DE102015114460A1

DE102015114460A1 - Versorgungslast mit Einschaltstromverhalten

Info

Publication number: DE102015114460A1
Application number: DE102015114460.3A
Authority: DE
Inventors: Veli Kartal; Stephan Donath
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2015-08-31
Filing date: 2015-08-31
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-09-01
Also published as: US10283957B2; DE102015114460B4; CN106486989B; CN106486989A; US20170063077A1

Abstract

Es werden Vorrichtungen und Verfahren bereitgestellt, die das Versorgen einer Last mit einem Einschaltstromverhalten betreffen, z. B. das Laden einer Kapazität z. B. beim Einschalten eines Schaltkreises. Es werden ein erster Lastpfad und ein zweiter Lastpfad bereitgestellt, die abwechselnd verwendet werden.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Patentanmeldung betrifft Verfahren und Vorrichtungen für Versorgungslasten mit einem Einschaltstromverhalten, zum Beispiel für ladende Kondensatoren, zum Beispiel Kondensatoren, die in Lasten umfasst sind, die von einer Leistungsversorgung versorgt werden sollen.
HINTERGRUND
Wenn einem System, welches einen oder mehrere Kondensatoren umfasst, Leistung zugeschaltet wird, weisen diese Kondensatoren, bis sie aufgeladen sind, einen vergleichsweise niedrigen Ohm'schen Widerstand auf, was zu hohen Strömen führt, die auch als Einschaltströme bezeichnet werden. Solche Kondensatoren können diskrete Kondensatoren, Kondensatoren in einem integrierten Schaltkreis oder parasitäre Kapazitäten umfassen. Ein ähnlicher Effekt kann zum Beispiel auftreten, wenn eine Glühbirne eingeschaltet wird. Während ein Glühdraht der Glühbirne immer noch kalt ist, hat er einen sehr geringen Widerstand, was zu einem hohen Einschaltstrom führt. Nur wenn der Glühdraht ausreichend von einem Versorgungsstrom erhitzt wird, steigt der Widerstand. Verschiedene Ansätze wurden verwendet, um dieses Problem zu behandeln und den Einschaltstrom zu bewältigen, zum Beispiel um eine Überhitzung und eine mögliche Beschädigung von verwendeten Bauteilen und Vorrichtungen zu verhindern. Herkömmliche Ansätze haben jedoch verschiedene Nachteile. Zum Beispiel wird in manchen Ansätzen eine Strombegrenzung verwendet, in welcher ein einzelner MOSFET (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor), der als Leistungsschalter verwendet wird, in einem Sättigungsbereich betrieben wird. Ein solcher Ansatz kann bei neueren MOSFET-Technologien aufgrund verschiedener Eigenschaften der MOSFETs schwierig sein. In anderen Ansätzen wird ein Widerstand verwendet, um den Strom zu begrenzen. In solch einem Ansatz wird üblicherweise ein weiterer Schalter benötigt, um den Widerstand im Normalbetrieb zu umgehen. In manchen Implementierungen können eine Fläche, die für einen solchen Widerstand benötigt wird, und die damit verbundenen Kosten vergleichsweise hoch sein.
Verschiedene Ansätze, welche die Beschränkung eines solchen Einschaltstroms betreffen, werden in US 6,225,797 B1 ; US 7,787,271 B2 ; EP 0 569 883 A2 ; EP 2 398 146 A2 oder WO 00/21176 A1 beschrieben.
Es ist daher ein Ziel, verbesserte Möglichkeiten für Versorgungslasten mit einem oben beschriebenen Einschaltstromverhalten bereitzustellen, zum Beispiel für das Laden eines Kondensators oder die Versorgung einer Glühbirne.
ZUSAMMENFASSUNG
Es wird eine wie in Anspruch 1 oder 11 definierte Vorrichtung bereitgestellt. Ferner wird ein wie in Patentanspruch 14 beschriebenes Verfahren bereitgestellt. Die abhängigen Patentansprüche definieren weitere Ausführungsformen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Blockdiagramm, das eine Ausführungsform darstellt.
2 ist ein schematisches Schaltdiagramm, das eine Ausführungsform darstellt.
3 ist ein Diagramm, welches schematisch verschiedene, beispielhafte Signale für die Ausführungsform aus 2 zeigt.
4 zeigt einen Simulationsschaltkreis eines Vergleichsbeispiels.
5 zeigt Simulationsergebnisse für ein Vergleichsbeispiel.
6 zeigt einen Simulationsschaltkreis zum Simulieren einer Ausführungsform.
7 zeigt Simulationsergebnisse für den Schaltkreis aus 6.
8 stellt ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß einer Ausführungsform dar.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben. Diese Ausführungsformen sollen lediglich als Beispiele betrachtet werden und sollen nicht als beschränkend aufgefasst werden. Während Ausführungsformen zum Beispiel als eine Vielzahl von Merkmalen oder Elementen umfassend beschrieben werden können, soll dies nicht so aufgefasst werden, dass angezeigt wird, dass all diese Merkmale für eine Implementierung erforderlich sind. Stattdessen können in anderen Ausführungsformen manche dieser Merkmale oder Elemente weggelassen werden und/oder können durch alternative Merkmale oder Elemente ersetzt werden. Ebenso können zusätzliche Merkmale oder Elemente neben den explizit beschriebenen und gezeigten bereitgestellt sein, zum Beispiel herkömmliche Merkmale oder Elemente von Halbleitervorrichtungen, da sich die folgende Beschreibung auf die zum Verstehen verschiedener Implementierungen erforderlichen Merkmale oder Elemente konzentriert.
Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsformen können kombiniert werden, um weitere Ausführungsformen zu bilden. Variationen oder Modifikationen, die in Bezug auf eine der Ausführungsformen beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsformen anwendbar sein.
Jegliche direkte Verbindung oder Kopplung zwischen Elementen oder Bauteilen, die in den Zeichnungen gezeigt oder hier beschrieben sind, d. h. eine Verbindung oder Kopplung ohne zusätzliche, eingreifende Elemente, können auch durch eine indirekte Verbindung oder Kopplung ersetzt werden, d. h. eine Verbindung oder Kopplung mit einem oder mehreren eingreifenden Elementen, oder umgekehrt, solange die allgemeine Funktion der Verbindung oder Kopplung, zum Beispiel das Senden einer bestimmten Art von Signal oder Informationen oder das Bewirken einer bestimmten Reaktion, im Wesentlichen aufrechterhalten wird. Solange nicht anders angegeben, können Verbindungen kabelbasierte Verbindungen oder kabellose Verbindungen sein, obwohl in vielen Implementierungen Strom oder Ladungsträger über kabelbasierte Verbindungen übertragen werden können.
In einigen Ausführungsform kann eine Last mit einem Einschaltstromverhalten über einen ersten Lastpfad, welcher einen ersten Schalter umfasst, und einen zweiten Lastpfad, welcher einen zweiten Schalter umfasst, versorgt werden. Der erste und der zweite Schalter können abwechselnd geöffnet und geschlossen werden, in manchen Ausführungsformen mit einer gewissen Überlappung. In manchen Ausführungsformen können der erste und der zweite Schalter MOSFET-Schalter sein, die in Sättigung betrieben werden, wenn sie geschlossen sind. Eine Frequenz eines Schaltens zwischen dem ersten Lastpfad und dem zweiten Lastpfad kann abhängig von der thermischen Stabilität des ersten und des zweiten Schalters gewählt werden, um eine thermische Überbelastung zu verhindern.
Ein Einschaltstromverhalten im Zusammenhang mit dieser Patentanmeldung kann ein Verhalten bezeichnen, bei dem die Last an einem Beginn einer Stromversorgung (hier auch als Laden bezeichnet) eine geringe Impedanz zeigt (z. B. 10 Ohm oder darunter oder 1 Ohm oder darunter), wohingegen nach einiger Zeit der Widerstand steigt. Nach einiger Zeit kann eine Zeitabhängigkeit der Impedanz null oder effektiv nahe null sein; dies wird üblicherweise als das Erreichen eines stationären Zustandes bezeichnet. Im stationären Zustand kann der Strom einen Stationärzustandswert erreichen. Z. B. kann ein Einschaltstromverhalten im Zusammenhang mit dieser Patentanmeldung ein Verhalten bezeichnen, bei dem ein Spitzenwert des Laststroms während des Ladens mehr als 1,5-mal oder 2-mal oder 2,5-mal oder 10-mal den Stationärzustandswert des Laststroms beträgt.
Das Einschaltstromverhalten kann bei kapazitiven Elementen vorliegen. Hier können die Lastpfade Ladezwecken der kapazitiven Elemente dienen.
Ein konkretes Beispiel ist das Laden einer Kapazität, die, bis sie geladen ist, einen vergleichsweise geringen Ohm'schen Widerstand für Gleichströme aufweist, während sie, wenn sie geladen ist, einen sehr hohen (abgesehen von Leckströmen im Wesentlichen unendlichen) Ohm'schen Widerstand im stationären Zustand aufweist. Ein weiteres Beispiel ist ein Glühdraht einer Glühbirne, der, wenn diese eingeschaltet wird, kalt ist und daher einen sehr niedrigen Widerstand aufweisen kann; wenn er aber durch einen Versorgungsstrom erhitzt wird, weist er dann einen signifikant höheren Widerstand auf.
Nun auf die Figuren Bezug nehmend, ist 1 ein schematisches Blockdiagramm, welches eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform darstellt.
Die Vorrichtung aus 1 umfasst eine Last 11 mit einem Einschaltstromverhalten, die von einer Leistungsquelle 10 versorgt werden soll. Die Last 11 kann zum Beispiel eine Kapazität umfassen, die von einem oder mehreren Kondensatoren gebildet werden kann, zum Beispiel einer Last, die von der Leistungsquelle 10 angetrieben werden soll, zum Beispiel ein elektronischer Schaltkreis, der von der Leistungsquelle 10 angetrieben werden soll. Die Last 11 kann auch einen Draht wie z. B. einen Glühdraht einer Glühbirne umfassen. Die Leistungsquelle 10 kann jegliche geeignete Leistungsquelle sein, zum Beispiel eine Batterie in einer mobilen Anwendung, ein Netzadapter oder Ähnliches.
Wenn die Vorrichtung aus 11 eingeschaltet wird, kann die Last 11 wie oben beschrieben eine bestimmte Zeit lang (z. B. bis sie geladen oder erhitzt ist, z. B. bis der stationäre Zustand erreicht ist). Insbesondere könnte das einfache Verbinden der Last 11 mit der Leistungsquelle 10 in einem solchen Zustand zu einem hohen Strom führen, der wiederum z. B. eine Überhitzung der Vorrichtung verursachen kann.
Bei der Vorrichtung aus 1 kann die Last 11 über einen ersten Lastpfad 15, welcher einen ersten Schalter 13 umfasst, und/oder über einen zweiten Lastpfad 16, welcher einen zweiten Schalter 14 umfasst, versorgt werden. Der erste und der zweite Schalter 13, 14 können Schalter sein, die in einem geschlossenen Zustand Strom bis zu einem bestimmten Sättigungsstrom leiten und daher einen strombeschränkenden Charakter aufweisen können. Zum Beispiel können die Schalter 13, 14 MOSFET(Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor)-Schalter oder ähnliche, transistorbasierte Schalter sein, die in einem Sättigungsbereich betrieben werden.
Eine Steuerung 12 ist bereitgestellt, welche das Öffnen und Schließen des ersten und des zweiten Schalters 13, 14 steuert. Die Steuerung 12 kann z. B. als Hardware, Software, Firmware oder Kombinationen daraus implementiert sein. Z. B. kann die Steuerung 12 einen Prozessor umfassen, der programmiert ist, um die Schalter 13, 14 dementsprechend zu steuern, oder kann festverdrahtete Logik und/oder einen anwendungsspezifischen integrierten Schaltkreis (ASIC) umfassen, um die Schalter 13, 14 zu steuern. In Ausführungsformen ist die Steuerung 12 dazu geeignet, die Schalter 13, 14 abwechselnd zu schließen, sodass die Last 11 abwechselnd über den ersten Lastpfad 15 und den zweiten Lastpfad 16 versorgt wird. In manchen Ausführungsformen wird eine Schaltfrequenz zum Schalten zwischen den Lastpfaden 15, 16 so gewählt, dass ein Überhitzen oder ein anderer unerwünschter Betrieb der Schalter 13, 14 verhindert wird. Die exakte Schaltfrequenz oder Schaltzeit kann von der Technologie abhängen, die verwendet wird, um die Schalter 13, 14 zu implementieren, und kann zum Beispiel mittels experimenteller Charakterisierung der Schalter 13, 14 bestimmt werden, zum Beispiel durch das Anlegen eines Stroms an einen Schalter eines Typs, welcher einem Typ des Schalters 13 und/oder 14 entspricht, während verschiedener Zeiträume, um festzustellen, welche Zeiträume z. B. eine wesentlich geringere Gefahr einer thermischen Beschädigung des Schalters aufweisen.
In manchen Ausführungsformen kann auf diese Weise der Versorgungsstrom an die Last 11 im Wesentlichen konstant gehalten werden, bis die Last 11 einen Zustand mit einem höheren Widerstand erreicht, z. B. im Falle einer Kapazität geladen wird oder im Falle eines Glühdrahtes einer Glühbirne erhitzt wird. Nach dieser Phase kann/können einer oder beide Schalter 13, 14 geschlossen bleiben, um im Normalbetrieb Leistung an einen Schaltkreis oder eine Vorrichtung zu leiten, welche die Last 11 umfasst. In manchen Ausführungsformen kann ein Sättigungsstrom gewählt werden, sodass eine Belastung für den jeweiligen Schalter 13, 14 (zum Beispiel aufgrund von Temperaturänderungen) minimiert wird. Diese oben beschriebene Versorgung kann wie erwähnt beim Einschalten verwendet werden, kann aber in manchen Ausführungsformen auch manuell von einem Benutzer über einen Kontaktstift eines Chips aktiviert werden, über den zum Beispiel die Schalter 13, 14 gesteuert werden können.
In manchen Ausführungsformen wird das abwechselnde Schalten mit einer leichten Überlappung durchgeführt, um einen Zustand zu verhindern, in dem beide Schalter 13, 14 gleichzeitig offen sind. Dies kann zum Beispiel hinsichtlich Rauschen und/oder Leistungsverlust in einem System vorteilhaft sein. In anderen Ausführungsformen können Pausen bereitgestellt werden, um einen Zustand bereitzustellen, in dem beide Schalter 13, 14 zwischen dem abwechselnden Schließen der Schalter 13, 14 gleichzeitig offen sind. In manchen Ausführungsformen kann dies dabei helfen, eine Belastung für die Leistungsquelle 10 zu reduzieren.
Danach, unter Bezugnahme auf 2 bis 8, werden verschiedene weitere Ausführungsformen dargestellt und beschrieben. Zur einfacheren Beschreibung wird in diesen Ausführungsformen eine kapazitive Last als Beispiel für eine Last verwendet, die ein Einschaltstromverhalten aufweist. Es ist jedoch zu verstehen, dass die Techniken und Vorrichtungen der 2 bis 8 auch auf andere Lasten mit Einschaltstromverhalten angewendet werden können, zum Beispiel auf Glühdrähte von Glühbirnen.
2 ist ein Schaltkreisdiagramm, welches eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform darstellt. 3 ist ein Diagramm, welches beispielhafte Signale für die Vorrichtung aus 2 zeigt. Die beispielhaften Signale aus 3 sind jedoch lediglich ein schematisches Beispiel und können sich abhängig von den Signalwellenformen der Implementierung davon unterscheiden.
In 2 kann ein Kondensator 22 von einer Batterie 21 über einen ersten Lastpfad 27 und/oder einen zweiten Lastpfad 28 geladen werden. Die Bezugszahl 20 bezeichnet die Masse. Die Batterie 21 ist lediglich ein Beispiel für eine geeignete Art von Leistungsquelle. Der Kondensator 22 kann einen oder mehrere Kondensatoren repräsentieren, einschließlich zum Beispiel parasitäre Kondensatoren in Schaltkreisen.
Der erste Lastpfad 27 umfasst einen ersten MOS-Transistor 23, der mittels eines ersten Steuersignals IN1 über einen ersten Puffer 25 gesteuert wird. Der erste MOS-Transistor 23 fungiert als ein erster Schalter, um den ersten Lastpfad 27 ein- und auszuschalten. Ferner umfasst der zweite Lastpfad 28 einen zweiten MOS-Transistor 24, der mittels eines zweiten Steuersignals IN2 über einen zweiten Puffer 26 gesteuert wird. Der zweite MOS-Transistor 24 fungiert als ein zweiter Schalter, um den zweiten Lastpfad 28 ein- und auszuschalten. In dieser Hinsicht bezeichnet ein eingeschalteter Zustand (oder geschlossener Zustand) einen Zustand, in dem Strom zumindest bis zu einem Maximalstrom, der z. B. von einem Sättigungsstrom eines Schalters bestimmt wird, über den jeweiligen Lastpfad oder Schalter fließen kann, wohingegen ein ausgeschalteter Zustand (oder offener Zustand) einen Zustand bezeichnet, in dem im Wesentlichen kein Strom (abgesehen von z. B. unerwünschten Leckströmen) über den Lastpfad oder den Schalter fließen kann.
Der Betrieb des Schaltkreises aus 2 wird nun unter Verwendung beispielhafter Signale, die in 3 gezeigt werden, beschrieben. Diese Signale werden lediglich zu Veranschaulichungszwecken bereitgestellt und sind nicht als beschränkend aufzufassen. Eine Kurve 30 in 3 stellt ein Beispiel für das erste Steuersignal IN1 dar. Eine Kurve 31 stellt ein Beispiel für ein zweites Steuersignal IN2 dar. In dem gezeigten Beispiel sind sowohl IN1 als auch IN2 Pulssignale, die abwechselnd den ersten MOS-Transistor 23 und den zweiten MOS-Transistor 24 schließen. In Ausführungsformen wird eine Pulsbreite t_pulse von IN1 und IN2 so gewählt, dass sie geringer als ein Maximalwert t_max ist. t_max kann zum Beispiel abhängig von einer Implementierung der MOS-Transistoren 23, 24 bestimmt werden, sodass für Pulsdauern, die geringer als t_max sind, die MOS-Transistoren 23, 24 in einem sicheren Betriebsbereich (SOA) betrieben werden können. Beim Betrieb in diesem Bereich werden z. B. eine Beschädigung der MOS-Transistoren 23, 24 aufgrund thermischer Belastungen wie z. B. Übertemperatur oder andere negative Effekte verhindert. Die Steuersignale IN1, IN2 (z. B. die Spannung von IN1, IN2 in einem eingeschalteten Zustand) können so gewählt werden, dass die Transistoren 23, 24 in dem eingeschalteten Zustand in einem Sättigungsbereich betrieben werden. Der Sättigungsstrom der Transistoren 23, 24 stellt dann effektiv eine Strombegrenzung dar, welche den Laststrom an den Kondensator 22 beschränkt. Eine Kurve 32 stellt den Strom über den ersten Lastpfad 27 (d. h. aufgrund des Schaltens durch das Signal IN1) schematisch dar, und eine Kurve 33 stellt den Strom über den zweiten Lastpfad 28 (d. h. aufgrund des Schaltens durch das Signal IN2) dar. Eine durchgehende Linie 34 zeigt den Gesamtstrom, der im Wesentlichen konstant ist. Wie später unter Bezugnahme auf 6 und 7 beschrieben wird, kann in manchen Ausführungsformen zwischen den Einschaltzeiträumen der Signale IN1 und IN2 eine Überlappung bestehen, sodass sichergestellt wird, dass zumindest einer der Transistoren 23, 24 immer eingeschaltet ist und der Strom nie auf 0 fällt. Dies kann transiente Ströme und Spannungsflanken reduzieren, was wiederum dazu beitragen kann, Leistungsverluste zu beschränken und Störungen der Stromzufuhr zu beschränken. In diesem Fall können während der „Überlappung” zwischen den Einschaltzuständen der Transistoren 23, 24 kleine Spitzen im Gesamtstrom 34 auftreten. In anderen Ausführungsformen können Pausen bereitgestellt werden, in denen beide Transistoren 23, 24 zwischen dem einzelnen Einschalten der Transistoren 23, 24 ausgeschaltet sind.
Eine Kurve 35 zeigt ein Beispiel für die Spannung an dem Kondensator 22 im zeitlichen Verlauf. Aufgrund des konstanten Laststroms (Kurve 34) steigt die Spannung an dem Kondensator 22 im Wesentlichen bis zu dem Zeitpunkt linear an, an dem das Laden abgeschlossen ist und die Spannung konstant wird und ein stationärer Zustand erreicht worden ist.
Um die Wirkung mancher Ausführungsformen weiter zu veranschaulichen, werden als Nächstes Simulationen eines Vergleichsbeispiels und einer Ausführungsform unter Bezugnahme auf 4 bis 7 beschrieben. 4 stellt eine Simulationsumgebung eines Vergleichsbeispiels dar, die einen einzelnen Lastpfad mit einem einzelnen Transistor 41 verwendet, der von einer Steuerspannung 42 an seinem Gate gesteuert wird. Eine Leistungsquelle 40 wird verwendet, um einen Kondensator 43 über den Transistor 41 zu laden. Die Bezugszahl 44 bezeichnet eine Simulationsumgebung zum Bestimmen der Temperatur.
Der Transistor 41 in dem Simulationsbeispiel aus 4 ist ein MOSFET mit einer Fläche von 24 mm², und die Kapazität des Kondensators 34 ist 10 mF. Wie ersichtlich ist, ist der Kondensator 34 in dem Beispiel aus 4 gemeinsam mit anderen Schaltkreiselementen wie Widerständen und einer Induktivität bereitgestellt.
Um den Transistor 43 zu laden, wird der MOSFET 41 in einem Sättigungsbereich betrieben, um den Strom zu beschränken.
5 stellt Simulationsergebnisse für die Simulationsumgebung aus 4 dar. Eine Kurve 50 zeigt die Temperatur an einem Übergang des Transistors 41, eine Kurve 51 stellt den Laststrom dar, und eine Kurve 42 stellt die Spannung an dem Kondensator 43 dar. Wie ersichtlich ist, ist der Laststrom auf etwa 85 A begrenzt. Die Temperatur steigt um etwa 80 K auf etwa 168 K. Eine Möglichkeit, diesen Temperaturanstieg zu reduzieren, könnte darin bestehen, den Strom zu begrenzen (z. B. indem eine Gatespannung des Transistors 41 dementsprechend gesteuert wird). Dies kann jedoch dazu führen, dass der Transistor 41 in einem thermisch instabilen Bereich betrieben wird und die Ladedauer verlängert wird, was den Transistor 41 ebenfalls negativ beeinflussen oder sogar zerstören kann.
6 stellt eine. Simulationsumgebung zum Simulieren einer Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform dar. In der Simulationsumgebung aus 6 werden zwei Lastpfade bereitgestellt, einer über einen ersten Transistor 62 und einer über einen zweiten Transistor 64. Der erste Transistor 62 wird von einer ersten Gatespannungsquelle 61 gesteuert, und der zweite Transistor 64 wird von einer zweiten Gatespannungsquelle 63 gesteuert. Jeder der Transistoren 62, 64 in dem Simulationsbeispiel ist ein Transistor mit einer aktiven Fläche von jeweils 12 mm², sodass die gesamte aktive Fläche für die Simulationsumgebungen aus 4 und 6 dieselbe ist (ein Transistor mit 24 mm² in 4 und zwei Transistoren mit einer Fläche von jeweils 12 mm² in 6). In der Simulationsumgebung aus 6 wird ein Kondensator 65 von einer Leistungsquelle 60 geladen. Ähnlich wie der Kondensator 43 in 4 ist der Kondensator 65 zu Simulationszwecken ein 10-mF-Kondensator. Die Bezugszahl 66 bezeichnet eine Simulationsumgebung für die Temperatur der Transistoren 62, 64.
7 zeigt Simulationsergebnisse für die Simulationsumgebung aus 6. Die Kurven 70 und 71 zeigen Temperaturen für die Transistoren 62 beziehungsweise 64. Die Kurven 72, 73 zeigen Ladeströme durch einen ersten Transistor 62 beziehungsweise einen zweiten Transistor 64. Eine Kurve 74 zeigt einen Gesamtstrom. Eine Kurve 75 zeigt eine Spannung am Kondensator 65.
In dem Simulationsbeispiel der 6 und 7 wurden die Transistoren 62, 64 gesteuert, um mit einer gewissen Überlappung abwechselnd geöffnet und geschlossen zu werden, sodass bei jedem Schaltvorgang zwischen den Lastpfaden für einen kurzen Zeitraum beide Transistoren 62, 64 eingeschaltet sind. Dies ist aus einer leichten Überlappung zwischen Kurve 72 und 73 sowie kleinen Spitzen in Kurve 74 ersichtlich. Wie bereits beschrieben, verhindert dies, dass der Laststrom auf 0 fällt, was transiente Ströme und Spannungsflanken reduzieren und Leistungsverluste reduzieren kann, die andernfalls z. B. zu einer schnelleren Alterung der Bauteile führen können. Wie bereits erwähnt, können die Transistoren 62, 64 in anderen Ausführungsformen gesteuert werden, um abwechselnd geöffnet und geschlossen zu werden, sodass „Pausen”, in denen beide Transistoren 62, 64 offen sind, zwischen dem abwechselnden Schließen der Transistoren 62, 64 bereitgestellt werden. Eine solche Ausführungsform kann eine Belastung für eine verwendete Leistungsquelle reduzieren. Daher kann das Schaltschema abhängig von einer Anwendung und verwendeten Bauteilen gewählt werden.
Ferner, wie aus den Kurven 70 und 71 ersichtlich ist, wird die Maximaltemperatur auf etwa 130°C verringert, was einer Temperaturdifferenz von etwa 45 K entspricht, im Vergleich zu der Temperaturdifferenz von 80 K für Kurve 50. Daher kann die Temperaturdifferenz reduziert werden, ohne die Transistoren über einen langen Zeitraum im Sättigungsbereich zu betreiben. Dies kann die thermische Kopplung der Transistoren besser nutzen.
Wie ersichtlich ist, sind in 7 im Vergleich zu 5 die Ströme geringer, und die Ladezeit ist länger. Dies ist darin begründet, dass es bei dem Schaltschema aus 7 möglich ist, die Transistoren 62, 64 in einem sicheren Betriebsbereich (SOA) in Sättigung bei den vergleichsweise niedrigen Strömen zu betreiben, weil die Einschaltzeiträume für die Transistoren 62, 64 im Wesentlichen frei gewählt werden können (durch das dementsprechende Anpassen der Schaltfrequenz). Im Gegensatz dazu muss der Strom in 5 ziemlich hoch gewählt werden, um den Kondensator vollständig laden zu können, während der Transistor 41 in Sättigung betrieben wird und während man immer noch im SOA des Transistors 41 ist.
Es sollte beachtet werden, dass die Simulationsbeispiele der 4 bis 7 lediglich bereitgestellt sind, um manche Merkmale mancher Ausführungsformen besser zu veranschaulichen, und nicht als beschränkend aufzufassen sind. Insbesondere können sich Dimensionen, die gleichen Transistorflächen zugeordnet sind, in anderen Implementierungen unterscheiden, und Signalwellenformen können sich von den simulierten Wellenformen unterscheiden, die zu Veranschaulichungswecken gezeigt werden.
8 stellt ein Verfahren gemäß einer Ausführungsform dar. Das Verfahren aus 8 kann unter Verwendung der oben unter Bezugnahme auf die 1 bis 7 beschriebenen Ausführungsformen implementiert sein, und Einzelheiten, Variationen und Modifikationen, die in Bezug auf die Vorrichtung der 1 bis 7 beschrieben wurden, können auch auf das Verfahren aus 8 angewendet werden. Die Verwendung des Verfahrens aus 8 ist jedoch nicht auf die in den 1 bis 7 gezeigten Vorrichtungen beschränkt. Obwohl das Verfahren aus 8 als eine Reihe von Handlungen oder Ereignissen beschrieben wird, ist die Reihenfolge, in welcher diese Handlungen oder Ereignisse beschrieben werden, nicht als beschränkend aufzufassen, und in anderen Ausführungsformen können andere Reihenfolgen verwendet werden, oder verschiedene Handlungen oder Ereignisse können gleichzeitig durchgeführt werden.
Bei 80 umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines ersten Lastpfades, um eine Last mit einem Einschaltstromverhalten, z. B. eine Kapazität, zu versorgen. Der erste Lastpfad kann z. B. einen ersten Schalter wie z. B. Schalter 13 aus 1 oder Schalter 24 aus 2 umfassen. Bei 81 umfasst das Verfahren das Bereitstellen eines zweiten Lastpfades zum Versorgen der Last. Der zweite Lastpfad kann einen zweiten Schalter wie z. B. Schalter 14 aus 1 oder Schalter 23 aus 2 umfassen. Bei 82 umfasst das Verfahren, die Last abwechselnd über den ersten und den zweiten Lastpfad zu versorgen, z. B. durch das abwechselnde Ein- und Ausschalten des ersten und des zweiten Schalters. Dies kann wie zuvor beschrieben erfolgen, z. B. auf überlappende Weise, um sicherzustellen, dass immer zumindest einer der Lastpfade eingeschaltet ist, oder mit Pausen dazwischen. Die Last kann z. B. durch einen oder mehrere Kondensatoren gebildet werden, die möglicherweise parasitäre Kondensatoren umfassen, oder durch einen Glühdraht einer Glühbirne.
Es sollte beachtet werden, dass, obwohl Ausführungsformen mit zwei Lastpfaden beschrieben wurden, auch mehr als zwei Lastpfade bereitgestellt sein können. Ebenso, obwohl manche Ausführungsformen als High-Side-Schalter gezeigt wurden, die zwischen einer positiven Versorgungsspannung und einer Last gekoppelt sind, können hierin offenbarte Techniken auch auf Low-Side-Schalter angewendet werden, z. B. zwischen einer negativen Versorgungsspannung oder einer Masse und einer Last. Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind als lediglich veranschaulichend zu betrachten und sollen nicht als auf irgendeine Weise beschränkend aufgefasst werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 6225797 B1 [0003]
US 7787271 B2 [0003]
EP 0569883 A2 [0003]
EP 2398146 A2 [0003]
WO 00/21176 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung, umfassend: einen ersten Lastpfad, der zwischen einer Leistungsversorgung und einer Last mit einem Einschaltstromverhalten zu verbinden ist, wobei der erste Lastpfad einen ersten Schalter umfasst, einen zweiten Lastpfad, der zwischen der Leistungsversorgung und der Last zu verbinden ist, wobei der zweite Lastpfad einen zweiten Schalter umfasst, sowie eine Steuerung, wobei die Steuerung eingerichtet ist, den ersten Schalter und den zweiten Schalter abwechselnd zu schließen, um die Last zu versorgen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Steuerung eingerichtet ist, in einem eingeschalteten Zustand des ersten Schalters beziehungsweise des zweiten Schalters den ersten Schalter beziehungsweise den zweiten Schalter in einem Sättigungsbereich zu betreiben.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei zumindest einer aus dem ersten Schalter und dem zweiten Schalter einen Feldeffekttransistor(FET)-Schalter umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der FET-Schalter einen Metalloxidhalbleiter-FET umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, welche ferner die Leistungsversorgung umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, welche ferner die Last umfasst, wobei die Last zumindest eines aus einer Kapazität und einem Glühdraht umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Kapazität zumindest eines aus einem Kondensator und einem parasitären Kondensator einer Vorrichtung umfasst, die von der Leistungsversorgung zu versorgen ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuerung eingerichtet ist, das abwechselnde Öffnen und Schließen des ersten und des zweiten Schalters zu steuern, sodass geschlossene Phasen des ersten und des zweiten Schalters überlappen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Steuerung eingerichtet ist, das abwechselnde Öffnen und Schließen des ersten und des zweiten Schalters zu steuern, sodass geschlossene Phasen des ersten und des zweiten Schalters durch eine Pause getrennt sind, in der sowohl der erste Schalter als auch der zweite Schalter offen sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Zeitdauer von eingeschalteten Zuständen des ersten und des zweiten Schalters auf Basis einer thermischen Stabilität des ersten und des zweiten Schalters bestimmt wird.
Vorrichtung, umfassend: eine Leistungsquelle, zumindest eine Last mit einem Einschaltstromverhalten, einen ersten Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET), welcher zwischen der Leistungsquelle und der zumindest einen Kapazität gekoppelt ist, einen zweiten MOSFET, der parallel zum ersten MOSFET zwischen der Leistungsquelle und der zumindest einen Kapazität gekoppelt ist, und eine Steuerung, welche eingerichtet ist, Signale an Gateanschlüsse des ersten MOSFETs und des zweiten MOSFETs anzulegen, um den ersten MOSFET und den zweiten MOSFET abwechselnd zu öffnen und zu schließen.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der erste MOSFET und der zweite MOSFET in einer Sättigungsregion betreibbar sind, um einen Laststrom zu beschränken.
Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12, wobei die Steuerung eingerichtet ist, den ersten MOSFET und den zweiten MOSFET zu steuern, sodass eingeschaltete Zustände des ersten und des zweiten MOSFETs überlappen.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen eines ersten Lastpfades zwischen einer Leistungsversorgung und zumindest einer Last mit einem Einschaltstromverhalten, Bereitstellen eines zweiten Lastpfades zwischen der Leistungsversorgung und der zumindest einen Last, und abwechselndes Versorgen der zumindest einen Kapazität über den ersten und den zweiten Ladepfad.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei das abwechselnde Laden ein abwechselndes Öffnen und Schließen eines ersten Schalters in dem ersten Lastpfad und eines zweiten Schalters in dem zweiten Lastpfad umfasst.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das abwechselnde Öffnen und Schließen ein Steuern des ersten und des zweiten Schalters derart umfasst, dass geschlossene Phasen des ersten und des zweiten Schalters überlappen.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei das abwechselnde Öffnen und Schließen der Schalter ein Schließen der Schalter derart umfasst, dass sie in einem Sättigungsbereich betrieben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei die Schalter Feldeffekttransistor(FET)-Schalter umfassen, und das abwechselnde Öffnen und Schließen der Schalter das Anlegen von Pulssignalen an die Gateanschlüsse der Schalter umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Pulssignale Pulslängen aufweisen, die kleiner als eine Maximallänge sind, die durch eine thermische Stabilität der FET-Schalter bestimmt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei das Verfahren beim Einschalten einer Vorrichtung durchgeführt wird.