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Technisches Gebiet
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Das vorliegende Dokument bezieht sich auf Leistungsumsetzer mit regulierter Ausgangsspannung oder Ausgangsstromstärke. Insbesondere bezieht sich das vorliegende Dokument auf Schaltleistungsumsetzer mit erhöhtem Wirkungsgrad.
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Hintergrund
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Der Wirkungsgrad eines herkömmlichen Schaltleistungsumsetzers wie beispielsweise eines Tiefsetzstellers wird durch die Verluste innerhalb der Schalter (beispielsweise Feldeffekttransistoren, FET) und des Induktors des Leistungsumsetzers bestimmt. Wenn der Leistungsumsetzer eine relativ hohe Ausgangsspannung Vout liefert, weist der Leistungsumsetzer typischerweise einen reduzierten Umsetzungswirkungsgrad auf, da die Schalter in Hochspannungstechnologie implementiert sein müssen und die Schalter damit eine erhöhte Schalterfläche und erhöhte Sperrverzögerungsverluste aufweisen. Relativ große FET verursachen typischerweise relativ hohe Schaltverluste auf Basis einer erhöhten Gate-Ladung und LX-Kapazität.
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Die Spannung, die an den Induktor eines Tiefsetzstellers angelegt wird, ist während der Magnetisierungsphase proportional zu der Differenz zwischen der Eingangsspannung Vin und der Ausgangsspannung Vout, d. h. Vin – Vout, oder während der Entmagnetisierungsphase proportional zu Vout. Erhöhte Induktorspannungen verursachen erhöhte Stromstärkeänderungen dI/dt und somit eine erhöhte Schaltfrequenz (um eine vorgegebene Stromwelligkeit zu erreichen) und/oder eine erhöhte Stromwelligkeit (für eine gegebene Schaltfrequenz). In beiden Fällen führt dies zu erhöhten Induktorkernverlusten und zu einer erhöhten Verlustleistung.
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Ein Aufrechterhalten niedriger Stromstärkeänderungen dIL/dt bei erhöhten Eingangs- und Ausgangsspannungen erfordert typischerweise Induktoren (d. h. Spulen) mit erhöhter Induktivität L auf Basis der Beziehung dIL/dt = VL/L. Jedoch haben Spulen mit einer erhöhten Induktivität L eine erhöhte Anzahl von Windungen. Damit Induktoren ihren Gleichstromwiderstand (DCR) auch mit einer erhöhten Anzahl von Windungen aufrechterhalten, muss jede Windung einen Draht mit einer erhöhten Dicke einsetzen, um die Impedanzerhöhung zu kompensieren. Somit wächst die Größe des Induktors doppelt mit einer erhöhten Induktivität L (auf Basis der erhöhten Anzahl von Windungen und auf Basis der erhöhten Drahtdicke). Auf der anderen Seite führt dann, wenn die Induktorabmessungen nicht erhöht sind, eine erhöhte Induktivität L zu dem Effekt, dass der DCR des Induktors auf Basis der zusätzlichen Anzahl von Windungen und auf Basis der Verwendung eines dünneren Drahts doppelt wächst.
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In den letzten Jahren haben batteriebetriebene Anwendungen wie Smartphones und Tablets ihre Rechenleistung, Bildschirmauflösung und Bildwechselfrequenz erhöht und verbundene Bereitschaftsmodi hinzugefügt. Dies führte zu Änderungen in den Anforderungen für die Leistungsverwaltung bei solchen batteriebetriebenen Anwendungen.
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Die erhöhte Rechenleistung führte zu einem Wachstum des maximalen Stromstärkebedarfs. Der Trend zu höheren Spitzenstromstärken wurde durch das anhaltende Schrumpfen von Technologieknoten beschleunigt. Prozessorkerne können nun Millionen von Transistoren auf einem einzigen Chip aufweisen. Aber die kleineren Geometrien erhöhen Leckströme aus jedem Transistor, mit dem Ergebnis, dass moderne Mehrkern-Prozessoren Leckstromstärken im Bereich von Ampère aufweisen.
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Typische Prozessoren von frühen Smartphones waren ständig im aktiven Modus, wenn das Smartphone im Einsatz war, wobei sie die bereitgestellte Rechenleistung durch Ändern der Taktrate des Prozessors (und der Versorgungsspannung) in Abhängigkeit von der MIPS-Nachfrage (Beziehen einer mittleren Stromstärke im Bereich von 1–2 A) skalierten. Auf der anderen Seite laufen heutige Prozessorkerne entweder bei maximaler Geschwindigkeit oder sind von einer Leistungsschiene getrennt, um den Leckstrom eines Prozessorkerns auf einen minimalen Tastgrad zu reduzieren. Die Bereitstellung der erforderlichen MIPS innerhalb kurzer Arbeitszyklen führt zu einer wesentlichen Zunahme der Spitzenstromaufnahme des Prozessors (um einen Faktor von mehr als 10), während die Batteriekapazität und die Wärmebewältigungsfähigkeit von solchen tragbaren Anwendungen mit einer geringeren Rate gestiegen sind. Als Folge davon ist die Bereitstellung von Spitzenstromstärken typischerweise auf relativ kurze Zeitspannen begrenzt und hat dadurch geringe Auswirkungen auf den durchschnittlichen Stromverbrauch der batteriebetriebenen Anwendung.
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In Mehrkern-Topologien ist nur eine Teilmenge der verfügbaren Kerne aktiviert, um eine ausreichende Verarbeitungsleistung bereitzustellen, um eine erforderliche Rechenlast zu bewältigen. Darüber hinaus können ”Groß-Klein”-Architekturen vorgesehen sein, die während der normalen Nutzung kleinere Prozessorkerne verwenden, und die transparent zu leistungsfähigeren Kernen wechseln, wenn ein Anwenderbefehl detektiert wird, während einer Bildschirmaktualisierung oder nachdem eine Anwendung aufgewacht ist.
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Die Gesamtaufheizung und die thermische Grenze einer batteriebetriebenen Anwendung wird typischerweise durch eine Abführleistung der IC, die die Spitzenleistung (80–90%) verbraucht, dominiert, so dass in den meisten Fällen der Wirkungsgrad der Leistungsversorgung einer batteriebetriebenen Anwendung während Spitzenstromereignissen weniger wichtig ist.
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Die Einführung von sogenannten ”verbundenen Bereitschaftsmodi” schaffte die vollständige Abschaltung einer batteriebetriebenen Anwendung ab. Smartphones oder Tablets verarbeiten heutzutage kontinuierlich E-Mail, Daten aus sozialen Netzwerken, Nachrichtenversorgung, GPS und andere Sensorausgaben im Hintergrund. Dies wird in speziellen Leistungssparmodi implementiert, so dass die Entleerung der Batterie minimiert wird. In diesen Betriebsmodi hat die Verlustleistung der Leistungsversorgung typischerweise einen wesentlichen Einfluss auf die Mobilitätszeit einer batteriebetriebenen Anwendung. Daher besteht ein Bedarf, den Wirkungsgrad der Leistungsumsetzer bei geringen Lasten zu erhöhen.
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Wo in früheren Zeiten eine batteriebetriebene Anwendung entweder im Einsatz war oder in einen tiefen Bereitschaftsmodus versetzt war (wobei nur das drahtlose Modem periodisch aufwacht, um die Netzverbindung zu überprüfen), sind die heutigen batteriebetriebenen Anwendungen meistens in einem Niederlastmodus (Beziehen von wenigen mA), können aber auch erhebliche kurzfristige Spitzenstromstärken von bis zu 20 A beziehen, um kurze Anwendungsreaktionszeiten durch Ermöglichen von maximaler Rechenleistung für eine begrenzte Zeit zu implementieren.
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Das vorliegende Dokument befasst sich mit dem technischen Problem, einen effizienten und kompakten Leistungsumsetzer bereitzustellen, der dazu ausgelegt ist, große Laststromstärken innerhalb eines weiten Stromstärkenbereichs (von mehreren Größenordnungen) bereitzustellen.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt wird ein Multiphasen-Leistungsumsetzer beschrieben, der dazu ausgelegt ist, Leistung zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss umzusetzen. Der Multiphasen-Leistungsumsetzer umfasst einen Basisschaltumsetzer, der einen Basisinduktor (oder eine Basisspule) umfasst. Der Basisschaltumsetzer (im Folgenden hier auch als Basisphase bezeichnet) ist dazu ausgelegt, Leistung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss umzusetzen.
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Ferner umfasst der Multiphasen-Leistungsumsetzer einen Hilfsschaltumsetzer, der einen Hilfsinduktor (oder eine Hilfsspule) umfasst. Der Hilfsschaltumsetzer (der hier auch als Hilfsphase bezeichnet ist) ist dazu ausgelegt, Leistung zwischen dem Eingangsanschluss und einem Hilfsanschluss umzusetzen.
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Zusätzlich umfasst der Multiphasen-Leistungsumsetzer einen Satz von Konfigurationsschaltern, die dazu ausgelegt sind, den Hilfsanschluss (direkt) mit dem Ausgangsanschluss zu koppeln oder den Hilfsinduktor (direkt) in Reihe mit dem Basisinduktor zu schalten. Insbesondere kann der Satz von Konfigurationsschaltern dazu ausgelegt sein, in einer sich gegenseitig ausschließenden Weise den Hilfsanschluss mit dem Ausgangsanschluss zu koppeln oder den Hilfsinduktor in Reihe mit dem Basisinduktor zu schalten. Wenn der Hilfsinduktor (direkt) in Reihe mit dem Basisinduktor gekoppelt wird, wird das Koppeln vorzugsweise derart durchgeführt, dass als Ergebnis des Koppelns ein gemeinsamer Schaltumsetzer erhalten wird, der den gleichen Typ wie der Basisschaltumsetzer und/oder der Hilfsschaltumsetzer hat (z. B. Tiefsetz-Buck-Typ, Hochsetz-Boost-Typ, Tiefsetz-Hochsetz-Typ oder Inverter-Typ), der aber einen gemeinsamen Induktor aufweist, der der Reihenanordnung des Basisinduktors und des Hilfsinduktors entspricht.
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Der Satz von Konfigurationsschaltern kann einen ersten Konfigurationsschalter zum Koppeln des Hilfsanschlusses (direkt) mit dem Ausgangsanschluss umfassen. Darüber hinaus kann der Satz von Konfigurationsschaltern einen zweiten Konfigurationsschalter zum Koppeln des Hilfsinduktors (direkt) mit dem Basisinduktor umfassen. Der zweite Konfigurationsschalter kann offen gehalten werden, wenn der erste Konfigurationsschalter geschlossen ist (und umgekehrt). Weiterhin können der erste und der zweite Konfigurationsschalter beide offen gehalten werden, wodurch der Hilfsschaltumsetzer von dem Ausgang des Multiphasen-Leistungsumsetzers entkoppelt wird und damit der Multiphasen-Leistungsumsetzer ohne den Hilfsschaltumsetzer (und gegebenenfalls nur mit dem Basisschaltumsetzer) betrieben wird.
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An sich kann der Multiphasen-Leistungsumsetzer dazu ausgelegt sein, den Basisschaltumsetzer und den Hilfsschaltumsetzer parallel anzuordnen oder den Basisinduktor und den Hilfsinduktor in Reihe anzuordnen, abhängig von den Leistungsanforderungen an dem Ausgangsanschluss. Auf diese Weise kann ein kompakter Leistungsumsetzer bereitgestellt werden, der dazu ausgelegt ist, bei relativ hohen Lasten (durch Parallelschaltung von Schaltumsetzern) und bei relativ geringen Lasten (durch Reihenschaltung der Induktoren) effizient zu arbeiten. Darüber hinaus kann der Multiphasen-Leistungsumsetzer bei mittleren Lasten, die zwischen relativ niedrigen Lasten und relativ hohen Lasten liegen, ohne den Hilfsschaltumsetzer (d. h. ohne die Hilfsphase) betrieben werden. Insbesondere kann möglicherweise nur der Basisinduktor (und nur der Basisschaltumsetzer) in solchen Situationen verwendet werden.
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Der Multiphasen-Leistungsumsetzer kann einen Controller (beispielsweise einen Mikroprozessor und/oder eine analoge Schaltung) umfassen, der dazu ausgelegt ist, zu bestimmen, ob die Ausgangsleistung, die an dem Ausgangsanschluss bereitgestellt werden soll, über oder unter einer Leistungsschwelle liegt. Ferner kann der Controller dazu ausgelegt sein, den Satz von Konfigurationsschaltern zu steuern, um den Hilfsanschluss (direkt) mit dem Ausgangsanschluss zu koppeln, wenn bestimmt wird, dass die Ausgangsleistung über der Leistungsschwelle liegt. Insbesondere kann der Controller dazu ausgelegt sein, den Basisschaltumsetzer und den Hilfsschaltumsetzer zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss parallel zu betreiben, wenn der Hilfsanschluss mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist. Auf diese Weise können der Basisschaltumsetzer und der Hilfsschaltumsetzer zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss parallel angeordnet sein, um eine relativ hohe Leistung an dem Ausgangsanschluss bereitzustellen.
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Ferner kann der Controller dazu ausgelegt sein, den Satz von Konfigurationsschaltern zu steuern, um den Hilfsinduktor in Reihe mit dem Basisinduktor zu koppeln, wenn bestimmt wird, dass die Ausgangsleistung unter der Leistungsschwelle liegt. Auf diese Weise kann die effektive Induktivität des Basisschaltumsetzers oder des Hilfsschaltumsetzers (d. h. eines gemeinsamen Schaltumsetzers) erhöht werden, wodurch die Welligkeit reduziert wird und/oder der Wirkungsgrad des Multiphasen-Leistungsumsetzers erhöht wird, wenn relativ geringe Leistung an dem Ausgangsanschluss bereitgestellt wird.
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Darüber hinaus kann eine mittlere Leistungsschwelle vorgesehen sein, wobei die mittlere Leistungsschwelle niedriger als die Leistungsschwelle ist. Der Controller kann dazu ausgelegt sein, den Satz von Konfigurationsschaltern zu steuern, um den Hilfsschaltumsetzer von dem Ausgangsanschluss zu entkoppeln (und/oder den Hilfsschaltumsetzer zu deaktivieren), wenn bestimmt wird, dass die Ausgangsleistung unter der Leistungsschwelle und über der mittleren Leistungsschwelle liegt. Darüber hinaus kann der Controller dazu ausgelegt sein, den Satz von Konfigurationsschaltern zu steuern, um den Hilfsinduktor in Reihe mit dem Basisinduktor anzuordnen, wenn bestimmt wird, dass die Ausgangsleistung unter der mittleren Leistungsschwelle liegt. Als solches kann die Konfiguration des Multiphasen-Leistungsumsetzers in einer präzisen und energieeffizienten Weise an die gewünschte Ausgangsleistung angepasst werden.
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Der Basisschaltumsetzer umfasst typischerweise eine Basisschaltzelle und der Hilfsschaltumsetzer umfasst typischerweise eine Hilfsschaltzelle. Eine Schaltzelle eines Schaltumsetzers kann einen High-Side-Schalter und einen Low-Side-Schalter umfassen, die in Reihe angeordnet sind (beispielsweise MOS-Schalter). Ein Induktor eines Schaltumsetzers kann an einen Mittelpunkt zwischen dem High-Side-Schalter und dem Low-Side-Schalter gekoppelt sein. Der Controller kann dazu ausgelegt sein, eine der Basisschaltzelle und der Hilfsschaltzelle zu deaktivieren (beispielsweise durch Öffnen des High-Side-Schalters und des Low-Side-Schalters) und die andere der Basisschaltzelle und der Hilfsschaltzelle zu betreiben (beispielsweise durch Kommutieren des High-Side-Schalters und des Low-Side-Schalters in einer alternierenden Art und Weise bei einer bestimmten Schaltfrequenz), wenn der Hilfsinduktor mit dem Basisinduktor in Reihe angeordnet ist. Daher kann der Controller einen effektiven, d. h. gemeinsamen, Schaltumsetzer mit einer der beiden Schaltzellen und mit der Reihenschaltung des Basisinduktors und des Hilfsinduktors erzeugen, wodurch ein effektiver oder gemeinsamer Schaltumsetzer mit erhöhter Induktivität für relativ niedrige Lasten an dem Ausgangsanschluss bereitgestellt wird.
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Die Basisschaltzelle und die Hilfsschaltzelle können parallel zu dem Eingangsanschluss angeordnet sein. Insbesondere können die Basisschaltzelle und die Hilfsschaltzelle einen High-Side-Schalter und einen Low-Side-Schalter umfassen, die jeweils zwischen einer hohen Seite (high side) und einer niedrigen Seite (low side; z. B. Masse) des Eingangsanschlusses angeordnet sind. Darüber hinaus kann der Basisinduktor dazu ausgelegt sein, einen Mittelpunkt zwischen dem Basis-High-Side-Schalter und dem Basis-Low-Side-Schalter mit einer hohen Seite des Ausgangsanschlusses zu koppeln. In ähnlicher Weise kann der Hilfsinduktor dazu ausgelegt sein, einen Mittelpunkt zwischen dem Hilfs-High-Side-Schalter und dem Hilfs-Low-Side-Schalter mit einer hohen Seite des Ausgangsanschlusses zu koppeln. Eine niedrige Seite des Ausgangsanschlüsses kann mit der niedrigen Seite des Eingangsanschlusses gekoppelt sein. An sich können der Basisschaltumsetzer und der Hilfsschaltumsetzer einen Tiefsetz-Buck-Typ-Umsetzer umfassen, wodurch ein Tiefsetz-Multiphasen-Leistungsumsetzer bereitgestellt wird. In dem Fall eines solchen Tiefsetz-Typ-Schaltumsetzers kann der Satz von Konfigurationsschaltern dazu ausgelegt sein, den Hilfsinduktor (direkt) mit dem Ausgangsanschluss zu koppeln oder den Hilfsinduktor (direkt) mit dem Basisinduktor zu koppeln.
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Alternativ können die Basisschaltzelle und die Hilfsschaltzelle parallel zu dem Ausgangsanschluss angeordnet sein. Insbesondere können die Basisschaltzelle und die Hilfsschaltzelle einen High-Side-Schalter bzw. einen Low-Side-Schalter umfassen, die zwischen einer hohen Seite und einer niedrigen Seite (z. B. Masse) des Ausgangsanschlusses angeordnet sind. Darüber hinaus kann der Basisinduktor dazu ausgelegt sein, einen Mittelpunkt zwischen dem Basis-High-Side-Schalter und dem Basis-Low-Side-Schalter mit einer hohen Seite des Eingangsanschlusses zu koppeln. In ähnlicher Weise kann der Hilfsinduktor dazu ausgelegt sein, einen Mittelpunkt zwischen dem Hilfs-High-Side-Schalter und dem Hilfs-Low-Side-Schalter mit einer hohen Seite des Eingangsanschlusses zu koppeln. Eine niedrige Seite des Eingangsanschlusses kann mit der niedrigen Seite des Ausgangsanschlusses gekoppelt sein. An sich können der Basisschaltumsetzer und der Hilfsschaltumsetzer einen Hochsetz-Boost-Typ-Umsetzer umfassen, wodurch ein Hochsetz-Multiphasen-Leistungsumsetzer bereitgestellt wird. In dem Fall eines solchen Hochsetz-Typ-Schaltumsetzers kann der Satz von Konfigurationsschaltern dazu ausgelegt sein, den Hilfsinduktor (direkt) mit dem Eingangsanschluss zu koppeln oder den Hilfsinduktor (direkt) mit dem Basisinduktor zu koppeln.
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Alternativ können die Basisschaltzelle und die Hilfsschaltzelle zwischen dem Eingangsanschluss (der hohen Seite davon) und dem Ausgangsanschluss (der hohen Seite davon) angeordnet sein. Insbesondere können die Basisschaltzelle und die Hilfsschaltzelle jeweils einen Eingangsschalter und einen Ausgangsschalter umfassen, die zwischen einer hohen Seite des Eingangsanschlusses und einer hohen Seite des Ausgangsanschlusses angeordnet sind. Darüber hinaus kann der Basisinduktor dazu ausgelegt sein, einen Mittelpunkt zwischen dem Basiseingangsschalter und dem Basisausgangsschalter mit einer niedrigen Seite des Eingangsanschlusses und des Ausgangsanschlusses zu koppeln (die typischerweise direkt miteinander gekoppelt sind). In ähnlicher Weise kann der Hilfsinduktor dazu ausgelegt sein, einen Mittelpunkt zwischen dem Hilfseingangsschalter und dem Hilfsausgangsschalter mit der niedrigen Seite des Eingangsanschlusses und des Ausgangsanschlusses zu koppeln. An sich können der Basisschaltumsetzer und der Hilfsschaltumsetzer Inverter umfassen, wodurch ein invertierender Multiphasen-Leistungsumsetzer bereitgestellt wird. In dem Fall eines solchen Inverter-Typ-Schaltumsetzers kann der Satz von Konfigurationsschaltern dazu ausgelegt sein, den Hilfsinduktor mit Masse zu koppeln oder den Hilfsinduktor direkt mit dem Basisinduktor zu koppeln.
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Alternativ kann der Basisschaltumsetzer eine erste Basisschaltzelle umfassen und der Hilfsschaltumsetzer eine erste Hilfsschaltzelle umfassen, die parallel zu dem Eingangsanschluss (zwischen der hohen Seite und der niedrigen Seite des Eingangsanschlusses) angeordnet sind. Weiterhin kann der Basisschaltumsetzer eine zweite Basisschaltzelle umfassen und der Hilfsschaltumsetzer eine zweite Hilfsschaltzelle umfassen, die parallel zu dem Ausgangsanschluss (zwischen der hohen Seite und der niedrigen Seite des Ausgangsanschlusses) angeordnet sind. Darüber hinaus kann der Basisinduktor dazu ausgelegt sein, einen Mittelpunkt der ersten Basisschaltzelle mit einem Mittelpunkt der zweiten Basisschaltzelle zu koppeln. In ähnlicher Weise kann der Hilfsinduktor dazu ausgelegt sein, einen Mittelpunkt der ersten Hilfsschaltzelle mit einem Mittelpunkt der zweiten Hilfsschaltzelle zu koppeln. An sich können der Basisschaltumsetzer und der Hilfsschaltumsetzer Tiefsetz-Hochsetz-(Buck-Boost-)Typ-Umsetzer umfassen, wodurch ein Tiefsetz-Hochsetz-Multiphasen-Leistungsumsetzer bereitgestellt wird. In dem Falle eines solchen Tiefsetz-Hochsetz-Typ-Schaltumsetzers kann der Satz von Konfigurationsschaltern dazu ausgelegt sein, den Hilfsinduktor mit den Mittelpunkten der Hilfsschaltzellen des Hilfsschaltumsetzers zu koppeln oder den Hilfsinduktor direkt mit dem Basisinduktor zu koppeln.
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Der Controller kann dazu ausgelegt sein, den Basisschaltumsetzer und/oder den Hilfsschaltumsetzer so zu steuern, dass eine Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss auf eine Sollspannung reguliert wird.
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Der Multiphasen-Leistungsumsetzer kann ferner einen zweiten Basisschaltumsetzer mit einem zweiten Basisinduktor umfassen. Der zweite Basisschaltumsetzer ist dazu ausgelegt, Leistung zwischen dem Eingangsanschluss und einem zweiten Ausgangsanschluss umzusetzen. Daher kann der Multiphasen-Leistungsumsetzer dazu ausgelegt sein, Leistung an zwei getrennten Ausgangsanschlüssen unter Verwendung von zwei separaten Basisschaltumsetzern bereitzustellen.
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Der Satz von Konfigurationsschaltern kann dazu ausgelegt sein, den Hilfsanschluss (direkt) mit dem Ausgangsanschluss oder (direkt) mit dem zweiten Ausgangsanschluss zu koppeln (in einer sich gegenseitig ausschließenden Weise). Darüber hinaus kann der Satz von Konfigurationsschaltern dazu ausgelegt sein, den Hilfsinduktor (direkt) in Reihe mit dem Basisinduktor oder (direkt) in Reihe mit dem zweiten Basisinduktor zu schalten. Daher kann der Hilfsschaltumsetzer dazu verwendet werden, Leistung an den (ersten) Ausgangsanschluss oder den zweiten Ausgangsanschluss zu liefern. Darüber hinaus kann der Hilfsinduktor verwendet werden, um die effektive Induktivität in Verbindung mit dem (ersten) Basisinduktor oder in Verbindung mit dem zweiten Basisinduktor zu erhöhen. Dies kann für Tiefsetz-Typ-Schaltumsetzer, für Hochsetz-Typ-Schaltumsetzer, für Tiefsetz-Hochsetz-Typ-Schaltumsetzer und/oder für Inverter-Typ-Schaltumsetzer unter Verwendung eines entsprechenden Satzes von Konfigurationsschaltern erreicht werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Multiphasen-Leistungsumsetzer einen zweiten Hilfsschaltumsetzer mit einem zweiten Hilfsinduktor umfassen, wobei der zweite Hilfsschaltumsetzer dazu ausgelegt ist, Leistung zwischen dem Eingangsanschluss und einem zweiten Hilfsanschluss umzusetzen. Der Satz von Konfigurationsschaltern kann dazu ausgelegt sein, den zweiten Hilfsanschluss (direkt) mit dem Ausgangsanschluss zu koppeln (für Bedingungen mit relativ hoher Last an dem Ausgangsanschluss). Der Satz von Konfigurationsschaltern kann außerdem dazu ausgelegt sein, den zweiten Hilfsinduktor (direkt) in Reihe mit dem Basisinduktor zu schalten (zum Erhöhen der effektiven Induktivität bei Bedingungen mit relativ niedriger Last an dem Ausgangsanschluss).
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Im Fall eines zweiten Basisschaltumsetzers kann die zweite Hilfsphase zudem mit dem zweiten Basisschaltumsetzer in analoger Weise kombiniert werden (in einer parallelen Anordnung der Schaltumsetzer oder in einer Reihenanordnung der Induktoren).
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Dies kann unter Verwendung eines geeigneten Satzes von Konfigurationsschaltern erreicht werden, wenn ein Tiefsetz-Typ-Schaltumsetzer, ein Hochsetz-Typ-Schaltumsetzer, ein Tiefsetz-Hochsetz-Typ-Schaltumsetzer und/oder ein Inverter-Typ-Schaltumsetzer als ein zweiter Hilfsschaltumsetzer verwendet wird.
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Darüber hinaus kann der Satz von Konfigurationsschaltern dazu ausgelegt sein, den zweiten Hilfsinduktor (direkt) in Reihe mit dem Hilfsinduktor zu schalten. Insbesondere kann eine Reihenanordnung des zweiten Hilfsinduktors, des (ersten) Hilfsinduktors und des Basisinduktors für eine weitere Erhöhung der effektiven Induktanz bei Bedingungen mit niedriger Last erstellt werden. Dies kann in analoger Weise für einen zweiten Schaltumsetzer gelten.
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Der Basisschaltumsetzer und der Hilfsschaltumsetzer können jeweils einen oder mehrere der Folgenden umfassen: einen Tiefsetzsteller, einen Hochsetzsteller, einen Inverter und/oder einen Tiefsetz-/Hochsetzsteller. Ein geeigneter Satz von Konfigurationsschaltern kann bereitgestellt werden, um einen Wechsel zwischen einer Parallel- und einer Reihenanordnung der Induktoren zu ermöglichen, wenn verschiedene Typen von Schaltumsetzern verwendet werden.
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Das Basisschaltumsetzer und die Hilfsschaltumsetzer können in einer verschachtelten bzw. verschränkten (interleaved) Weise betrieben werden, wenn der Hilfsanschluss mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist, wodurch eine Stromstärke- und Spannungswelligkeit reduziert wird.
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Der Multiphasen-Leistungsumsetzer kann einen Eingangskondensator, der parallel zu dem Eingangsanschluss angeordnet ist, und/oder einen Ausgangskondensator, der parallel zu dem Ausgangsanschluss angeordnet ist, um eine Stromstärke- und Spannungswelligkeit zu reduzieren, umfassen.
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Insgesamt ist zu beachten, dass ein Multiphasen-Leistungsumsetzer 1, 2, 3 oder mehr Basisschaltumsetzer (für unterschiedliche Ausgangsspannungen/Ausgangsanschlüsse) und/oder 1, 2, 3 oder mehr Hilfsschaltumsetzer umfassen kann. Die Hilfsschaltumsetzer können mit einem beliebigen der Basisschaltumsetzer parallel geschaltet sein. Darüber hinaus können die Hilfsinduktoren der Hilfsschaltumsetzer mit einem beliebigen der Basisinduktoren der Basisschaltumsetzer in Reihe geschaltet sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Umsetzen von Leistung zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss eines Leistungsumsetzers beschrieben. Der Leistungsumsetzer umfasst einen Basisschaltumsetzer, der einen Basisinduktor umfasst, wobei der Basisschaltumsetzer dazu ausgelegt ist, Leistung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss umzusetzen. Der Leistungsumsetzer umfasst ferner einen Hilfsschaltumsetzer, der einen Hilfsinduktor umfasst, wobei der Hilfsschaltumsetzer dazu ausgelegt ist, Leistung zwischen dem Eingangsanschluss und einem Hilfsanschluss umzusetzen.
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Das Verfahren umfasst: Bestimmen einer Ausgangsleistung, die an dem Ausgangsanschluss bereitgestellt werden soll; Koppeln des Hilfsanschlusses mit dem Ausgangsanschluss, wenn die Ausgangsleistung größer als eine Leistungsschwelle ist; und In-Reihe-Schalten des Hilfsinduktors mit dem Basisinduktor, wenn die Ausgangsleistung geringer als die Leistungsschwelle ist.
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Ferner kann eine mittlere Leistungsschwelle betrachtet werden, um den Leistungsverbrauch in einer gleichmäßigen Art und Weise an die gewünschte Ausgangsleistung anzupassen, wobei die mittlere Leistungsschwelle kleiner als die Leistungsschwelle ist. Der Hilfsanschluss kann mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt werden, wenn die Ausgangsleistung größer als die Leistungsschwelle ist; der Hilfsanschluss kann (komplett) von dem Ausgangsanschluss (und von dem Basisinduktor) entkoppelt werden, wenn die Ausgangsleistung kleiner als die Leistungsschwelle und größer als die mittlere Leistungsschwelle ist. Darüber hinaus kann der Hilfsinduktor mit dem Basisinduktor in Reihe geschaltet werden, wenn die Ausgangsleistung geringer als die mittlere Leistungsschwelle ist.
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In dem vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff ”koppeln” oder ”gekoppelt” auf Elemente, die in elektrischer Kommunikation miteinander sind, seien sie beispielsweise über Drähte direkt oder in irgendeiner anderen Weise verbunden.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Erfindung wird nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
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1 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Multiphasen-Tiefstell-Leistungsumsetzers zeigt;
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2 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Multiphasen-Leistungsumsetzers mit mehreren Ausgangsschienen zeigt;
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3 ein Blockdiagramm eines beispielhaften Multiphasen-Leistungsumsetzers mit mehreren Hilfsphasen zeigt;
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4 ein Blockdiagramm eines weiteren beispielhaften Multiphasen-Leistungsumsetzers mit mehreren Hilfsphasen zeigt; und
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5 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Bereitstellen einer Laststromstärke an einem Ausgang eines Leistungsumsetzers zeigt.
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Genaue Beschreibung
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Wie oben dargelegt, richtet sich das vorliegende Dokument auf ein Bereitstellen eines kompakten Leistungsumsetzers, der über einen weiten Bereich von Laststromstärken effizient arbeitet.
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Ein möglicher Ansatz zum Bereitstellen von Leistungsumsetzern für relativ weite Bereiche von Laststromstärken ist die Verwendung von Multiphasen-Leistungsumsetzern. Ein Multiphasen-Leistungsumsetzer ist eine Anordnung von Schaltleistungsumsetzern mit Ausgängen, die parallel geschaltet sind. Multiphasen-Umsetzer können ihre Phasen in einer verschachtelten bzw. verschränkten (interleaved) Weise schalten, wodurch eine Auslöschung einer Ein- und Ausgangsstromwelligkeit implementiert wird, um reduzierte Ein- und Ausgangskapazitäten zu ermöglichen.
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Zum Erhöhen des Wirkungsgrades können alle Phasen eines Multiphasen-Umsetzers nur zu Zeitpunkten aktiviert werden, wenn eine maximale Ausgangsstromstärke angefordert wird. Einzelne Phasen können bei reduzierten Lasten über Prozessorbefehle (Anschlussebene, Befehlsschnittstelle) oder durch den Controller des Multiphasen-Umsetzers, der autonom die Gesamtausgangsstromstärke überwacht, dynamisch deaktiviert werden. Diese Phasenabschaltung hilft dabei, einen hohen Umsetzungswirkungsgrad über einen erhöhten Ausgangsstromstärkenbereich zu halten, da dann, wenn eine relativ niedrige Stromstärke innerhalb einer aktivierten Phase des Leistungsumsetzers erreicht wird, die Umsetzerverlustleistung durch die Schaltverluste der aktivierten Phasen dominiert wird.
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Moderne Prozessor-IC-Baugruppen können mehrere Versorgungsschienen implementieren, die einzeln mit einer Teilmenge der verschiedenen Prozessorkerne des Prozessors verbunden sind und daher eine Mehrschienen-Leistungsverwaltungs-Topologie erfordern. Die Wärmebewältigungsfähigkeit der IC-Baugruppe und der batteriebetriebenen Anwendung kann niedriger sein als die Summe der maximalen Leistung, die individuell aus jeder Prozessorversorgungsschiene entnommen wird. Dies bedeutet, dass nur eine Teilmenge der Prozessorkerne zu einem bestimmten Zeitpunkt bei maximaler Leistung laufen kann (beispielsweise die CPU, also die zentrale Verarbeitungseinheit), wobei andere Prozessorkerne (z. B. die GPU, also die graphische Verarbeitungseinheit) entweder ausgeschaltet sind oder bei reduzierter Leistung laufen. Alternativ können alle Prozessorkerne (z. B. CPU und GPU) eine mittlere Stromstärke beziehen, die unterhalb ihrer maximalen Eingangsstromstärke pro Schiene liegt.
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Durch Deaktivieren der Phasen in einem Multiphasen-Umsetzer wird die Welligkeitsaufhebung schrittweise verringert, wodurch eine höhere Ein- und Ausgangsspannungswelligkeit ausgelöst wird. Für eine bestimmte Kombination von Eingangs- zu Ausgangsspannung und eine gegebene Induktivität kann eine niedrige Stromwelligkeit typischerweise während des Phasenabschaltens nur durch Erhöhen der Schaltfrequenz einer Phase beibehalten werden. Dies führt jedoch zu höheren Schaltverlusten und reduziert die Wirkungsgradsteigerung aus dem Abschalten von Phasen erhalten.
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Im Folgenden sind Multiphasen-Spannungs-Tiefstellumsetzer (Tiefsetz-Umsetzer) beschrieben, die dazu ausgelegt sind, selbst bei relativ niedrigen Laststromstärken hocheffizient zu bleiben. Es ist zu beachten, dass die Architekturen, die beschrieben sind, in ähnlicher Weise für Multiphasen-Hochstell-(Hochsetz-), Tiefsetz-Hochsetz- und/oder Inverter-Umsetzer gelten. Insbesondere sind die beschriebenen Topologien für alle Anwendungen von Vorteil, die bei geringen Lasten eine Gleichstrom-Gleichstrom-Leistungsumsetzung mit hohem Wirkungsgrad erfordern, insbesondere wenn wegen Platzbeschränkungen die erforderliche maximale Ausgangsstromstärke pro Schiene nicht über einen einzigen Induktor bereitgestellt werden kann.
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Daher sind Multiphasen-Schaltleistungsumsetzer mit erhöhtem Niederlastwirkungsgrad beschrieben. Der erhöhte Wirkungsgrad kann über reduzierte Induktorstromwelligkeit und/oder über reduzierte Umsetzerschaltfrequenz erreicht werden. Darüber hinaus kann die Stückliste (BOM) der beschriebenen Umsetzer reduziert werden, um dadurch die Größe der Leistungsumsetzer zu reduzieren.
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Die induktiven Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzer, die im Folgenden beschrieben sind, umfassen mehrere Induktoren, von denen mindestens einer eine konfigurierbare Reihenschaltung mit einem zweiten Induktor ermöglicht. Die Ausgänge der Phasen eines Multiphasen-Umsetzers können bei Bereitstellung von hohen Ausgangsstromstärken parallel geschaltet werden (um Widerstandsverluste zu minimieren) und die Induktoren von zumindest einigen der Phasen können in Reihe geschaltet werden, wenn Phasen unter Niederlastbedingungen abgeschaltet werden (um Schaltverluste zu minimieren). Als Ergebnis der Reihenschaltung von schaltenden Induktoren bei Niederlaststrom-Bereitstellung kann eine Stromwelligkeit verringert werden.
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines beispielhaften Gleichstrom-Gleichstrom-Multiphasen-Leistungsumsetzers 100 mit einer Basisphase 110 und einer Hilfsphase 120. Jede Phase 110, 120 umfasst eine Halbbrücke oder Schaltzelle (mit Schaltern S1, S2 bzw. Schaltern S3, S4) und einen Induktor 111, 121. Ferner umfasst der Umsetzer 100 einen Eingangskondensator 101, der mit dem Eingang (oder Eingangsanschluss) des Umsetzers 100 parallel angeordnet ist (d. h. mit der Eingangsspannung 103 parallel angeordnet ist), und einen Ausgangskondensator 102, der mit dem Ausgang (oder Ausgangsanschluss) des Umsetzers 100 parallel angeordnet ist (d. h. mit der Ausgangsspannung 104 parallel angeordnet ist). An dem Eingang 105 wird eine Eingangsstromstärke bezogen (beispielsweise aus einer Batterie) und an dem Ausgang wird eine Ausgangsstromstärke 106 (oder Laststromstärke) von dem Umsetzer 100 bereitgestellt. Ein Induktor 111, 121 einer Phase 110, 120 weist eine Induktorspannung 112, 122 auf und stellt eine Induktorstromstärke 113, 123 bereit.
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Der Umsetzer 100 umfasst Konfigurationsschalter S5, S6, die dazu ausgelegt sind, die Phasen 110, 120 und insbesondere die Induktoren 111, 121 der Phasen 110, 120 in Abhängigkeit von dem Lastzustand des Umsetzers 100 neu anzuordnen. Insbesondere kann der Konfigurationsschalter S6 geschlossen werden (während der Schalter S5 geöffnet ist), um die Phasen 110, 120 parallel zu schalten. Diese Anordnung kann bei einem Zustand mit relativ hoher Last verwendet werden.
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Auf der anderen Seite kann der Konfigurationsschalter S5 geschlossen werden (während der Schalter S6 geöffnet ist), um den Hilfsinduktor 121 der Hilfsphase 120 mit dem Basisinduktor 111 der Basisphase 110 in Reihe zu schalten. Diese Anordnung kann bei einem Zustand mit relativ geringer Last verwendet werden. Auf diese Weise kann die effektive Induktivität der Hilfsphase 120 erhöht werden, um der Induktivität der Reihenschaltung des Basisinduktors 111 und des Hilfsinduktors 121 zu entsprechen, wodurch eine kombinierte Phase bereitgestellt wird, die die Halbbrücke S3, S4 und die Reihenschaltung von Induktoren 111, 121 umfasst. Die Schalter S1, S2 können offen gehalten werden.
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Bei mittleren Lastbedingungen können beide Schalter S5 UND S6 in Kombination mit den Schaltern S3 und S4 geöffnet werden, so dass der Strom nur durch den Basisschaltumsetzer (S1 und S2) bereitgestellt wird.
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Der Umsetzer 100 kann einen Controller (nicht in 1 gezeigt) umfassen, der dazu ausgelegt ist, den Lastzustand des Umsetzers 100 zu bestimmen. Weiterhin kann der Controller dazu ausgelegt sein, die Phasenschalter S1, S2, S3, S4 und die Konfigurationsschalter S5, S6 in Abhängigkeit von dem Lastzustand zu steuern. Wenn ein Hochlastzustand detektiert wird, können die Konfigurationsschalter S5, S6 eingestellt werden, um die Basis- und Hilfsphase 110, 120 parallel zu schalten, und die Phasenschalter S1, S2, S3, S4 können gesteuert werden, um die Basis- und Hilfsphase 110, 120 zu betrieben, um parallel Leistung an den Ausgang des Umsetzers 100 zu liefern. Die Basis- und Hilfsphase 110, 120 werden vorzugsweise in einer verschachtelten bzw. verschränkten (interleaved) Art und Weise betrieben.
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Darüber hinaus kann der Controller dazu ausgelegt sein, die Konfigurationsschalter S5, S6 so einzustellen, dass der Hilfsinduktor 121 und der Basisinduktor 111 in Reihe geschaltet werden, wenn ein Zustand mit relativ niedriger Last detektiert wird. Darüber hinaus können die Phasenschalter S1, S2 so eingestellt werden, dass sie offen bleiben, und die Phasenschalter S3, S4 so betrieben werden, dass die kombinierte Phase (d. h. der kombinierte Schaltumsetzer) S3, S4, 121, 111 Leistung an den Ausgang des Umsetzers 100 liefert.
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Mit anderen Worten kann der Controller bei hoher Ausgangsstromstärke S6 (wenn S5 offen ist) schließen und kann die Basisphase 110 mit der Hilfsphase 120 parallel schalten. Die effektive Umsetzerinduktivität ist ähnlich zum Parallelschalten des Basisinduktors L1 111 mit dem Hilfsinduktor L2 121, was für L1 = L2 L1/2 ergibt, wodurch ein verbessertes Übergangs-Lastverhalten ermöglicht wird. In dem Falle eines verschachtelten bzw. verschränkten (interleaved) Betriebs der Phasen (180° phasenverschoben) kann die Stromwelligkeit aufgehoben werden.
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Wenn die Last auf mittlere Lastbedingungen reduziert ist, kann die Hilfsphase 120 deaktiviert werden (beispielsweise können die Phasenschalter S3 und S4 und/oder S5 und S6 geöffnet gehalten werden), wodurch ein relativ hoher Umwandlungswirkungsgrad beibehalten wird, indem die Umsetzerschaltverluste halbiert werden (während die Durchlasswiderstandsverluste (Rdson-Verluste) steigen, während die Stromstärke durch die verbleibende Basisphase 110 verdoppelt wird, und während Eingangs- und Ausgangsspannungswelligkeit steigen). Die Spannungswelligkeit kann durch Verdoppeln der Schaltfrequenz niedrig gehalten werden, aber dies würde die Schaltverluste wieder erhöhen.
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Alternativ zum vollständigen Deaktivieren der Hilfsphase 120 kann der Basisinduktor 111 aus einer deaktivierten Basisphase 110 mit einer oder mehreren Phasen 120, die aktiv bleiben, in Reihe geschaltet werden. Diese Induktor-Reihenschaltung kann z. B. für Niederlastbedingungen eingesetzt werden, wobei die Deaktivierung der Hilfsphase 120 für mittlere Lastbedingungen verwendet werden kann. Für L1 = L2 verdoppelt diese Reihenschaltung die effektive Schaltinduktivität, wodurch eine Induktor-Stromwelligkeit sowie Eingangs- und Ausgangsspannungswelligkeit halbiert werden. Wenn Welligkeitsauslöschung nicht im Fokus ist, (z. B. weil die Spannungswelligkeit durch relativ große Eingangs-/Ausgangskondensatoren 101, 102 begrenzt ist), kann die Induktor-Reihenschaltung alternativ eine reduzierte Schaltfrequenz (beispielsweise um 50% reduziert) ermöglichen, wodurch die Schaltverluste verringert werden.
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2 zeigt einen beispielhaften Multiphasen-Leistungsumsetzer 100 mit zwei Multiphasen-Ausgangsschienen (d. h. zwei Ausgangsanschlüssen) jeweils bei Ausgangsspannungen 104, 204. Insbesondere umfasst der Umsetzer 100 zwei jeweilige Basisphasen 110, 210 für zwei verschiedene Ausgangsspannungen 104, 204. Jede Basisphase 110, 210 liefert einen Ausgangsstrom 106, 206 an eine entsprechende Schiene/Ausgang. Zusätzlich umfasst jede Basisphase 110, 210 typischerweise jeweilige Ausgangskondensatoren 102, 202, die parallel zu der jeweiligen Schiene bzw. dem jeweiligen Ausgang angeordnet sind.
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Weiterhin umfasst der Umsetzer 100 eine Hilfsphase 120, die mittels der Konfigurationsschalter S7, S8, S9, S10 neu angeordnet werden kann. Durch Schließen des Schalters S8 (während die anderen Konfigurationsschalter S7, S9, S10 offen gehalten werden) kann die Hilfsphase 120 mit dem ersten Ausgang bzw. der ersten Basisphase 110 parallel geschaltet werden; durch Schließen des Schalters S9 (während die anderen Konfigurationsschalter S7, S8, S10 offen gehalten werden) kann die Hilfsphase 120 mit dem zweiten Ausgang bzw. der zweiten Basisphase 210 parallel geschaltet werden; durch Schließen des Schalters S7 (während die anderen Konfigurationsschalter S8, S9, S10 offen gehalten werden) kann der erste Basisinduktor 111 der ersten Basisphase 110 mit dem Hilfsinduktor 121 der Hilfsphase 120 in Reihe geschaltet werden; und/oder durch Schließen des Schalters S10 (während die anderen Konfigurationsschalter S7, S8, S9 offen gehalten werden) kann der zweite Basisinduktor 211 der zweiten Basisphase 210 mit dem Hilfsinduktor 121 der Hilfsphase 120 in Reihe geschaltet werden.
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Somit ist der Umsetzer 100 von 2 in der Lage, eine erhöhte Spitzenausgangsstromstärke zu liefern, und implementiert einen erhöhten Niederlast-Wirkungsgrad bei zwei verschiedenen Ausgangsschienen entweder durch Hinzufügen von Strom aus einer Basisphase 110, 210 in die Hilfsphase 120 (Schließen eines der Schalter S8 oder S9) oder durch In-Reihe-Schalten des Hilfsinduktors 121 mit entweder dem ersten Basisinduktor 111 oder dem zweiten Basisinduktor 210 (durch Schließen von S7 oder S10).
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Es ist zu beachten, dass eine Neukonfiguration der Induktoren 111, 211, 121 in der Regel zu einem Zeitpunkt durchgeführt werden sollte, zu dem die Stromstärke durch einen Induktor 111, 211, 121 auf Null heruntergefahren worden ist. Das muss für die Basisinduktoren 111, 211 nicht der Fall sein, bei denen die Induktorstromstärke vorübergehend durch paralleles Schließen von S7 und S8 (S9 und S10) zyklisch geschaltet werden kann, wenn der Hilfsinduktor 121 zwischen einer Reihen- und Parallelzuordnung umschaltet. Daher können die Konfigurationsschalter zum Kurzschließen der Enden eines Induktors 111, 211 verwendet werden.
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Falls beide Ausgangsschienen im PFM-Modus (Pulsfrequenzmodulations-Modus mit Diodenemulation, wenn die Induktorstromstärke null durchläuft) mit einem Tastgrad von weniger als 50% schalten, kann der Hilfsinduktor 121 alternativ in Reihe mit dem ersten Basisinduktor 111 und dem zweiten Basisinduktor 211 geschaltet werden und dadurch Strompulse mit reduzierter Welligkeit auf beiden Schienen liefern (wodurch die Niederlasteffizienz beider Schienen verbessert wird). Dieser Betriebsmodus wandelt die Hilfsphase 130 in einen Umsetzer mit einem Eingang und mehreren Ausgängen um, der mit zusätzlichen Basisphasen 110, 210 kombiniert wird, um einen Multiphasen-Multischienen-Umsetzer zu schaffen. An sich kann der Controller des Leistungsumsetzers 100 dazu ausgelegt sein, den Hilfsinduktor mit dem ersten Basisinduktor 111 oder dem zweiten Basisinduktor 211 in einer sich gegenseitig ausschließenden und alternierenden Weise in Reihe zu schalten.
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3 zeigt einen beispielhaften Leistungsumsetzer 100, der dazu ausgelegt ist, eine maximale Ausgangsstromstärke für mehrere Ausgänge/Schienen aus bis zu drei Phasen, die parallel angeordnet sein können, zu liefern. Der Umsetzer umfasst eine erste Hilfsphase 120 und eine zweite Hilfsphase 320. Unter Verwendung der Konfigurationsschalter S9 bis S11 kann die erste Hilfsphase 120 mit dem ersten Ausgang (mittels S10) oder mit dem zweiten Ausgang (mittels S11) parallel geschaltet werden. Ferner kann der erste Basisinduktor 111 mit dem ersten Hilfsinduktor 121 (mittels S9) in Reihe geschaltet werden. In ähnlicher Weise kann unter Verwendung der Konfigurationsschalter S12 bis S14 die zweite Hilfsphase 320 mit dem ersten Ausgang (mittels S12) parallel geschaltet werden oder mit dem zweiten Ausgang (mittels S13) parallel geschaltet werden. Ferner kann der zweite Basisinduktor 211 mit dem zweiten Hilfsinduktor 321 (mittels S14) in Reihe geschaltet werden. Die Schalter S9–S11 und S12–14 werden typischerweise in einer sich gegenseitig ausschließenden Weise geschlossen.
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Zwei vollständig getrennte Multiphasen-Umsetzer (jeweils für zwei Schienen) würden sechs Schaltzellen (d. h. Halbbrücken) mit sechs Induktoren erfordern, um die gleiche maximale Ausgangsstromstärke pro Schiene wie der Umsetzer 100 von 3 bereitzustellen. Der Umsetzer 100 von 3 benötigt nur vier Schaltzellen und vier Induktoren. Falls eine der Schienen keine Niederlast-Wirkungsgrad-Anforderungen hat, werden die Schalter S9 oder S14 möglicherweise nicht bereitgestellt. Das gleiche gilt für die Schalter S11 oder S12, falls eine der Ausgangsschienen maximale Ausgangsstromstärken erfordert, die bereits mit nur zwei Phasen geliefert werden können. Daher kann die Gesamt-BOM des Leistungsumsetzers 100 verringert werden.
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Es sollte beachtet werden, dass die Konfigurationsschalter S9 bis S14 zusätzliche Durchlasswiderstandsverluste einbringen können. Allerdings beeinflussen diese Durchlasswiderstandsverluste nur die Hilfsphasen 121, 321, wobei die Basisphasen 111, 211 nicht betroffen sind. Darüber hinaus sind in der Regel Multiphasen-Konfigurationen nur für hohe Ausgangsstromstärken erforderlich, die typischerweise nur für kurze Arbeitszyklen aktiviert sind, so dass die Durchlasswiderstandsverluste der Konfigurationsschalter in der Regel nur begrenzte Auswirkungen auf die Mobilitätszeit von batteriebetriebenen Anwendungen haben.
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Bei niedrigen Ausgangsstromstärken wird der Umsetzerwirkungsgrad typischerweise durch Schaltverluste dominiert. Wenn der Konfigurationsschalter S9 (und/oder S14) geschlossen wird, während die Schalter S1, S2, S10 und S11 (und/oder S3, S4, S12 und S13) geöffnet werden, werden zwei Induktoren 121, 111 (und/oder 321, 211) in Reihe geschaltet, so dass die effektive Schaltinduktivität, die Strom an den ersten Ausgang (und/oder den zweiten Ausgang) liefert, erhöht ist (z. B. verdoppelt). Dies verringert die Strom- und Spannungswelligkeit und/oder ermöglicht eine Reduzierung der Schaltfrequenz der Schaltzellen. Beide Änderungen verringern Schaltverluste (im Vergleich zu einer Nicht-Reihen-Induktor-Topologie), was im Wesentlichen den zusätzlichen DCR der Reihen-Induktoren 121, 111 (und/oder 321, 211) und den zusätzlichen Durchlasswiderstand der Konfigurationsschalter S9 (und/oder S14) aufwiegt.
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Die hier beschriebenen Umsetzer 100 umfassen Induktoren, die zu allen Zeiten verwendet werden können, und zwar entweder innerhalb einer jeweiligen Phase oder um die Induktivität von einer anderen Phase zu erhöhen. Auf diese Weise kann die BOM des Umsetzers 100 reduziert werden. Darüber hinaus kann ein hoher Wirkungsgrad durch die Verwendung von einzelnen Induktoren sichergestellt werden, wenn die verschiedenen Phasen getrennt (und direkt parallel zu einem Ausgang des Leistungsumsetzers 100) betrieben werden.
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Der hier beschriebene Umsetzer 100 umfasst typischerweise nur eine Anzahl von Phasen, die zum Bereitstellen einer maximalen Gesamtausgangsstromstärke erforderlich ist. Mit anderen Worten wird die Anzahl der Induktoren, die innerhalb des Umsetzers 100 bereitgestellt sind, in Übereinstimmung mit der maximalen Gesamtausgangsstromstärke gewählt. Zum Bereitstellen der maximalen Gesamtausgangsstromstärke werden alle Induktoren des Umsetzers 100 (direkt) mit einem der Ausgänge des Umsetzers 100 gekoppelt. Zur gleichen Zeit kann mindestens einer der Induktoren verwendet werden, um die Induktivität von mindestens einer Phase des Umsetzers 100 zu erhöhen, um den Wirkungsgrad bei Niederlastbedingungen zu steigern. Mit anderen Worten umfasst der Umsetzer 100 nur die Menge an Phasen (und Induktoren), die für die maximale Gesamtausgangsstromstärke erforderlich ist, verbessert aber den Niederlastwirkungsgrad über eine andere Anordnung der verfügbaren Induktoren.
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4 zeigt einen beispielhaften Multiphasen-Umsetzer 100, der die Reihenschaltung aller Induktoren ermöglicht, die nicht durch eine Phase verwendet werden. In dem Beispiel von 4 kann die zweite Schiene möglicherweise keinen hohen Niederlastwirkungsgrad erfordern (weil beispielsweise die GPU entweder ausgeschaltet ist oder eine hohe Stromstärke bezieht), so dass der zweite Hilfsinduktor 321 mit dem ersten Hilfsinduktor 121 (mittels S14) und dem ersten Basisinduktor 111 (mittels S9) zur weiteren Verringerung der Schaltfrequenz des Umsetzers 100 in Reihe geschaltet werden kann, wenn eine niedrige Ausgangsstromstärke an die erste Schiene geliefert wird.
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5 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 500 zum Umsetzen von Leistung zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss eines Leistungsumsetzers 100. Der Leistungsumsetzer 100 umfasst einen Basisschaltumsetzer 110 (im Folgenden auch als Basisphase bezeichnet), der einen Basisinduktor 111 umfasst. Der Basisschaltumsetzer 110 ist dazu ausgelegt, Leistung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss umzusetzen. Ferner umfasst der Leistungsumsetzer einen Hilfsschaltumsetzer 120 (auch als Hilfsphase bezeichnet), der einen Hilfsinduktor 121 umfasst. Der Hilfsschaltumsetzer 120 ist dazu ausgelegt, Leistung zwischen dem Eingangsanschluss und einem Hilfsanschluss umzusetzen.
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Das Verfahren 500 umfasst ein Bestimmen 501 einer Ausgangsleistung, die an dem Ausgangsanschluss bereitgestellt werden soll. Weiterhin umfasst das Verfahren 500 ein Koppeln 502 des Hilfsanschlusses (direkt) mit dem Ausgangsanschluss, wenn die Ausgangsleistung größer als eine Leistungsschwelle ist. Zusätzlich umfasst das Verfahren 500 ein In-Reihe-Schalten 503 des Hilfsinduktors 121 und des Basisinduktors 111, wenn die Ausgangsleistung geringer als die Leistungsschwelle ist.
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Ferner kann eine mittlere Leistungsschwelle in Betracht gezogen werden, um den Leistungsverbrauch in einer gleichmäßigen Art und Weise an die gewünschte Ausgangsleistung anzupassen, wobei die mittlere Leistungsschwelle kleiner als die Leistungsschwelle ist. Der Hilfsanschluss kann mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt werden, wenn die Ausgangsleistung größer als die Leistungsschwelle ist, und der Hilfsanschluss kann (vollständig) von dem Ausgangsanschluss (und von dem Basisinduktor) entkoppelt werden, wenn die Ausgangsleistung kleiner als die Leistungsschwelle und größer als die mittlere Leistungsschwelle ist. Darüber hinaus kann der Hilfsanschluss mit dem Basisinduktor gekoppelt werden, so dass der Hilfsinduktor und der Basisinduktor in Reihe geschaltet sind, wenn die Ausgangsleistung geringer als die mittlere Leistungsschwelle ist.
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Multiphasen-Umsetzer können eine oder mehrere Phasen während der Bereitstellung von niedriger Ausgangsstromstärke abschalten. Eine solche Phasenabschaltung erhöht eine Ausgangsspannungswelligkeit oder verhindert eine Reduzierung der Schaltfrequenz. Die hier beschriebenen Umsetzer 100 verwenden Induktoren von abgeschalteten Phasen wieder, um die Induktivität bei der Bereitstellung von niedriger Ausgangsstromstärke zu erhöhen, wodurch eine Induktorstromwelligkeit und eine Ausgangsspannungswelligkeit für eine gegebene Ausgangskapazität 102 verringert wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Schaltfrequenz verringert werden, wodurch die Schaltverluste reduziert werden. Die erhöhte Induktivität für die Bereitstellung von niedriger Ausgangsstromstärke wird durch die Wiederverwendung von Induktoren erreicht, ohne spezielle Spulen mit hoher Induktivität zu erfordern, wodurch platzsparende Umsetzer 100 bereitgestellt werden.
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Es ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme veranschaulichen. Fachleute auf dem Gebiet sind in der Lage, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, obwohl sie hier nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Gedanken und Umfang enthalten sind. Darüber hinaus sollen alle Beispiele und Ausführungsformen, die im vorliegenden Dokument dargelegt sind, in erster Linie ausdrücklich nur Erläuterungszwecken dienen, um dem Leser dabei zu helfen, die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu verstehen. Ferner sollen alle Aussagen hier, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung sowie spezifische Beispiele davon bereitstellen, Äquivalente davon umfassen.
