22₁ - 22_n vollständig während dieser Ladephase geladen werden. Am Ende der Ladephase öffnet die Steuerschaltung 4 die ersten Schalter 21₁ - 2_1n und die einzelnen Kondensatoren 22₁ - 22_n sind bereit, von den einzelnen Wandlereinheiten 3₁ -3_n entladen zu werden. In diesem Ausführungsbeispiel können die ersten Schalter 21₁ - 21_n gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden, so dass ein Steuersignal S2, das von der Steuerschaltung 4 erhalten wird, dazu genutzt werden kann, die einzelnen ersten Schalter 21₁ - 21_n zu steuern.
Die ersten Schalter 21₁ - 21n können als herkömmliche elektronische Schalter ausgebildet sein. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die ersten Schalter 21₁ -21_n Transistoren. In einem anderen Ausführungsbeispiel sind die ersten Schalter 21₁ - 2_1n Relais. 3 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Versorgungseinheit 2, das einen ersten Schalter 21 umfasst, der als Transistor ausgebildet ist. In diesem speziellen Ausführungsbeispiel ist der Transistor ein MOSFET. Dieser MOSFET kann als n-leitender MOSFET oder p-leitender MOSFET ausgebildet sein und kann als Anreicherungstransistor (selbstsperrend) oder als Verarmungstransistor (selbstleitend), wie beispielsweise als ein Verarmungs-MOSFET oder ein JFET (engl.: Junction Field-Effect Transistor) ausgebildet sein. Die Transistoren können aus einem herkömmlichen Halbleitermaterial, wie beispielsweise Silizium (Si), Siliziumkarbid (SiC), Galliumarsenid (GaAs), Galliumnitrid (GaN) oder ähnlichem, ausgebildet sein. Der MOSFET weist einen Steueranschluss (Gateanschluss) auf, um ein Steuersignal S2 zu erhalten und weist eine Laststrecke auf (Drain-Source-Strecke) auf, die in Reihe mit dem Kondensator 22 geschaltet ist. Die Steuerschaltung 4 ist dazu ausgebildet, einen Signalpegel des Steuersignals S2 zu erzeugen abhängig von dem speziellen Typ des MOSFETs, so dass der MOSFET eingeschaltet wird, wenn die Versorgungseinheit 2 im Lademodus ist und so dass der MOSFET ausgeschaltet wird, wenn die Versorgungseinheit 2 im Versorgungsmodus ist. Der MOSFET 21 kann eine interne Bodydiode umfassen, die auch in 3 dargestellt ist. Die Polarität dieser Bodydiode kann derart gewählt werden, dass der Kondensator 22 der Versorgungseinheit 2 nicht über die Bodydiode geladen werden kann. Dazu ist eine Anode der Bodydiode mit dem Kondensator 22 im Ausführungsbeispiel gemäß 3 verbunden. Implementieren des Schalters 21 als einen n-leitenden MOSFET ist nur ein Beispiel. Jede andere Art eines elektronischen Schalters, wie beispielsweise ein anderer Typ eines MOSFETs oder ein anderer Typ eines Transistors, wie beispielsweise ein BJT (Bipolar Junction Transistor, Bipolar-Sperrschichttransistor) oder ein JFET (Junction Field-Effect Transistor, Sperrschicht-Feldeffekttransistor) oder ein GaN-HEMT (Gallium-Nitride High Electron-Mobility Transistor) können ebenfalls genutzt werden. Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel besteht darin, die Schalter in einer Leistungs-IC-Technologie zu implementieren, die laterale Leistungstransistoren unterstützt.
4 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel der Versorgungsschaltung 2. Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 umfasst die Versorgungsschaltung 2 eine Spule 23, die in Reihe mit den Versorgungseinheiten 2₁ - 2_n geschaltet ist. In der Versorgungsschaltung gemäß 2 kann der Eingangsstrom lin einen relativ hohen Strompegel zu Beginn der Ladephase (Lademodus) aufweisen. Dieser Strompegel ist abhängig davon, wie stark die einzelnen Kondensatoren 22₁ - 22_n entladen wurden. In der Versorgungsschaltung 2 gemäß 4 hilft die Spule 23 dabei, den Strompegel des Eingangsstroms lin zu begrenzen. Des Weiteren macht die Spule 23 es möglich, die Schalter 21₁ -21_n der Versorgungseinheiten 2₁ - 2_n einzuschalten und auszuschalten, wenn ein Strom durch die Spule 23 und damit ein Strom durch die Schalter 21₁ - 21_n im Wesentlichen null ist. Gemäß 4 ist ein optionales Freilaufelement 26, wie beispielsweise eine Diode, parallel zu der Spule 23 geschaltet. Das Freilaufelement 26 übernimmt den Strom durch die Spule 23, wenn die Schalter 21₁ - 2_1n ausschalten, bevor die Spule 23 vollständig entmagnetisiert wurde.
Eine Funktionsweise der Versorgungsschaltung gemäß 4 wird anhand von 5 erläutert, in der Zeitverläufe des Betriebsmodus der Versorgungsschaltung 2 und des Eingangsstroms lin dargestellt sind. Der Betriebsmodus wird durch das Steuersignal S2 repräsentiert. Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, dass das Steuersignal S2 einen hohen Wert aufweist (der die einzelnen ersten Schalter 21₁ - 21_n einschaltet), wenn die Versorgungsschaltung 2 im Lademodus ist. Zu Erläuterungszwecken wird weiterhin angenommen, dass die einzelnen Kondensatoren 22₁ - 22_n nicht vollständig zu Beginn des Lademodus geladen sind, d.h., die Summe der einzelnen Versorgungsspannungen V₁ - V_n niedriger ist als die Eingangsspannung Vin: $\sum_{k = 1}^{n} V_{k} > V i n$
In diesem Fall steigt der Eingangsstrom lin zu Beginn des Lademodus, wobei der Beginn des Lademodus in 5 durch die Zeit t1 repräsentiert wird. Gemäß 5 steigt der Eingangsstrom lin auf einen maximalen Eingangsstrom lin_max an und nimmt dann auf null ab. Der maximale Eingangsstrom lin_max hängt von der Differenz zwischen dem Spannungspegel der Eingangsspannung Vin und dem Spannungspegel der Spannung über der Reihenschaltung mit den Kondensatoren 22₁ - 22_n zu Beginn der Ladephase ab, wobei der maximale Eingangsstrom lin_max zunimmt, wenn die Spannungsdifferenz zunimmt. Eine Ladedauer T, die eine Zeitspanne zwischen dem Beginn einer Ladedauer zum Zeitpunkt t1 und einem Zeitpunkt t2 ist, wenn der Eingangsstrom lin auf null abfällt, ist unabhängig von der Spannungsdifferenz und hängt nur von der Induktivität der Spule 23 und einer gesamten Kapazität der Kondensatorreihenschaltung ab. Gemäß einen Ausführungsbeispiel entspricht eine Zeitdauer, in der die Versorgungsschaltung 2 im Lademodus betrieben wird, der Ladedauer T oder ist sogar kürzer.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 4 kann die gesamte Spannung über die Kondensatorreihenschaltung am Ende der Ladedauer höher sein als die Eingangsspannung Vin, d.h.: $\sum_{k = 1}^{n} V_{k} < V i n$
Ob die gesamte Spannung höher ist als die Eingangsspannung Vin hängt von dem Zeitpunkt ab, zu dem die Schalter 21₁ - 21_n ausgeschaltet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel schalten die Schalter 21₁ - 21_n aus, wenn der Eingangsstrom lin im Wesentlichen maximal ist (was zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 in 5 der Fall ist). In diesem Fall entspricht die gesamte Spannung der Eingangsspannung. Wenn die Schalter 21₁ - 21_n jedoch später ausschalten, wird die Energie, die magnetisch in der Spule 23 gespeichert wurde, zwischen dem ersten Zeitpunkt t1 und dem Zeitpunkt, zu dem der Eingangsstrom lin das Maximum erreicht, an die Kondensatoren 22₁ - 22_n übertragen und sorgt dafür, dass die gesamte Spannung über die Eingangsspannung Vin steigt. Um ein Entladen der Kondensatoren 22₁ - 22_n zu verhindern, sollten die Schalter 21₁ - 21_n ausgeschaltet werden, wenn oder bevor der Eingangsstrom lin null wird.
Im Lademodus beziehen sich die Versorgungsspannungen V₁ - V_n , die von den einzelnen Versorgungseinheiten 2₁ - 2_n ausgegeben werden, auf verschiedene elektrische Potentiale. Die Versorgungsspannung V_n der Versorgungseinheit 2_n , die direkt mit dem zweiten Eingangsknoten 12 verbunden ist, bezieht sich auf das elektrische Potential am zweiten Eingangsknoten 12. Dieses elektrische Potential am zweiten Eingangsknoten 12 wird als Referenzpotential (Masse) im Folgenden bezeichnet. Die Versorgungseinheit 2_n , die direkt mit dem zweiten Eingangsknoten 12 verbunden ist, wird weiterhin als niedrigste Versorgungseinheit bezeichnet und die Wandlereinheit 3_n , die mit der niedrigsten Versorgungseinheit 2_n verbunden ist, wird weiterhin als niedrigste Wandereinheit bezeichnet.
Die Versorgungsspannung V₂ der Versorgungseinheit 2₂ , die an die niedrigste Versorgungseinheit 2_n angrenzt, bezieht sich auf P12+V_n, wobei P12 das Referenzpotential und V_n die Versorgungsspannung der niedrigsten Versorgungseinheit 2_n bezeichnet. Gleichermaßen bezieht sich die Versorgungsspannung V₁ der Versorgungseinheit 2₁ auf P12+V₂. Im Allgemeinen bezieht sich im Lademodus die Versorgungsspannung V_i einer Versorgungseinheit 2_i (wobei 2_i eine beliebige der Versorgungseinheiten 2₁ - 2_n bezeichnet) auf $P 12 + \sum_{k = i + 1}^{n} V_{k}$
Wenn die Versorgungseinheiten 2₁ - 2_n im Versorgungsmodus sind, beziehen sich die einzelnen Versorgungsspannungen V₁ - V_n auf das gleiche Referenzpotential, nämlich das Potential am zweiten Ausgangsknoten 18. Zu diesem Zweck umfasst jede der Wandlereinheiten 3₁ - 3_n einen zweiten Schalter 31₁ - 31_n , der zwischen Kondensator 22₁ - 22_n der entsprechenden Versorgungseinheit 2₁ - 2_n und den zweiten Ausgangsknoten 18 geschaltet ist. Diese zweiten Schalter sind schematisch in den Wandlereinheiten 3₁ - 3_n gemäß 2 und 4 dargestellt. Die Steuerschaltung 4 steuert diese zweiten Schalter 21₁ , 21₂ derart, dass sie ausgeschaltet sind (offen sind), wenn die entsprechende Versorgungseinheit 2₁ - 2_n im Lademodus ist. Bei der niedrigsten Wandlereinheit 3_n ist der zweite Schalter 31_n optional.
Neben dem Lademodus und dem Versorgungsmodus einer Versorgungseinheit 2 kann auch ein Standby-Modus vorhanden sein, in dem der Kondensator 22 geladen wurde und in dem der erste Schalter 21 und der zweite Schalter 31 offen sind. In diesem Betriebsmodus ist die Versorgungsspannung V, die von der Versorgungseinheit 2 bereitgestellt wird, floatend.
Optional ist ein weiterer Schalter 24 zwischen die Reihenschaltung der Versorgungseinheit 21₁ - 21_n und den zweiten Eingangsknoten 12 geschaltet. Dieser weitere Schalter 24 wird gleichzeitig mit den ersten Schaltern 21₁ - 21_n ein- und ausgeschaltet. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die niedrigste Wandlereinheit 3_n zudem einen zweiten Schalter 31_n . In diesem Ausführungsbeispiel können die Eingangsspannung Vin und die Ausgangsspannung Vout auf die verschiedenen Referenzpotentiale bezogen werden. D.h., die Eingangsspannung Vin kann auf ein erstes Referenzpotential bezogen werden, das Potential am zweiten Eingangsknoten 12 und die Ausgangsspannung Vout können auf ein zweites Referenzpotential bezogen werden, nämlich das Potential am zweiten Ausgangsknoten 18.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der zweite Schalter einer der Wandlereinheiten 3₁ - 3_n , die nicht die niedrigste Wandlereinheit 3_n ist, weg gelassen, während die niedrigste Wandlereinheit 3_n den zweiten Schalter 31_n umfasst. Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, dass der zweite Schalter 31₂ der zweiten Wandlereinheit 3₂ weg gelassen wird. In diesem Fall bezieht sich die Ausgangsspannung Vout auf das elektrische Potential an einem der Anschlüsse des Kondensators 22₂ der entsprechenden Versorgungseinheit 2₂ .
Verschiedene Topologien sind möglich, um die Wandlereinheiten 3₁ . 3_n zu implementieren. Zwei mögliche Implementierungen werden anhand von 6 und 8 nachfolgend erläutert.
6 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Wandlereinheit 3_i (wobei 3_i eine beliebige der Wandlereinheiten 3₁ - 3_n repräsentiert). Diese Wandlereinheit 3_i ist mit einer Tiefsetzstellertopologie implementiert und umfasst eine Reihenschaltung mit einem dritten Schalter 32_i und einer Spule 33_i , die zwischen einen ersten Eingangsknoten 13i und einen ersten Ausgangsknoten 15_i geschaltet ist, wobei der erste Ausgangsknoten 15_i mit dem ersten Ausgangsknoten 17 der Leistungswandlerschaltung 1 verbunden ist. Ein Freilaufelement 34_i ist zwischen einen zweiten Ausgangsknoten 16_i und einen Schaltungsknoten geschaltet, den der dritte Schalter 32 und die Spule 33_i gemeinsam haben. Der zweite Ausgangsknoten 16_i ist der Ausgangsknoten, der mit dem zweiten Ausgangsknoten 18 der Leistungswandlerschaltung 1 verbunden ist. Das Freilaufelement 34_i kann als ein gewöhnliches Freilaufelement ausgebildet sein, wie beispielsweise als eine Diode oder ein SR-MOSFET (Synchronous Rectifier MOSFET, Synchrongleichrichter-MOSFET). Der dritte Schalter 32_i wird weiterhin als Steuerschalter bezeichnet.
Eine Betriebsart der Wandlereinheit 3_i gemäß 6 wird anhand von 7 erläutert, die Zeitverläufe eines Steuersignals S31_i , das den zweiten Schalter 31_i steuert, eines Steuersignals S32_i , das den Steuerschalter 32_i steuert, und des Ausgangsstroms l_i der Wandlereinheit 3_i darstellt. Das Steuersignal S31, das den zweiten Schalter 31_i steuert, wird als Versorgungsmodus-Steuersignal fortan bezeichnet und das Steuersignal S32_i , das den Steuerschalter 32_i steuert, wird als Stromsteuersignal bezeichnet, da dieses Steuersignal dabei hilft, den Ausgangsstrom l_i zu steuern. Das ist detaillierter nachfolgend erläutert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Steuersignal S32_i ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM), das den Steuerschalter 32_i in einer pulsweitenmodulierten Art (PWM) ansteuert. D.h., es gibt mehrere aufeinander folgende Ansteuerdauern, wobei in jeder Ansteuerdauer das Steuersignal S31 den Steuerschalter S32_i für eine Ein-Periode T_ON einschaltet und den Steuerschalter für eine Aus-Periode T_OFF ausschaltet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Perioden T_PWM der einzelnen Ansteuerzyklen identisch, wobei ein Tastverhältnis, das ein Verhältnis zwischen der Ein-Periode T_ON und der Dauer T_PWM des Ansteuerzyklus ist, variieren kann. Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, dass ein hoher Wert des Ansteuersignals S32_i gemäß 7 einen eingeschalteten Zustand des Steuerschalters 32_i repräsentiert, während ein niedriger Wert des Ansteuersignals S32_i einen ausgeschalteten Zustand des Steuerschalters 32_i repräsentiert.
Gemäß 7 nimmt der Ausgangsstrom l_i während der Ein-Periode T_ON zu und nimmt während der Aus-Periode T_OFF ab. 7 zeigt den Zeitverlauf des Ausgangsstroms l_i im stationären Zustand der Wandlereinheit 3_i und in einem kontinuierlichen Strommodus (engl.: continuous current mode CCM). CCM ist ein Betriebsmodus, in dem der Ausgangsstrom l_i nicht auf null während der Aus-Periode T_OFF absinkt. Der durchschnittliche Ausgangsstrom l_i kann durch Variieren des Tastverhältnisses des Steuersignals S32_i variiert werden. Der durchschnittliche Ausgangsstrom kann durch temporäres Erhöhen des Tastverhältnisses erhöht werden und der durchschnittliche Ausgangsstrom kann durch temporäres Verringern des Tastverhältnisses verringert werden. Das Steuersignal S32_i , das den Steuerschalter 32_i steuert, wird auch als Stromsteuersignal im Folgenden bezeichnet. Im stationären Zustand ist das Tastverhältnis im Wesentlichen konstant, wie beispielsweise etwa 0,25 (falls zum Beispiel n=4 und Vout ist ungefähr 1 V).
Es ist auch möglich, die Wandlereinheit 3_i in einem diskontinuierlichen Strommodus (engl.: discontinuous current mode, DCM) zu betreiben, in dem der Ausgangsstrom l_i während der Aus-Periode T_OFF absinkt.
Während der Ein-Periode T_ON wird Energie magnetisch in der Spule 33_i gespeichert. Während der Aus-Periode sorgt die in der Spule 33_i gespeicherte Energie dafür, dass der Ausgangsstrom l_i weiterhin fließt, wobei das Freilaufelement 34_i eine Freilaufstrecke bereitstellt, die es dem Ausgangsstrom l_i erlaubt, weiter zu fließen.
In der Wandlereinheit 3_i gemäß 6 ist der zweite Schalter 31_i zwischen den zweiten Eingangsknoten 14_i und die Freilaufstrom-Strecke mit dem Gleichrichtelement 34_i und der Spule 33_i geschaltet, so dass der Freilaufstrom fließen kann, wenn der zweite Schalter 31_i ausgeschaltet wurde. Gemäß der vorangehenden Erläuterung befindet sich die Wandlereinheit 3_i im Versorgungsmodus, wenn der zweite Schalter 31_i eingeschaltet wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel (in durchgezogenen Linien in 7 dargestellt) werden der zweite Schalter 31_i und der Steuerschalter 32_i gleichzeitig ein- und ausgeschaltet von deren entsprechenden Steuersignalen S31_i , S32_i . In diesem Fall können der zweite Schalter 31_i und der Steuerschalter 32_i durch ein gemeinsames Steuersignal S3_i gesteuert werden und die Versorgungseinheit (nicht in 6 dargestellt), die mit der Wandlereinheit 3_i gekoppelt ist, ist nur dann im Versorgungsmodus, wenn der Steuerschalter 32_i eingeschaltet ist. Die Versorgungseinheit kann zwischen aufeinanderfolgenden Ein-Zeiten des Steuerschalters 31_i wieder aufgeladen werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der erste Schalter 31_i eingeschaltet, bevor der Steuerschalter 32_i einschaltet, so dass eine Verzögerungszeit zwischen dem Einschalten des ersten Schalters 31_i und des zweiten Schalters 32_i besteht.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel gibt es zwei oder mehr Ansteuerzyklen des Steuerschalters 31, bevor die entsprechende Versorgungseinheit wieder aufgeladen wird. In diesem Fall wird der zweite Schalter 31_i in dem eingeschalteten Zustand für mehrere Ansteuerzyklen gehalten. Dies ist in gestrichelten und gepunkteten Linien in 7 dargestellt.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel wird der zweite Schalter 31_i als der Kontrollschalter betrieben und der Kontrollschalter 32_i dient dazu, die elektrischen Potentiale anzugleichen. D.h. in diesem Ausführungsbeispiel, der erste Schalter 31 wird pulsweitenmoduliert (PWM) angesteuert, wie in Verbindung mit dem Steuerschalter 32_i beschrieben, und der Steuerschalter 32i kann wie der zweite Schalter 31_i betrieben werden wie zuvor beschrieben. Das ist vorteilhaft, wenn das Freilaufelement 34 und der erste Schalter 31₁ als Transistoren ausgebildet sind, insbesondere als MOSFETs. In diesem Fall können diese Transistoren mittels Ansteuerspannungen gesteuert werden, die sich auf das selbe Referenzpotential beziehen können, nämlich das Potential an dem gemeinsamen Schaltungsknoten des zweiten Schalters 31_i des Freilaufelements 34_i, so dass diese Ansteuerspannungen von einem gemeinsamen Treiber erzeugt werden können.
Wenn die Diode 34_i gemäß 6 mit einem Schalter ersetzt wird, der sich wie ein Freilaufelement verhält, kann die Wandlereinheit 3_i in einem Nullspannungsschaltungsmodus (engl.: zero-voltage switching mode ZVS) betrieben werden. Der Nullspannungsmodus ist insbesondere nützlich, wenn der Steuerschalter 32_i ein Schalter mit einer Ausgangskapazität ist, die sich auflädt, wenn sich der Steuerschalter 32_i ausschaltet. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Wandlereinheit 3_i , die einen Schalter 34_i als das Freilaufelement umfasst und die einen MOSFET mit einer Ausgangskapazität Coss als den Steuerschalter 32_i umfasst. Eine Betriebsart dieser Wandlereinheit 3_i im Nullspannungsschaltungsmodus wird anhand von 9 erläutert, die Zeitverläufe des Ausgangsstroms lin, des Steuersignals S32_i des Steuerschalters 32_i und das Steuersignal S34_i des Freilaufschalters 34_i zeigt.
Im Nullspannungsschaltungsmodus schaltet der Freilaufschalter 34_i ein, wenn der Steuerschalter 32_i ausschaltet und der Freilaufschalter 34_i verbleibt im eingeschalteten Zustand bis der Ausgangsstrom lin die Stromflussrichtung ändert (negativ wird). Dieser negative Strom magnetisiert die Spule 33_i (leicht). Die Spannung im Ausgangskondensator Coss des Steuerschalters 32_i entspricht im Wesentlichen der Differenz zwischen der Eingangsspannung V_i und der Ausgangsspannung Vout, wenn der Steuerschalter 32_i im ausgeschalteten Zustand ist. Wenn der Freilaufschalter 34_i ausschaltet, entlädt der Strom, der durch die magnetisierte Spule 33_i induziert wird, den Ausgangskondensator Coss des Steuerschalters 32_i , so dass der Steuerschalter 32_i eingeschaltet werden kann, wenn die Spannung über dem Steuerschalter 32_i im Wesentlichen null ist. Das hilft dabei Schaltungsverluste zu reduzieren.
Insbesondere wenn die Wandlereinheit 3_i im DCM- oder im ZVS-Modus betrieben wird, kann die Spule mit einer geringeren Induktivität als im CCM-Modus implementiert werden. Die Schaltfrequenz des Schalters, der auf PWM-Art angesteuert wird (d.h. der Steuerschalter 32_i oder der erste Schalter 31_i ), beträgt beispielsweise mehrere MHz, wie beispielsweise 10 MHz oder mehr.
In der Wandlereinheit gemäß 6 ist ein maximaler Spannungspegel der Ausgangsspannung Vout niedriger als ein Spannungspegel der Versorgungsspannung V_i. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Wandlereinheit 3_i , die eine Ausgangsspannung Vout mit einem höheren Spannungspegel als die Versorgungsspannung V_i erzeugen kann. Diese Wandlereinheit 3_i weist eine Hochsetzstellertopologie auf. In diesem Ausführungsbeispiel ist eine Reihenschaltung mit einer Spule 33_i und einem Steuerschalter 32_i zwischen die Eingangsknoten 13_i ,14_i geschaltet. Des Weiteren ist ein Gleichrichtelement 34 zwischen einen Schaltungsknoten, den die Spule 33_i und der Steuerschalter 32_i gemeinsam haben, und den ersten Ausgangsknoten 15_i geschaltet. Wie in dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 wird der Steuerschalter 32_i auf PWM-Art angesteuert, wobei Energie jedes Mal, wenn der Schalter 32 eingeschaltet wird, magnetisch in der Spule 33_i gespeichert wird. Die Energie, die in der Spule 33_i gespeichert ist, wird wenigstens teilweise zu den Ausgangsknoten 15_i , 16_i transferiert, wenn der Steuerschalter 32_i ausgeschaltet wird. Der Steuerschalter 32_i und der zweite Schalter 31 i können gleichzeitig ein- und ausgeschaltet werden. Wenn der zweite Schalter 31_i ausgeschaltet wurde, ermöglicht das weitere Gleichrichtelement 35_i es dem Ausgangsstrom l_i zu fließen.
Zeitverläufe des Steuersignals S32_i des Steuerschalters 32_i und des Ausgangsstroms l_i sind in 11 dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel fließt der Ausgangsstrom l_i nur während der Aus-Periode. Wie im Ausführungsbeispiel gemäß 6 kann ein durchschnittlicher Ausgangsstrom l_i gesteuert werden, indem das Tastverhältnis des Steuersignals S32_i eingestellt wird.
Jede der Wandlereinheiten 3_i , die zuvor erläutert wurden, kann in einem kontinuierlichen Strommodus (CCM), einem diskontinuierlichen Strommodus (DCM) oder in dem ZVS-Modus betrieben werden. Des Weiteren kann die Wandlereinheit 3_i mit einer anderen Topologie als einer Tiefsetzstellertopologie (siehe 6 und 8) und ebenfalls einer Hochsetzstellertopologie (siehe 10) ausgebildet sein. Eine weitere mögliche Wandereinheit-Topologie ist beispielsweise eine Tiefhochsetzstellertopologie (engl.: buck-boost converter topology) oder eine Hochtiefsetzstellertopologie (engl.: boost-buck converter topology).
12 zeigt Zeitverläufe, die eine Betriebsart einer Leistungswandlerschaltung 1 gemäß 1 veranschaulichen, die mit einer Versorgungsschaltung 2 gemäß entweder 2 oder 4 und mit mehreren Wandlereinheiten 3₁ - 3_n gemäß einem der Ausführungsbeispiele von entweder 6 oder 8 implementiert ist. 12 zeigt Zeitverläufe der Steuersignale S31₁ - S32_n des Steuerschalters 32_i einer jeden Wandlereinheit 3₁ - 3_n . Der zweite Schalter 31_i kann wie zuvor erläutert gesteuert werden, d.h., der zweite Schalter 31_i und der Steuerschalter 32_i einer jeden Wandlereinheit 3_i können gleichzeitig gesteuert werden oder der zweite Schalter 31_i ist bereits eingeschaltet, bevor der Steuerschalter einschaltet. 12 zeigt Zeitverläufe von PWM-Steuersignalen S3₁ , S3₂ , S3_n , wobei jedes dieser Steuersignale den Steuerschalter (32_i in 6 und 8) und den zweiten Schalter (31_i in 6 und 8) einer der Wandlereinheiten 3₁ - 3_n steuert. 12 zeigt des Weiteren einen Zeitverlauf des Versorgungsschaltungssteuersignals S2, das den Lademodus der einzelnen Versorgungseinheiten 2₁ - 2_n steuert. In diesem Ausführungsbeispiel werden die einzelnen Versorgungseinheiten 2₁ - 2_n im Lademodus gleichzeitig betrieben.
Gemäß 12 kann jedes der Steuersignale S3₁ - S3_n einen Ein-Wert und einen Aus-Wert annehmen. Zu Erläuterungszwecken wird angenommen, dass ein hoher Wert eines Steuersignals S3₁ - S3_n , das von einer Wandlereinheit 3₁ - 3_n erhalten wird, dem Ein-Wert entspricht und den Steuerschalter (32_i in 6 und 8) und den zweiten Schalter der Wandlereinheit 3₁ - 3_n einschaltet, während ein niedriger Wert einem Aus-Wert entspricht und den Steuerschalter und den zweiten Steuerschalter ausschaltet. Gleichermaßen repräsentiert ein hoher Wert des Versorgungsschaltungssteuersignals S2 einen Lademodus der Versorgungseinheiten 2₁ -2_n.
Im dem Betriebsszenario, das in 12 dargestellt ist, betreibt die Steuerschaltung 4 die einzelnen Wandlereinheiten 3₁ - 3_n derart, dass der Steuerschalter nur einer Wandlereinheit auf einmal eingeschaltet wird. D.h., Ein-Perioden T_ON1, T_ON2, T_ONn der Steuerschalter in den einzelnen Wandlereinheiten 3₁ - 3_n überlappen zeitlich nicht. Gemäß der vorangehenden Erläuterung können die einzelnen Wandlereinheiten in entweder dem DCM-Modus, dem ZVS-Modus oder dem CCM-Modus betrieben werden, wobei der ZVS-Modus die niedrigsten Schaltverluste aufweist. In 12 ist das Steuersignal S3_n das Steuersignal der niedrigsten Wandlereinheit 3_n , die mit der niedrigsten Versorgungseinheit 2_n gekoppelt ist. Wenn die Eingangsspannung Vin und die Ausgangspannung Vout auf das gleiche Referenzpotential bezogen werden, kann die niedrigste Versorgungseinheit im Lademodus und im Versorgungsmodus zur gleichen Zeit betrieben werden. D.h., der Steuerschalter der Wandlereinheit 3_n kann eingeschaltet werden, um Leistung von der niedrigsten Versorgungseinheit 2n zu erhalten, während der Kondensator 22_n mit dem Eingang 11, 12 gekoppelt ist. Daher können im Ausführungsbeispiel gemäß 12 die Ein-Periode T_ON des Steuerschalters der Wandlereinheit 3_n und die Lademodusdauer der Versorgungseinheit 2_n überlappen. Die „Lademodusdauer“ ist die Zeitdauer, während der die Versorgungseinheit im Lademodus ist.
13 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des Betriebs einer Leistungsversorgungseinheit 1. In diesem Ausführungsbeispiel werden die Steuerschalter der einzelnen Wandlereinheiten 3₁ - 3_n im Wesentlichen gleichzeitig ein- und ausgeschaltet. In diesem Ausführungsbeispiel überlappen die Lademodusdauer und die Ein-Periode T_ON der niedrigsten Wandlereinheit 3n nicht. Die Versorgungsschaltung 2 wird im Lademodus nach den Ein-Perioden T_ON1, T_ON2, T_ONn betrieben. Dieser Modus ermöglicht es, den Ausgangsstrom extrem schnell zu erhöhen und kann dazu genutzt werden, um beispielsweise temporär für kürzere Zeitdauern schnellen Änderungen der Last zu folgen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das in 14 dargestellt ist, werden die einzelnen Wandlereinheiten verschachtelt betrieben, so dass die Ein-Perioden T_ON1, T_ON2, T_ONn der Steuerschalter (und der zweiten Schalter) in den einzelnen Wandlereinheiten 3₁ - 3_n überlappen. Wenn die Eingangsspannung Vin und die Ausgangsspannung Vout sich auf das gleiche Referenzpotential beziehen, können die Lademodusdauer und die Ein-Periode T_ONn des Steuerschalters in der niedrigsten Wandlereinheit 3_n überlappen. Jedoch kann die Lademodusdauer nur einen Teil der Ein-Periode T_ONn überlappen, indem keiner der anderen Steuerschalter eingeschaltet wird. D.h., die Lademodusdauer sollte mit keinen anderen Ein-Perioden T_ON1, T_ON2 überlappen.
Obwohl 12 bis 14 eine Betriebsart einer Leistungswandlerschaltung mit n=3 Wandlereinheiten darstellen, gilt der Betrieb, der anhand dieser 12 - 14 erläutert wurde, für Leistungswandlerschaltungen, die nur zwei (n=2) oder mehr als drei (n>3) Wandlereinheiten umfassen, in äquivalenterweise.
In jedem anhand von 12 bis 14 erläuterten Ausführungsbeispiele kann die Steuerschaltung 4 die Ausgangsströme der einzelnen Wandlereinheiten 3₁-3_n steuern, so dass der (durchschnittliche) Wert der Ausgangsspannung Vout einer vordefinierten Referenzspannung entspricht, oder kann die Ausgangsströme der einzelnen Wandlereinheiten 3₁-3_n steuern, so dass der (durchschnittliche) Wert des Ausgangsstroms lout einem vordefinierten Strompegel entspricht. Insbesondere in einem Betriebsmodus, in dem die Wandlereinheiten 3₁-3_n den Ausgangsstrom lout steuern, kann der optionale Ausgangskondensator (in gestrichelten Linien in 1 dargestellt) weggelassen werden.
Die Steuerschaltung 4 kann die einzelnen Wandlereinheiten 3₁-3_n steuern, so dass die Steuersignale S321-S32n die gleichen Tastverhältnisse in einem Ansteuerzyklus T_PWM aufweisen.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel steuert die Steuerschaltung 4 eine der Wandlereinheiten wie Wandlereinheit 3₁ als eine Master-Wandlereinheit derart, dass ein Tastverhältnis des entsprechenden Steuersignals S3₁ abhängig von der Ausgangsspannung Vout (oder abhängig von dem Ausgangsstrom lout) ist und steuert die anderen Wandlereinheiten wie Wandlereinheiten 3₂-3_n als Slave-Wandlereinheiten derart, dass die Ausgangsströme I₂-I_n dieser anderen Wandlereinheiten im Wesentlichen dem Ausgangsstrom I₁ der Wandlereinheit 3₁ entsprechen. Die Ausgangsströme der Slave-Wandlereinheiten können durch Einstellen des Tastverhältnisses der Steuersignale S31₁-S32_n gesteuert werden. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Ausgangsströme I₁-I_n der einzelnen Wandlereinheiten 3₁-3_n im Wesentlichen ausgeglichen. Die Wandlereinheit 3₁ agiert als eine Master-Wandlereinheit und die anderen Wandlereinheiten 3₂-3_n agieren als Slave-Wandlereinheiten in diesem Ausführungsbeispiel.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel werden die einzelnen Wandlereinheiten 3₁-3_n unabhängig voneinander gesteuert, so dass jede Wandlereinheit 3₁-3_n einen vordefinierten Ausgangsstrom dem Ausgang 17, 18 bereit stellt, wobei die Ausgangsströme I₁-I_n der einzelnen Wandlereinheiten 3₁-3_n paarweise verschieden sein können.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel werden die einzelnen Wandlereinheiten 3₁-3_n unabhängig voneinander gesteuert, um einen gleich vordefinierten Ausgangsspannungspegel am Ausgang 17, 18 zu erzeugen.
15 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Steuerschaltung 4, die dazu ausgebildet ist, die Leistungswandlerschaltung 1 in Übereinstimmung mit dem Betriebsszenario, das in 12 dargestellt ist, zu steuern, so dass die einzelnen Steuersignale S3₁-S3_n das gleiche Tastverhältnis aufweisen. Gemäß 15 umfasst die Steuerschaltung 4 einen PWM-Generator 41, der dazu ausgebildet ist, ein Ausgangssignal S_OUT, das entweder die Ausgangsspannung Vout oder den Ausgangsstrom lout repräsentiert, und ein Referenzsignal S_REF zu erhalten. Der PWM-Generator 41 ist dazu ausgebildet, ein PWM-Signal S3 abhängig von dem Ausgangssignal S_OUT und dem Referenzsignal S_REF auszugeben. Im Ausführungsbeispiel gemäß 15 umfasst der PWM-Generator 41 einen Controller 411, der dazu ausgebildet ist, ein Regelsignal S411 abhängig von einem Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal S_OUT und dem Referenzsignal S_REF auszugeben. Ein Komparator 412 erhält das Regelsignal S411 und ein Sägezahnsignal S413 von einem Sägezahngenerator 413. Ein Flip-Flop 414 wird jedes Mal gesetzt, wenn eine fallende Flanke eines Sägezahnsignals S413 auftritt und wird jedes Mal zurückgesetzt, wenn Sägezahnsignal das Regelsignal S411 erreicht. Das PWM-Signal S3 ist am Ausgang des Flip-Flops 411 verfügbar. Das PWM-Signal S32 wird von dem PWM-Generator 41 erzeugt und wird als Steuersignal S3₁ in der Wandlereinheit 3₁ verwendet. Des Weiteren werden zeitverzögerte Versionen dieses PWM-Signals S3 mit einem ersten und einem zweiten Verzögerungselement 42₁ , 42₂ erzeugt, wobei das erste Verzögerungselement 42₁ das erste Steuersignal S3₁ verzögert und das Steuersignal S3₂ für die Wandlereinheit 3₂ ausgibt und das zweite Verzögerungselement 42₂ das zweite Steuersignal S32₂ verzögert und das Steuersignal S3_n zu der niedrigsten Wandlereinheit 3_n ausgibt. Das Versorgungsschaltung S2 entspricht dem Steuersignal S3_n der niedrigsten Wandlereinheit 3_n in diesem Ausführungsbeispiel.
Eine Betriebsart der Steuerschaltung 4 ist in 16 dargestellt, in der Zeitverläufe des Sägezahnsignals S413, des Regelsignals S411 und der Steuersignal S3₁-S3_n dargestellt sind. Die Dauer eines Ansteuerzyklus einer Wandlereinheit ist definiert durch die Frequenz des Sägezahnsignals, wobei T_PWM=1/f_SW, wobei f_SW die Frequenz des Sägezahnsignals ist. Die Verzögerungszeit, die von jedem der Verzögerungselemente 421, 422 eingeführt wird, beträgt T_PWM/3 in einer Leistungswandlerschaltung mit n=3 Wandlereinheiten. Im Allgemeinen werden n-1 Verzögerungselemente benötigt, um Endsteuersignale für n verschiedene Wandlereinheiten zu erzeugen, wobei die Verzögerungszeit, die von jedem der Verzögerungselemente eingeführt wird, T_PWM/n beträgt. Die Tastverhältnisse der einzelnen Steuersignale sind identisch und hängen von einem Verhältnis zwischen dem Ausgangssignal S_OUT und dem Referenzsignal S_REF ab. Der Controller 411 stellt das Regelsignal S411 bereit. Der Controller kann ein herkömmlicher P-Controller, I-Controller, Pl-Controller oder PID-Controller sein.
Optional ist das Tastverhältnis der Steuersignale S3₁-S3_n auf ein vordefiniertes Maximum S_MAX beschränkt. Eine Tastverhältnisbegrenzungsschaltung 43 umfasst eine Komparator 432, der dem Komparator 412 des PWM-Generators entspricht, und ein Flip-Flop 434, das dem Flip-Flop 414 des PWM-Generators 41 entspricht. Der Komparator 432 der Begrenzungsschaltung 43 erhält ein maximales Tastverhältnissignal DC_MAX anstatt eines Regelsignals. Ein PWM-Signal S3_MAX , das von der Begrenzungsschaltung 43 ausgegeben wird, repräsentiert ein PWM-Signal mit einem maximalen Tastverhältnis. Ein optionales Logikgatter 44 erhält das maximale PWM-Signal S3_MAX und das PWM-Signal S3, das von dem PWM-Generator 32 ausgegeben wird. Das erste Steuersignal S32₁ in diesem Ausführungsbeispiel ist entweder das PWM-Signal S3, das von dem PWM-Generator 41 ausgegeben wird oder das maximale PWM-Signal S43, welches auch immer das geringere Tastverhältnis ausweist. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Logikgatter 44 ein UND-Gatter.
In der Versorgungsschaltung gemäß 2 werden die einzelnen Versorgungseinheiten 2₁-2_n gleichzeitig im Lademodus betrieben. 17 veranschaulicht ein Ausführungsbeispiel einer Versorgungsschaltung 2, bei der die einzelnen Versorgungseinheiten 2₁-2_n im Lademodus unabhängig voneinander betrieben werden können. In diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Versorgungsschaltung 2 mehrere zweite kapazitive Speicherelemente (Kondensatoren) 25₁-25_n , die in Reihe zwischen die Eingangsknoten 11, 12 geschaltet sind. Jeder dieser zweiten Kondensatoren 25₁-25_n ist parallel mit einer der Versorgungseinheiten 2₁-2_n geschaltet, wobei die einzelnen Versorgungseinheiten 2₁-2_n in Reihe zwischen die Eingangsknoten 11, 12 geschaltet sind. Die beim Ausführungsbeispiel gemäß 2 umfasst jede der Versorgungseinheit 2₁-2_n einen Kondensator 22₁-22_n und einen ersten Schalter 21₁-21_n , der in Reihe mit dem Kondensator 22₁-22_n geschaltet ist. Des Weiteren umfasst jede Versorgungseinheit 2₁-2_n eine Spule 23₁-23_n , die in Reihe mit dem Kondensator 22₁-22_n und dem ersten Schalter 21₁-21_n geschaltet ist. Des Weiteren umfasst jede Versorgungseinheit 21₁-21_n abgesehen von der niedrigsten Versorgungseinheit 2_n einen weiteren Schalter 24₁-24_n , der in Reihe mit dem Kondensator 22₁-22_n , dem ersten Schalter 21₁-21_n und der Spule 23₁-23_n geschaltet ist. Die Reihenschaltung mit dem Kondensator, dem ersten Schalter, der Spule und dem weiteren Schalter einer der Versorgungseinheiten 2₁-2_n ist parallel mit dem zweiten Kondensator 25₁-25_n geschaltet, der mit der entsprechenden Versorgungseinheit 2₁-2_n gekoppelt ist.
Der weitere Schalter 24_n der niedrigsten Versorgungseinheit 2_n ist optional. In jeder der Versorgungseinheiten 2₁-2_n , die einen ersten Schalter 21₁-21_n und einen weiteren Schalter 24₁-24_n umfasst, ist der Kondensator 22₁-22_n zwischen diese Schalter geschaltet. Die Versorgungsspannung V₁-V_n , die von den einzelnen Versorgungseinheiten 2₁-2_n bereitgestellt wird, ist die Spannung über dem Kondensator 22₁-22_n der einzelnen Versorgungseinheiten 2₁-2_n .
In der Versorgungsschaltung 2 gemäß 17 stellt jeder dieser zweiten Kondensatoren 25₁-25_n eine Eingangsspannung Vin₁-Vin_n bereit, um eine Versorgungseinheit 2₁-2_n zu versorgen. Die Spannungspegel der einzelnen Eingangsspannungen Vin₁-Vin_n hängen von der gesamten Eingangsspannung Vin zwischen die Eingangsknoten 11, 12 ab und hängen von den Kapazitäten der einzelnen zweiten Kondensatoren 25₁-25_n ab. Gemäß einen Ausführungsbeispiel sind die Kapazitäten der einzelnen zweiten Kondensatoren 25₁-25_n im Wesentlichen gleich. In diesem Fall sind die einzelnen Eingangsspannungen Vin₁-Vin_n gleich und entsprechend Vin/n.
Die Spulen 23₁-23_n der einzelnen Versorgungseinheiten 2₁-2_n optional. Wie im Ausführungsbeispiel, das anhand von 4 erläutert wurde, helfen diese Spulen dabei, hohe Einschaltströme in dem ersten Kondensatoren 22₁-22_n der einzelnen Versorgungseinheiten 2₁-2_n zu vermeiden. Es ist auch möglich einige Versorgungseinheiten 2₁-2_n mit einer Spule zu implementieren und andere der Versorgungseinheiten 2₁-2_n ohne eine Spule zu implementieren.
Der Betrieb der einzelnen Versorgungseinheiten 2₁-2_n ist identisch. Eine Betriebsart einer Versorgungseinheit 2 (wobei das Bezugszeichen 2 eine der Versorgungseinheiten 2₁-2_n bezeichnet) ist nachfolgend erläutert. Die Versorgungseinheit 2 wird im Lademodus betrieben, wenn der erste Schalter 21 und der zweite Schalter 24 eingeschaltet werden. In diesem Fall ist der erste Kondensator 22 parallel mit dem zweiten Kondensator 25 geschaltet, so dass der zweite Kondensator 22 auf die Versorgungsspannung, die von dem zweiten Kondensator 25 bereitgestellt wird, geladen wird (oder durch die Spulen 23₁-23_n auf eine Spannung, die höher ist als diese Versorgungsspannung). Am Ende des Lademodus werden der erste Schalter 21 und der weitere Schalter 24 ausgeschaltet. Nach der Ladephase kann der erste Kondensator 22 im Versorgungsmodus betrieben werden. Zu diesem Zweck ist der zweite Kondensator 22 mit dem zweiten Ausgangsknoten 18 über den zweiten Schalter 31 der Wandlereinheit 3 gekoppelt, die mit der Versorgungseinheit 2 gekoppelt ist.
Die weiteren Schalter 24₁-24_n der Versorgungseinheiten 2₁-2_n schützen die zweiten Kondensatoren 25₁-25_n davor, entladen zu werden, wenn die Versorgungseinheit 2₁-2_n im Versorgungsmodus betrieben wird. Die niedrigste Versorgungseinheit 2_n kann zur gleichen Zeit im Lademodus und Versorgungsmodus betrieben werden, wenn der zweite Eingangsknoten 12 und der zweite Ausgangsknoten 18 sich auf das gleiche Referenzpotenzial beziehen. In diesem Fall beziehen sich der zweite Eingangsknoten 12 und der zweite Ausgangsknoten 18 auf unterschiedliche Referenzpotenziale, die niedrigste Versorgungseinheit 2₁ umfasst den weiteren Schalter 24_n und die Wandlereinheit 3_n , die mit der niedrigsten Versorgungseinheit 2_n gekoppelt ist, umfasst den zweiten Schalter 31n.
Eine Betriebsart einer Leistungswandlerschaltung, die eine Versorgungschaltung 2 gemäß 17 umfasst, wird anhand von 18 nachfolgend erläutert. Zu erläuterungszwecken wird angenommen, dass die Versorgungsschaltung 2 n=6 Versorgungseinheiten umfasst, wobei jede dieser Versorgungseinheiten eine von n=6 Wandlereinheiten bereitstellt. 18 zeigt Zeitverläufe von den Steuersignalen S32₁-S32_n , wobei jedes dieser Steuersignale den Steuerschalter an einem der Wandlereinheiten steuert. Des Weiteren sind Zeitverläufe von Versorgungsschaltungssteuersignalen S2₁-S2_n dargestellt. Jedes dieser Versorgungsschaltungssteuersignale S2₁-S2_n steuert den Betrieb einer der Versorgungseinheiten 2₁-2_n , wobei das Versorgungsschaltungssteuersignal S2₁ den Betrieb der Versorgungseinheiten 2₁-2_n steuert, wobei das Versorgungsschaltungssteuersignal S2₁ den Betrieb der Versorgungseinheit 2₁ steuert, die mit der Wandlereinheit 3₁ gekoppelt ist, die das Steuersignal S3₁ erhält, das Versorgungsschaltungssteuersignal S2₂ den Betrieb der Versorgungseinheit 2₂ steuert, die mit der Wandlereinheit 3₂ gekoppelt ist, die das Steuersignal S3₂ erhält, und so weiter.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 18 repräsentiert ein hoher Wert eines Versorgungsschaltungssteuersignals S2₁-S2_n einen Lademodus der entsprechenden Versorgungseinheit 2₁-2_n und ein hoher Wert eines Wandlersteuersignals S3₁-S3_n repräsentiert eine Zeitdauer, in der eine Wandlereinheit 3₁-3_n Energie von einer entsprechenden Versorgungseinheit 2₁-2_n erhält. D.h., ein hoher Wert eines Wandlersteuersignals S3₁-S3_n repräsentiert den Versorgungsmodus der entsprechenden Versorgungseinheit 2₁-2_n .
Im Ausführungsbeispiel gemäß 18 werden die einzelnen Wandlereinheiten in einer verschachtelten Art betrieben, wobei jede Versorgungseinheit wieder aufgeladen wird, nachdem der Steuerschalter der entsprechenden Ansteuereinheit ausgeschaltet wurde. D.h., ein Versorgungsschaltungssteuersignal S2₁-S2_n nimmt einen Signalpegel (einen hohen Wert im vorliegenden Ausführungsbeispiel) an, der die entsprechende Versorgungseinheit 2₁-2_n im Lademodus betreibt, nachdem das Steuersignal S32₁-S32_n der Wandlereinheit 3₁-3_n , die mit der Versorgungseinheit gekoppelt ist, einen Aus-Wert annimmt. Die Länge des Ladezyklus kann eine maximale Dauer erreichen, wenn der Steuerschalter 32_i der entsprechenden Wandlereinheit 3_i in einem ausgeschalteten Zustand ist.
19 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Versorgungsschaltung. Diese Versorgungsschaltung ist eine Kombination der Versorgungsschaltungen, die anhand von 2 und 17 erläutert wurden. In dem Ausführungsbeispiel gemäß 19, sind m zwei von den Kondensatoren 25₁ , 25_m zwischen die Eingangsknoten 11, 12 geschaltet, wobei jeder dieser zweiten Kondensatoren 25₁ , 25_m parallel mit einer Reihenschaltung, die einige der mehreren Versorgungseinheiten 2₁-2_n umfasst, geschaltet ist. Im Ausführungsbeispiel gemäß 19 sind zwei zweite Kondensatoren 25₁-25_m zwischen die Eingangsknoten 11, 12 geschaltet und eine Reihenschaltung mit drei Versorgungseinheiten ist parallel mit jedem zweiten Kondensator 25₁ , 25_m geschaltet. Jede der Versorgungseinheiten umfasst einen ersten Kondensator 25₁-25_n und einen ersten Schalter 21₁ , 21_n . Optional ist eine Spule 23₁ , 23_n in Reihe mit jeder dieser Versorgungseinheitsreihenschaltungen geschaltet. Jeder der Versorgungseinheitsreihenschaltungen ist parallel mit einem zweiten Kondensator 25₁ , 25_m geschaltet, der eine niedrigste Versorgungseinheit aufweist, welche der Versorgungseinheit 2₃ in der Reihenschaltung, die parallel mit dem zweiten Kondensator 25₁ geschaltet ist, entspricht, welche der Versorgungseinheit 2_n in der Reihenschaltung, die parallel mit dem zweiten Kondensator 25_m geschaltet ist, entspricht. Die Versorgungseinheit 2_n ist die niedrigste Versorgungseinheit der gesamten Reihenschaltung. Ein weiterer Schalter 24₁, 24_m ist zwischen die niedrigste Versorgungseinheit 2₃ , 2_n von jeder Reihenschaltung geschaltet, die mit einem zweiten Kondensator 25₁-25_m parallel geschaltet ist, wobei der weitere Schalter 24_m , der mit der niedrigsten Versorgungseinheit 2_n der gesamten Versorgungseinheitsreihenschaltung 2₁-2_n verbunden ist, optional ist.
In der Versorgungsschaltung 2 gemäß 19 werden die Versorgungseinheiten, die mit einem zweiten Kondensator 25₁ , 25_m gekoppelt sind, gleichzeitig im Lademodus betrieben und können unabhängig im Versorgungsmodus betrieben werden. 20 veranschaulicht Zeitverläufe, die eine Betriebsart der Leistungswandlerschaltung 18 gemäß 19 veranschaulichen. In 20 bezeichnet S2₁ das Versorgungsschaltungssteuersignal, das den Lademodus der Versorgungseinheiten 2₁-2₃ der ersten Reihenschaltung steuert, S2_m bezeichnet das Versorgungsschaltungssteuersignal, das den Lademodus der Versorgungseinheiten 2₃-2_n der ersten Reihenschaltung steuert und S2_m bezeichnet das Versorgungsschaltungssteuersignal, das den Lademodus der Versorgungseinheiten 2₃-2_n der zweiten Reihenschaltung steuert. S3₁-S3_n bezeichnet das Wandlersteuersignal der einzelnen Wandlereinheiten, die mit den Versorgungseinheiten verbunden sind. Gemäß 20 werden die einzelnen Wandlereinheiten verschachtelt betrieben. Ein Tastzyklus beträgt im Wesentlichen D=0,5 im vorliegenden Ausführungsbeispiel. Die Versorgungseinheiten 2₁-2_n der ersten Reihenschaltung werden wieder aufgeladen, nach dem eine Aktivierungssequenz aktiviert wurde, in der jeder der Wandlereinheiten 3₁-3_n , die mit den Versorgungseinheiten 2₁-2_n der ersten Reihenschaltung gekoppelt sind, und die Versorgungseinheiten 2₄-2_n der zweiten Reihenschaltung werden wieder aufgeladen, nachdem eine Aktivierungssequenz aktiviert wurde, bei dem jede der Wandlereinheiten 3₄-3_n , die mit den Versorgungseinheiten 2₄-2_n der zweiten Reihenschaltung verbunden ist.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel umfasst die Leistungswandlerschaltung 1 m=2 zweite Kondensatoren 25₁-25_n und Reihenschaltungen mit drei Versorgungseinheiten, die parallel mit jedem zweiten Kondensator 25₁-25_m geschaltet sind, woraus eine Gesamtzahl von 6 (=m x 3) Versorgungseinheiten resultiert. Jedoch ist das nur ein Beispiel. Die Zahl der zweiten Kondensatoren 25₁-25_m ist nicht auf m=2 beschränkt. Mehr als m=2 zweite Kondensatoren 25₁-25_m können ebenfalls genutzt werden und eine Reihenschaltung mit zwei oder mehr Versorgungseinheiten kann parallel mit jedem zweiten Kondensator 25₁-25_m geschaltet sein.
In den zuvor erläuterten Ausführungsbeispielen wird jede der Versorgungseinheiten 3_i mindestens einmal im Versorgungsmodus zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ladenzyklen betrieben. Dies ist jedoch nur ein Beispiel. Es ist ebenfalls möglich, wenn beispielsweise eine Leistungsaufnahme einer Last Z sehr niedrig ist (Leichtlastbetrieb), eine oder mehrere Wandlereinheiten zwischen zwei Ladezyklen zu deaktivieren. „Deaktivieren“ bedeutet, dass die entsprechende Wandlereinheit 3_i nicht im Versorgungsmodus in der Zeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Ladezyklen betrieben wird, obwohl der entsprechende Kondensator 22_i geladen wurde. Die wenigstens eine deaktivierte Wandlereinheit 3_i kann sich zyklisch von Ladezyklus zu Ladezyklus ändern.
Die zuvor erläuterte Leistungswandlerschaltung kann mit elektronischen Schaltern ausgebildet sein, die verschiedene Spannungsfestigkeiten aufweisen. Der zweite Schalter 31₁ der Wandlereinheit 3₁ , die mit der obersten Versorgungseinheit 2₁ verbunden ist, benötigt die höchste Spannungsfestigkeit, welche V₂+V_n im Ausführungsbeispiel gemäß 1 ist. Im Allgemeinen beträgt die Spannungsfestigkeit V31_MAXi eines zweiten Schalters 31_i mindestens: $V 31_{M A X i} = \sum_{k = i + 1}^{n} V_{k}$
Im Versorgungsmodus ist die maximale Spannung über dem Steuerschalter 32_i einer Wandlereinheit im Wesentlichen die Differenz zwischen der Eingangsspannung V_i der Wandlereinheit 3_i und der Ausgangsspannung Vout. Im Lademodus ist die maximale Spannung über den Steuerschaltern 32_i jedoch höher und abhängig von der Wandlereinheit 3_i , in der der Steuerschalter 32_i implementiert ist. Beispielsweise ist die maximale Spannung V32_MAX1 über dem Steuerschalter 32₁ der ersten Wandlereinheit 3_i (V₁+V₂+V_n)-Vout=Vin-Vout. Allgemein ist die maximale (statische) Spannung V32_MAXi über einem Steuerschalter 32_i im Wesentlichen $V 32_{M A X i} = \sum_{k = i}^{n} V_{k} - V o u t$
Die maximalen Spannungen über den Freilaufelementen 34_i entsprechen der Ausgangsspannung Vout.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Versorgungseinheit 2, die einzelnen Wandlereinheiten 3₁-3_n und optional die Spulen 33_l in einem ersten Halbleiterchip integriert und die Steuerschaltung 4 ist in einem zweiten Halbleiterchip integriert. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Steuerschaltung 4 in einer CMOS Technologie integriert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die ersten Schalter 31₁-31_n der einzelnen Wandlereinheiten 3₁-3_n als Schalter (Transistor) mit einer niedrigeren Spannungsfestigkeit implementiert. 21 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines zweiten Schalters 32_i . Dieser zweite Schalter 32_i umfasst einen ersten Transistor 32_i1 und wenigstens einen zweiten Transistor 32_i2 , 32_i3 , nämlich zwei zweite Transistoren 32_i2 , 32_i3 in diesem Ausführungsbeispiel. Der erste Transistor 32_i1 und der wenigstens eine zweite Transistor 32_i2 , 32_i3 sind in Reihe geschaltet. Der erste Transistor 32_i1 erhält das Steuersignal S3_i und schaltet sich ein oder aus abhängig von dem Steuersignal S3_i . Die zweiten Transistoren 32i₂ , 32i₃ sind derart verbunden, dass jeder dieser Transistoren die Laststreckenspannung des ersten Transistors 32i₁ oder die Laststreckenspannung eines anderen zweiten Transistors als Ansteuerspannung erhält. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Laststreckenspannung eines der ersten und zweiten Transistoren die Drain-Source-Spannung V32_i1 , V32_i2 , V32_i3 des Transistors und die Ansteuerspannung ist die Gate-Source-Spannung (die Spannung zwischen den Gate- und Sourceanschlüssen). Im vorliegenden Ausführungsbeispiel erhält ein erster 32_i2 der zweiten Transistoren die Laststreckenspannung V32i₁ des ersten Transistors als Ansteuerspannung und ein zweiter 32i₃ der zweiten Transistoren erhält die Laststreckenspannung V32_i2 des zweiten Transistors 32_i2 als eine Ansteuerspannung.
Der Betriebszustand des ersten Transistors 32i₁ regelt den Betriebszustand des ersten Schalters 32_i1 . D.h., der erste Schalter 32i₁ wird eingeschaltet, wenn der erste Transistor 32i₁ eingeschaltet wird und der erste Schalter 32i₁ wird ausgeschaltet, wenn der erste Transistor 32i₁ausgeschaltet wird. Die zweiten Transistoren sind derart ausgebildet, dass der Transistor 32_i2 ausschaltet, wenn der erste Transistor 32i₁ ausschaltet und eine Laststreckenspannung des ersten Transistors 32_i1 zunimmt. Wenn der Transistor 32_i2 ausschaltet, nimmt die Laststreckenspannung dieses Transistors zu, so dass Transistor 32i₃ ausgeschaltet wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist der erste Transistor 32i₁ als Anreicherungs-MOSFET (selbstsperrend) ausgebildet und die zweiten Transistoren 32i₂ , 32i₃ sind als Verarmungs-MOSFETs (selbstleitend) oder als Junction-FETs (JFETs) ausgebildet.
Die gesamte Spannungsfestigkeit des zweiten Schalters 32_i , der in 21A dargestellt ist, hängt von den Spannungsfestigkeiten der einzelnen Transistoren 32_i1-32_i3 ab, die in Reihe geschaltet sind und hängt von der Zahl der zweiten Transistoren 32_i2-32_i3 ab, die in Reihe mit dem ersten Transistor 32_i1 geschaltet sind, wobei die Spannungsfestigkeit mit der Zahl der Transistoren 32_i2-32_i3 , die in Reihe geschaltet sind, zunimmt. Daher können durch simples variieren der Zahl der zweiten Transistoren 32_i1-32_i3 , die in Reihe mit dem ersten Transistor 32i₁ geschaltet sind, erste Schalter 32_i mit verschiedenen Spannungsfestigkeiten realisiert werden.
22 zeigt das Ersatzschaltbild der Leistungswandlerschaltung, die in 4 dargestellt ist, wenn sie mit Leistungswandlerneinheiten ausgebildet ist, die eine Tiefsetzstellertopologie wie in 6 und 8 dargestellt aufweisen, wobei der zweite Schalter 31_n der niedrigsten Leistungswandlereinheit 3_n weggelassen wird. In der Leistungswandlerschaltung, die in 22 dargestellt ist, sind die ersten Schalter 21₁-21_n der Versorgungseinheiten (2₁-2_n in 4), die zweiten Schalter 31₁-31_n der Leistungswandlereinheiten (3₁-3_n in 4), die Steuerschalter 32₁-32_n der Leistungswandlereinheiten und die Gleichrichtelemente 34₁-34_n(34_i in 6 und 8) als MOSFETs dargestellt, in 22 insbesondere als n-leitende MOSFETs mit einer Bodydiode. Jedoch könnten diese MOSFETs auch als andere Transistor-Typen ausgebildet sein. Insbesondere könnten die Transistoren, die in 22 dargestellt sind, wie in 21 implementiert sein und einen Anreicherungs-MOSFET und wenigstens einen JFET oder Verarmungs-MOSFET umfassen, der in Reihe mit dem Anreicherungs-MOSFET geschaltet ist.
23 veranschaulicht schematisch eine Draufsicht eines Halbleiterkörpers 100, bei der die Schalter der Leistungswandlerschaltung integriert sind, die in 22 dargestellt ist. Gemäß 23 umfasst der Halbleiterkörper mehrere elektrisch leitende Leitungen 211-252 (als dicke Linien in 23 dargestellt). Jede dieser elektrisch leitenden Leitungen bildet einen der Schaltungsknoten der Leistungswandlerschaltung, an den wenigstens einer der Schalter angeschlossen ist.
Die elektrisch leitenden Leitungen bilden mehrere Halbleitergebiete. Zumindest einer der Schalter ist in das Halbleitergebiet integriert. In 23 sind die einzelnen Leitungen mit den Bezugszeichen 211-252 bezeichnet und die halbleitergebiete sind mit den Bezugszeichen 111-152 gekennzeichnet. Die Bezugszeichen des Schaltungsknotens, die von den einzelnen leitenden Leitungen repräsentiert werden, sind in Klammern in 23 dargestellt. Gleichermaßen sind die Bezugszeichen der Schalter, die in die einzelnen Halbleitergebiete integriert sind, in Klammern in 23 dargestellt. Beispielsweise wird das Halbleitergebiet 112 durch die leitenden Leitungen 212 und 213 gebildet. Gemäß 22 in Verbindung mit 4 bildet die leitende Leitung 212 einen ersten Ausgangsknoten 13₁ der ersten Versorgungseinheit 2₁ und die leitende Leitung 213 bildet den Versorgungsknoten, mit dem die Spule 33₁ der ersten Leistungswandlereinheit 3₁ verbunden ist. Der zweite Schalter 32₁ der ersten Leistungswandlereinheit 3₁ ist in das Halbleitergebiet 112 integriert.
Die elektrisch leitenden Leitungen 211-252 können ein herkömmliches elektrisch leitendes Material umfassen, wie beispielsweise ein Metall oder ein hochdotiertes polykristallines Halbleitermaterial. Geeignete Metalle sind beispielsweise Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Gold (Au), Silber (Ag), Platin (Pt) und Titan (Ti). Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind eine oder mehrere der Leitungen 211-252 zusammengesetzte Leitungen, die zwei oder mehr verschiedene elektrisch leitende Materialien umfassen.
Die elektrisch leitenden Leitungen 211-252 können oberhalb einer Oberfläche des Halbleiterkörpers 100 angeordnet werden und/oder können in Gräben in der Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet werden. Zu Erläuterungszwecken zeigt 24 eine vertikale Querschnittsansicht eines der Gebiete des Halbleiterkörpers 100, in dem die Leitungen 212 und 213 und das Halbleitergebiet 112, das durch diese Leitungen 212 und 213 gebildet wird, angeordnet sind. Das Verhältnis von anderen Paaren von leitenden Leitungen und den Halbleitergebieten, die von diesen Paaren gebildet werden, ist gleich.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 24 sind die elektrisch leitenden Leitungen oberhalb der Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 angeordnet. Das Halbleitergebiet 112, das von diesen Leitungen 212, 213 gebildet wird, ist ein Halbleitergebiet im Halbleiterkörper 100 unter den Leitungen 212, 213 und erstreckt sich zwischen diesen Leitungen in einer lateralen Richtung des Halbleiterkörpers 100 (die laterale Richtung ist eine Richtung parallel zur Oberfläche 101). Dieses Gebiet 112 ist in gestrichelten Linien in 24 dargestellt. In diesem Halbleitergebiet 112 sind aktive Gebiete eines Transistors integriert. Dieser Transistor ist der Steuerschalter 32₁ der ersten Leistungswandlereinheit 3₁ im vorliegenden Ausführungsbeispiel. Dieser Transistor 32₁ wird durch das Schaltbild in 24 repräsentiert. Dieser Transistor 32₁ kann wie ein herkömmlicher Transistor ausgebildet sein, insbesondere wie ein herkömmlicher lateraler Transistor, so dass keine weiteren Erläuterungen diesbezüglich notwendig sind. „Aktive Gebiete“ des Transistors sind dotierte Halbleitergebiete sowie eines oder mehrere eines Sourcegebiets, eines Bodygebiets, eines Driftgebiets und eines Draingebiets. Die Laststrecke (Drain-Source-Strecke im vorliegenden Ausführungsbeispiel) des Transistors 32₁ ist zwischen die elektrisch leitenden Leitungen 212, 213 geschaltet. Gemäß 21 kann anstatt nur eines Transistors eine Reihenschaltung mit wenigstens zwei Transistoren, wie beispielsweise ein Anreicherungs-MOSFET und wenigstens ein Verarmungs-MOSFET oder JFET, zwischen die leitenden Leitungen 212, 213 geschaltet sein.
Gemäß 23 bilden einige der leitenden Leitungen 211-252 geschlossene Schleifen (sind ringförmig), so dass wenigstens ein ringförmiges Halbleitergebiet ein anderes ringförmiges Halbleitergebiet umschließt. Im Ausführungsbeispiel gemäß 23 umfasst eine leitende Leitung 211, die die zweiten Eingangs- und die zweiten Ausgangsanschlüsse 12, 18 repräsentiert, fünf geschlossene Schleifen. Zwei benachbarte Schleifen grenzen aneinander an in diesem Ausführungsbeispiel. Jedoch könnten sie auch voneinander beabstandet sein. Jede dieser Schleifen 110-150 umschließt ein Halbleitergebiet 110-150, wobei jedes dieser Halbleitergebiete in wenigstens zwei Halbleitergebiete unterteilt ist, wobei jedes wenigstens einen der Schalter umfasst.
Beispielsweise umfasst ein erstes Halbleitergebiet 110 ein erstes ringförmiges Halbleitergebiet 111, das ein erstes Gleichrichtelement 34₁ der ersten Leistungswandlereinheit umfasst, das durch eine erste Schleife der ersten Leitung 211 und einer zweiten ringförmigen Leitung 211 (oben erläutert) gebildet wird. Das erste Halbleitergebiet 110 umfasst des Weiteren ein zweites ringförmiges Halbleitergebiet 112, das den Steuerschalter 32₁ der ersten Leistungswandlereinheit umfasst und das durch die zweite Leitung 212 und eine dritte Leitung 213 gebildet wird. Das zweite ringförmige Gebiet 112 umschließt ein drittes Gebiet 113, das durch die dritte Linie 213 und eine Kontaktfläche 214 gebildet wird. Diese Kontaktfläche 214 ist eine langestreckte Fläche im vorliegenden Ausführungsbeispiel, könnte aber jede andere Geometrie aufweisen. Die Kontaktfläche 214 ist mit einem Schaltungsknoten 11' zwischen der Spule 32 (das Freilaufelement ist in 22 nicht dargestellt) und dem ersten Schalter 21₁ verbunden. Die erste Leitung, die die Halbleitergebiete 110-150 bildet, kann auch als äußerste leitende Leitung der einzelnen Ringstrukturen bezeichnet werden.
In jedem der Gebiete 111-113 ist wenigstens einer der Schalter integriert und zwischen die zwei Leitungen geschaltet, die das entsprechende Halbleitergebiet bilden.
Gemäß 23 umfasst ein zweites Halbleitergebiet 120 ein viertes ringförmiges Halbleitergebiet 121, das einen ersten Schalter 31₁ eines ersten Leistungswandlers umfasst und das durch eine zweite Schleife der ersten Leitung 211 und einer weiteren ringförmigen Leitung 222 gebildet wird, das den zweiten Ausgang 14₁ der ersten Versorgungseinheit repräsentiert. Das vierte Gebiet 121 umfasst einen ersten Schalter 31₁ der ersten Leistungswandlereinheit. Das weitere ringförmige Gebiet 121 umschließt ein fünftes Gebiet 113, das durch eine weitere Leitung 222 und eine weitere Kontaktfläche 223 gebildet wird und das den zweiten Schalter 21₂ der zweiten Leistungswandlereinheit umfasst. Während das erste Halbleitergebiet 110 drei Schalter 21₁ , 32₁ . 34₁ umfasst, umfasst das zweite Gebiet nur zwei Schalter 21₂ , 31₁ . Gleichermaßen sind zwei Schalter in ein drittes, viertes und fünftes Halbleitergebiet 130, 140, 150 integriert, die durch eine dritte, vierte und fünfte Schleife der ersten Leitung 211 gebildet werden.
Gemäß 23 ist eine der Kontaktflächen, nämlich die Kontaktfläche 214 im ersten Halbleitergebiet 110 mit dem ersten Eingangsanschluss 11 oder einem Schaltungsknoten 11', der mit dem Eingangsanschluss 11 über eine Spule 23 gekoppelt ist, verbunden. Die anderen Kontaktflächen 223, 233, 243, 253 in den anderen Halbleitergebieten 120 - 150 sind mit den Ausgängen der Versorgungsschaltung 2 verbunden. Die erste Leitung 211, die all diese Halbleitergebiete umschließt, ist mit einem der Eingangsanschlüsse und/oder einem der Ausgangsanschlüsse verbunden.
Im Ausführungsbeispiel gemäß 23 umfasst der Halbleiterkörper 100 fünf Ringstrukturen, wobei jede Ringstruktur wenigstens ein ringförmiges Halbleitergebiet umfasst, das ein anderes ringförmiges Halbleitergebiet umschließt. Die Zahl der Ringstrukturen ist jedoch nicht auf fünf beschränkt. Abhängig von der Zahl der Versorgungseinheiten und der Wandlereinheiten können mehr oder weniger als fünf Ringstrukturen implementiert werden.
Das Konzept, das zuvor anhand von 23 und 24 erläutert wurde, beschränkt sich nicht auf das Implementieren von elektronischen Schaltern, die als Transistoren ausgebildet sind. Andere Halbleiterbauelementtypen können ebenfalls in die ringförmigen Halbleitergebiete integriert werden und mit den leitenden Leitungen, die die einzelnen Halbleitergebiete bilden, ebenfalls verbunden werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist wenigstens eine der Spulen 33₁ - 33_n in den Halbleiterkörper integriert. D.h., wenigstens eine Spule wird durch eine Drahtspule entweder im Halbleiterkörper 100 oder auf der Oberfläche 101 des Halbleiterkörpers 100 gebildet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel umfasst ein Halbleiterkörper 100 mehrere ringförmige Gebiete 110 - 150, d.h. mehr als eine Anordnung von physisch verbundenen ringförmigen Gebieten 110 - 150. Dieses Ausführungsbeispiel ist vorteilhaft, um die Ausgangsleistung der Schaltung zu skalieren.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel sind einige Halbleiterkörper 100, von denen jeder wenigstens eine Anordnung von ringförmigen Gebieten 110 - 150 umfasst in demselben Gehäuse (engl.: package) angeordnet. Jede Anordnung von ringförmigen Gebieten teilt sich die gleiche Eingangs- und Ausgangsspannung.
Gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel, gibt es einige Gehäuse, wobei jedes wenigstens einen Halbleiterkörper umfasst, wobei jeder Halbleiterkörper wenigstens ein ringförmiges Gebiet umfasst. Jede Anordnung von ringförmigen Gebieten teilt sich die gleiche Eingangs- und Ausgansspannung.
Es sei erwähnt, dass Merkmale, die anhand einer speziellen Figur erläutert werden, mit Merkmalen von anderen Figuren kombiniert werden können, sogar in den Fällen, in denen es nicht explizit erwähnt wird. Des Weiteren können die Verfahren der Erfindung in entweder allen Softwareimplementierungen erreicht werden, indem angemessene Prozessorinstruktionen genutzt werden, oder in Hybridimplementierungen, die eine Kombination aus Hardwarelogik und Softwarelogik verwenden, um die gleichen Resultate zu erzielen.

Claims

Leistungswandlerschaltung, die aufweist: mehrere Wandlereinheiten (3₁, 3₂, 3_n), die dazu ausgebildet sind, jeweils eines von mehreren Versorgungspotentialen (V₁, V₂, V_n) zu erhalten und ein Ausgangssignal (Vout) an einem Ausgang (17, 18) zu erzeugen, und die jeweils ein als Schalter ausgebildetes erstes Halbleiterbauelement (32₁, 32₂, 32_n) aufweisen; eine Versorgungsschaltung (2), die dazu ausgebildet ist, ein Eingangssignal (Vin) von einem Eingang (11, 12) zu erhalten und die mehreren Versorgungspotentiale (V₁, V₂, V_n) aus dem Eingangssignal (Vin) zu erzeugen, und die mehrere jeweils als Schalter ausgebildete zweite Halbleiterbauelemente (21₁, 21₂, 21n) aufweist; einen Halbleiterkörper (100) der wenigstens eine Ringstruktur aufweist, die ein ringförmiges erstes Halbleitergebiet (112), das zwischen einer ersten ringförmigen elektrisch leitenden Leitung (212) und einer zweiten ringförmigen elektrisch leitenden Leitung (213) angeordnet ist, und ein zweites Halbleitergebiet (113), das von dem ersten Halbleitergebiet (112) umgeben ist, aufweist; wobei das erste Halbleiterbauelement (32₁) einer ersten (3₁) der mehreren Wandlereinheiten (3₁, 3₂, 3_n) in dem ringförmigen ersten Halbleitergebiet (112) integriert ist und zwischen die erste ringförmige elektrisch leitende Leitung (212) und die zweite ringförmige elektrisch leitende Leitung (213) geschaltet ist; und wobei eines (21₁) der mehreren zweiten Halbleiterbauelemente (21₁, 21₂, 21_n) der Versorgungseinheit (2) in dem zweiten Halbleitergebiet (113) integriert ist und zwischen die zweite ringförmige elektrisch leitende Leitung (213) und eine Kontaktfläche (214) in dem zweiten Halbleitergebiet (113) geschaltet ist.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 1, bei der jede der mehreren Wandlereinheiten (3₁, 3₂, 3_n) ein als Schalter ausgebildetes drittes Halbleiterbauelement (34₁, 34₂, 34_n) aufweist und bei der die wenigstens eine Ringstruktur ein ringförmiges drittes Halbleitergebiet (111) aufweist, das das erste ringförmige Halbleitergebiet (112) umgibt, und wobei das drittes Halbleiterbauelement (34₁) der ersten Wandlereinheit (3₁) in dem dritten Halbleitergebiet (111) integriert ist und zwischen die erste ringförmige elektrisch leitende Leitung (212) und eine dritte ringförmige elektrisch leitende Leitung (211), die das dritte ringförmige Halbleitergebiet (111) umgibt, geschaltet ist.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der wenigstens eines der in dem ersten ringförmigen Halbleitergebiet (112) und der in dem zweiten ringförmigen Halbleitergebiet (113) integrierten ersten und zweiten Halbleiterbauelemente (32₁, 21₁) ein Transistor ist.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 1 oder 2, bei der wenigstens eines der in dem ersten ringförmigen Halbleitergebiet (112) und der in dem zweiten ringförmigen Halbleitergebiet (113) integrierten ersten und zweiten Halbleiterbauelemente (32₁, 21₁) eine Reihenschaltung mit wenigstens zwei Transistoren aufweist.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 4, bei der einer der wenigstens zwei Transistoren ein Anreicherungs-MOSFET ist, und bei der ein anderer der Transistoren ein JFET oder ein Verarmungs-MOSFET ist.
Leistungswandlerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, die weiterhin eine in dem Halbleiterkörper (100) integrierte Spule aufweist.
Leistungswandlerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Leistungswandlerschaltung Eingangsknoten (11', 12) und Ausgangsknoten (17, 18) aufweist und bei der einer von einem Eingangsknoten und einem Ausgangsknoten an die Kontaktfläche (214) der wenigstens einen Ringstruktur angeschlossen ist.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 7, bei der der Halbleiterkörper (100) mehrere Ringstrukturen aufweist und bei der wenigstens eine der Kontaktflächen der mehreren Ringstrukturen an einen der Ausgangsknoten der Versorgungsschaltung (2) angeschlossen ist.
Leistungswandlerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der der Halbleiterkörper mehrere Ringstrukturen aufweist, die jeweils eine äußerste ringförmige leitende Leitung (211) aufweisen, wobei einer von einem Ausgangsknoten und einem Eingangsknoten der Leistungswandlerschaltung an die äußerste ringförmige leitende Leitung (211) angeschlossen ist.
Leistungswandlerschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Versorgungsschaltung (2) mehrere Versorgungseinheiten (2₁, 2₂, 2_n) aufweist, die in Reihe geschaltet sind, wobei jede Versorgungseinheit (2₁, 2₂, 2_n) dazu ausgebildet ist, eines der Versorgungssignale (V₁, V₂, V_n) auszugeben.
Leistungswandlerschaltung nach Anspruch 10, bei der jede der mehreren Versorgungseinheiten (2₁, 2₂, 2_n) außerdem aufweist: ein erstes kapazitives Speicherelement (22₁, 22₂, 22_n), das in Reihe zu dem zweiten Halbleiterbauelement (21₁, 21_2, 21_n) geschaltet ist.