DE102015221223A1

DE102015221223A1 - Spannungsumsetzer mit asymmetrischen Gate-Spannungen

Info

Publication number: DE102015221223A1
Application number: DE102015221223.8A
Authority: DE
Inventors: Mark Childs
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2015-09-04
Filing date: 2015-10-29
Publication date: 2017-03-09
Also published as: US9735678B2; US20170070147A1

Abstract

Es wird eine hocheffiziente Spannungsumsetzungs-Schaltungsvorrichtung sowohl mit asymmetrischen als auch symmetrischen Gate-Spannungen geschaffen, um einen hohen Wirkungsgrad für niedrige und mittlere Laststromstärken durch die asymmetrische Gate-Spannungssteuerung und einen hohen Wirkungsgrad für hohe Laststromstärken durch die symmetrische Gate-Spannungssteuerung zu erzielen. Die Vorrichtung umfasst eine Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit, Gate-Spannungs-Ansteuerschaltungen, die mit der Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit verbunden sind, Mehrphasenschalter, die mit den Ansteuerschaltungen für asymmetrische Gate-Spannungen verbunden sind, usw. Die Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit umfasst eine Spannungsreferenzschaltungseinheit, die die Referenzspannung für die Zwischenspannungserzeugung bereitstellt, eine aktive Strom-Pull-Down-Schaltungseinheit, einen Strom-Pull-Up, der durch einen hochohmigen Widerstand geliefert wird, und einen Ladungsspeicherkondensator.

Description

Gebiet
Die Offenlegung bezieht sich allgemein auf variable Abwärtsumsetzer, Spannungsregler und Verfahren und insbesondere darauf, wie der Wirkungsgrad und das Ansprechverhalten der Abwärtsumsetzer und Spannungsregler zu steuern ist, und ein Verfahren dazu.
Hintergrund
Abwärtsumsetzer sind Schaltspannungsregler, die in einem Tiefsetzverfahren arbeiten, um eine Spannungsausgabe zu liefern, die kleiner als die Eingangsspannung ist. Dies wird erreicht, indem bewirkt wird, dass sich die Schaltungstopologie ändert, indem Halbleitervorrichtungen ein- und ausgeschaltet werden. Es wird ein Signalschalten verwendet, um Energien in Induktoren zu übertragen. Es wird ein Tiefpassfilterschema verwendet, um Hochfrequenzoberschwingungen zu beseitigen, um eine relativ konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten und die Welligkeit der Ausgabe zu reduzieren.
Typischerweise verwenden Abwärtsumsetzer eine Rückkopplungsschaltung, um die Ausgangsspannung in Gegenwart von Laständerungen zu regulieren. Sie sind auf Kosten zusätzlicher Komponenten und Komplexität effizienter. Abwärtsumsetzer können sehr kompakt gefertigt werden. Daher werden sie häufig für mobile Vorrichtungen, Leiterplatten und auch in integrierten Schaltungsbaugruppen verwendet.
Ein Beispiel einer bekannten Abwärtsumsetzerschaltung 500 ist in einem Schaltungsblockdiagramm in 5 dargestellt. Die Schaltung 500 umfasst ein Paar komplementärer Schalter SW1 und SW2, ein Ansteuerschalterpaar SW11 und SW12, ein Ansteuerschalterpaar SW21 und SW22 und Phasenansteuerungspuffer 570 und 572.
Die Phasensteuersignale V_C1 und V_C2 sind zueinander komplementär. V_C1 ist mit dem Eingang des Puffers 570 gekoppelt, während V_C2 mit dem Eingang des Puffers 572 gekoppelt ist. Der P-Typ-Schalter SW11 und der N-Typ-Schalter SW12 bilden einen komplementären Schalter. Ihr Eingang 540 ist mit dem Ausgang von 570 gekoppelt. Ihr Ausgang 538 ist mit dem Gate des P-Typ-Schalters SW1 gekoppelt. Der P-Typ-Schalter SW21 und der N-Typ-Schalter SW22 bilden einen komplementären Schalter. Ihr Eingang 550 ist mit dem Ausgang von 572 gekoppelt. Ihr Ausgang 548 ist mit dem Gate des N-Typ-Schalters SW2 gekoppelt. Die Schalter SW1 und SW2 bilden einen komplementären Schalter mit dem Ausgang 516. 516 ist in der Regel mit einem Ausgangsinduktor verbunden und die Ausgabe des Induktors wird in der Regel durch einen Kondensator gefiltert.
Bei dem herkömmlichen Abwärtsumsetzer, wie er in 6 gezeigt ist, ist, um SW1 anzusteuern, der Drain des P-Typ-Schalters SW11 mit der Spannung V_IN gekoppelt, während die Source des N-Typ-Schalters SW12 mit der gemeinsamen Masse V_COM verbunden ist. Um SW2 anzusteuern, ist der Drain des P-Typ-Schalters SW21 mit der Spannung V_IN gekoppelt, während die Source des N-Typ-Schalters SW22 mit der gemeinsamen Masse V_COM gekoppelt ist. Der Spannungsdynamikbereich des Schalters SW1 und SW2 reicht von V_IN bis V_COM.
Die Hauptquellen der Verlustleistung in einem Abwärtsumsetzer sind Widerstandsverluste, Schaltverluste, magnetische Verluste in dem Induktor, der mit dem Ausgang V_LX gekoppelt ist, und Widerstandsverluste in dem Induktor, der mit dem Ausgang V_LX gekoppelt ist.
Die Widerstandsverluste in SW1 und SW2 sind in etwa proportional zu I²R, wobei R der Widerstand von SW1 und SW2 ist und I die Laststromstärke ist.
Die Schaltverluste werden durch Schalten von SW1 und SW2 verursacht. Gatekapazitäten von SW1 und SW2 werden während des Schaltens geladen oder entladen. Ein Aufladen eines Kondensators führt zwangsläufig dazu, dass die Hälfte der in dem Kondensator gespeicherten Energie verloren geht, sobald er geladen ist. Diese Verluste sind in etwa proportional zu CV², wobei C die Gatekapazität und V die Gate-Spannung ist.
Bei. niedrigen Ausgangsstromstärken dominieren tendenziell die Schaltverluste und die magnetischen Verluste. Wenn die Schaltfrequenz steigt, steigen die Schaltverluste. proportional. Bei Abwärtsumsetzern, die für sehr hohe Ausgangsstromstärken ausgelegt sind, dominieren Gate-Verluste tendenziell magnetische Verluste und beschränken letztlich den maximalen Wirkungsgrad, den Abwärtsumsetzer erreichen können.
Mehrphasen-Abwärtsumsetzer verwenden mehrere Phasen, um den Ausgangsstrom bereitzustellen. Jede Phase hat ihren eigenen Induktor und die Induktorenausgänge werden dann zusammen an dem Filterkondensator kurzgeschlossen. Diese Schaltungen bieten mehrere Vorteile gegenüber einem größeren einphasigen Abwärtsumsetzer. Sie sprechen typischerweise schneller mit höherer Bandbreite und niedrigerer Ausgangsimpedanz an.
In vielen Mehrphasen-Abwärtsumsetzern wird der Abwärtsumsetzer in zwei verschiedenen Modi betrieben: einem Niederstrom-Modus und einem Hochstrom-Modus. In dem Niederstrom-Modus wird der Abwärtsumsetzer oft mit weniger als der maximalen Anzahl von Phasen betrieben. In diesem Fall werden die übrigen Phasen nur eingeschaltet, sobald die Laststromstärke gestiegen ist.
Bei der vorliegenden Offenlegung sind die Abwärtsumsetzer-Wirkungsgrade für Niederlast- und Mittellast-Stromstärken ohne Beeinträchtigung des Hochlast-Wirkungsgrades weiter verbessert.
Zusammenfassung
Eine Hauptaufgabe der vorliegenden Offenlegung ist es, einen Schaltumsetzer bereitzustellen.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine hocheffiziente Spannungsumsetzungs-Schaltungsvorrichtung sowohl mit asymmetrischen als auch symmetrischen Gate-Spannungen bereitzustellen.
Eine andere weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den Wirkungsgrad der verschiedenen Schaltphasen oder verschiedenen Abwärtsumsetzer auf dem gleichen Chip zu verbessern.
Gemäß den Aufgaben dieser Offenlegung ist ein Schaltumsetzer verwirklicht. Die Vorrichtung umfasst eine Zwischenspannung, Gate-Spannungs-Ansteuerschaltungen, die sich die Zwischenspannung teilen, Mehrphasenschalter, die mit den Gate-Spannungs-Ansteuerschaltungen verbunden sind, wobei der Schaltumsetzer dazu in der Lage ist, die Gate-Spannung asymmetrisch zu machen, um niedrigere Schaltverluste und einen höheren Abwärtsumsetzer-Wirkungsgrad für niedrige und mittlere Laststromstärken bereitzustellen. Die Zwischenspannung ist dazu in der Lage, eine beliebige Zwischenspannung zwischen der Versorgungsspannung und der gemeinsamen Referenzmasse zu erzeugen, die die asymmetrische Gate-Spannung für die Gate-Ansteuerschaltungen bereitstellt. Gate-Ansteuerschaltungen, die sich die gleiche Zwischenspannung teilen, sind in der Lage, Gatekapazitätsverluste in Mehrphasenschaltern zu reduzieren, indem ihre Ausgangs-Gate-Spannung durch die Zwischenspannung reduziert wird, wobei die Gate-Ansteuerschaltungen, die sich die gleiche Zwischenspannung teilen, ferner Folgendes umfassen: mindestens zwei Paare von Mehrphasen-Eingangssignalen als Eingänge, mindestens zwei Paare komplementärer Schalterschaltungen, die mit Mehrphasen-Eingangssignalen verbunden sind, um mindestens ein Paar von Mehrphasen-Gate-Spannungen für folgende Mehrphasenschalter zu erzeugen, mindestens eine Zwischenspannung, die die beiden komplementären Schalterschaltungen verbindet, um die Gate-Spannungssymmetrie zu brechen und den Dynamikbereich der Gate-Spannungen zu verringern, und ein Paar von komplementären asymmetrischen Phasensignalen, die durch Ausgaben von zwei komplementären Schalterschaltungen als Gate-Ansteuerspannung gebildet werden. Die Mehrphasen-Eingangssignale sind in der Lage, die Schlafmodusphase zu erzeugen, wenn sie in Phase (0°) sind, die Synchronmodusphase zu erzeugen, wenn sie gegenphasig (180°) sind, oder andere Phasenbeziehungen zu erzeugen. Die Zwischenspannung ist in der Lage, asymmetrische Gate-Spannungen in den folgenden komplementären Schalterschaltungen zu erzeugen, und die resultierenden Gate-Spannungen von jeweils zwei Paaren komplementärer Schalterschaltungen werden asymmetrisch. Die Zwischenspannung ist in der Lage, den Schaltspannungsbereich des Gates zu reduzieren und dadurch den kapazitiven Verlust der folgenden Mehrphasenschalter zu verringern, um den Abwärtsumsetzer-Wirkungsgrad zu verbessern, wenn die Last niedrig oder mittel ist. Die Zwischenspannung ist der Zweckmäßigkeit halber so gewählt, dass sie die Hälfte der Versorgungsspannung ist, während auch eine andere beliebige Zwischenspannung gewählt werden kann und von mehreren Phasen oder mehreren Abwärtsumsetzern geteilt werden kann. Gate-Ansteuerschaltungen, die sich die gleiche Zwischenspannung teilen, können in den regulären Modus versetzt werden, wobei der Gate-Spannungsbereich zwischen der regulären Versorgungsspannung und der gemeinsamen Referenzspannung wiederhergestellt wird, um den hohen Wirkungsgrad des Abwärtsumsetzers für. hohe Laststromstärken aufrechtzuerhalten. Mehrphasenschalter, die mit Ansteuerschaltungen für asymmetrische Gate-Spannungen verbunden sind, sind dazu in der Lage, Mehrphasenschaltsignale für Spannungsschalterschaltungen oder Abwärtsumsetzer zu erzeugen, wobei die Mehrphasenschaltereinheit ferner ein Paar komplementärer Mehrphasenschalter, die mit Ausgängen der Ansteuerschaltungen für asymmetrische Gate-Spannungen verbunden sind, und ein Ausgangssignal an dem gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen dem Paar komplementärer Mehrphasenschaltertransistoren umfasst. Das Paar komplementärer Mehrphasenschalter ist in der Lage, Phasensignale an folgende mehrphasige Induktoren, Filterkondensatoren und Lastwiderstände zu erzeugen, wobei der Wirkungsgradverlust des Schalters proportional zu CV² ist, wobei C die Gatekapazität von Schaltern ist, während V der dynamische Bereich von Schaltspannungen ist. Das Paar komplementärer Mehrphasenschalter, das mit den Ansteuerschaltungen für asymmetrische Gate-Spannungen gekoppelt ist, haben asymmetrische Gate-Spannungen, die den dynamischen Bereich V von Schaltspannungen reduzieren, den Wirkungsgradverlust der Schalter proportional zu CV² reduzieren und dadurch einen höheren Abwärtsumsetzer-Wirkungsgrad für niedrige oder mittlere Laststromstärken erzielen. Der Schaltumsetzer kann in einer von mehreren Konfigurationen betrieben werden: nur die Niederlastphasen bei niedrigen Lasten, nur die Hochlastphase bei hohen Lasten oder nur die Niederlastphasen bei niedrigen Lasten, alle Phasen bei hohen Lasten, wobei Zweiteres für einen optimierten Abwärtsumsetzer-Wirkungsgrad bevorzugt ist. Der Schaltumsetzer kann für alle Formen von Schaltumsetzern umgesetzt sein, nicht nur für Abwärtsumsetzer und für verschiedene Abwärtsumsetzer auf dem gleichen Chip.
Ebenfalls gemäß den Aufgaben dieser Erfindung ist eine hocheffiziente Spannungsumsetzungs-Schaltungsvorrichtung sowohl mit asymmetrischen als auch symmetrischen Gate-Spannungen bereitgestellt, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit, Gate-Spannungs-Ansteuerschaltungen, die mit der Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit verbunden sind, Mehrphasenschalter, die mit den Ansteuerschaltungen für asymmetrische Gate-Spannungen verbunden sind, wobei die Spannungsumsetzungs-Schaltungsvorrichtung dazu in der Lage ist, den hohen Umsetzungswirkungsgrad für niedrige und mittlere Laststromstärken unter Verwendung asymmetrischer Gate-Spannungen und für hohe Laststromstärken unter Verwendung regulärer Gate-Spannungen zu erzielen. Die Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit ist in der Lage, die Versorgungsspannung zu verwenden, um eine stabile Zwischenspannung für die folgenden verbundenen Ansteuerschaltungen für asymmetrische Gate-Spannungen bereitzustellen, wenn die Laststromstärke niedrig oder mittel ist, wobei die Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit ferner umfasst: eine Spannungsreferenzschaltungseinheit, die die Referenzspannung für die Zwischenspannungserzeugung bereitstellt, eine aktive Strom-Pull-down-Schaltungseinheit, einen Strom-Pull-Up, der durch einen hochohmigen Widerstand geliefert wird, und einen Ladungsspeicherkondensator. Die Spannungsreferenzschaltungseinheit ist dazu in der Lage, eine Referenzspannung aus der Versorgungsspannung durch mehrere Widerstände, um die Referenzspannung für die Zwischenspannungserzeugung bereitzustellen, wenn die Laststromstärke niedrig oder mittel ist, und eine reguläre Spannungsschaltungseinrichtung für die Gate-Spannungs-Ansteuerschaltungen, wenn die Laststromstärke hoch ist, zu erzeugen. Die aktive Strom-Pull-Down-Schaltungseinheit ist in der Lage, die Ladungsspeicherung in dem Ladungsspeicherkondensator zu verringern und dadurch die Zwischenspannung, die von der Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit erzeugt wird, zu verringern, um zu vermeiden, dass die Zwischenspannung ansteigt, wobei die aktive Strom-Pull-Down-Schaltungseinheit ferner umfasst: einen Verstärker, der mit der Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung verbunden ist, und eine NMOS-Vorrichtung, wobei das Gate mit dem Ausgang des Verstärkers und der Drain mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist, wobei der Drain der NMOS-Vorrichtung auch mit dem Ladungsspeicherkondensator und dem Pull-Up-Widerstand verbunden ist. Der Strom-Pull-Up, der durch einen hochohmigen Widerstand geliefert wird, ist in der Lage, den Ladungsspeicherkondensator zu laden, um zu vermeiden, dass die Zwischenspannung zu stark abfällt, so dass die ausgegebene Zwischenspannung stabilisiert wird. Der Ladungsspeicherkondensator ist in der Lage, Ladungen aus den PMOS-Vorrichtungen der folgenden Gate-Spannungs-Ansteuerschaltungen zu speichern und Ladungen an die NMOS-Vorrichtungen der folgenden Gate-Spannungs-Ansteuerschaltungen zu liefern und eine stabile Zwischenspannung für die asymmetrische Gate-Spannungssteuerung bereitzustellen, wenn die Laststromstärke niedrig oder mittel ist. Der Ladungsspeicherkondensator liefert eine Zwischenspannung für die asymmetrische Gate-Spannungssteuerung (AGVC), wenn die Laststromstärke niedrig oder mittel ist, die durch die aktive Strom-Pull-Down-Schaltungseinheit und die Pull-Up-Schaltungseinheit in der Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit stabilisiert wird.
Ebenfalls gemäß den Aufgaben dieser Offenlegung ist ein Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrads verschiedener Schalterphasen oder verschiedener Abwärtsumsetzer auf demselben Chip verwirklicht. Das Verfahren umfasst: Entscheiden, ob ein Arbeitsmodus mit automatischer asymmetrischer Gate-Spannungssteuerung (AGVC) gemäß einem programmierbaren Befehl verwendet werden soll, Entscheiden, ob die AGVC verwendet werden soll, basierend auf dem Ausgangslastzustand, wenn der Arbeitsmodus mit automatischer AGVC gemäß dem programmierbaren Befehl festgelegt ist, Erzeugen der asymmetrischen Gate-Spannung durch eine Zwischenspannung für die Phasensteuereinheiten für asymmetrische Gate-Spannung, wenn die AGVC verwendet werden soll und niedrige Ausgangslasten angetroffen werden, Umgehen der Zwischenspannungserzeugung durch eine reguläre Referenzspannung für zwei Paare komplementärer Schaltersteuereinheiten, wenn die AGVC verwendet werden soll und hohe Ausgangslasten angetroffen werden, einen Algorithmus, der Ausgaben bei Lasten detektiert und sie in Befehlssignale für Eingänge der Gate-Spannungs-Controllereinheit umsetzt, um AGVC-Steuerungen für Mehrphasenschalter für niedrige, mittlere oder hohe Laststromstärken anzupassen, und Rückkoppeln der Befehlssignale zu der Gate-Spannungs-Controllereinheit, um AGVC-Steuerungen für Mehrphasenschalter für niedrige, mittlere oder hohe Laststromstärken anzupassen. Das Verfahren, wobei das Entscheiden, ob die AGVC verwendet werden soll, basierend auf dem Ausgangslastzustand dann, wenn der Arbeitsmodus mit automatischer AGVC gemäß dem programmierbaren Befehl festgelegt ist, in der Lage ist, die AGVC-Steuerung basierend auf dem Ausgangslastzustand automatisch zu aktivieren oder zu deaktivieren. Es umfasst ferner ein Empfangen des Aktivierungssignals von der Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltung, um die AGVC-Steuerung zu aktivieren, wobei die Zwischenspannung für asymmetrische Gate-Spannungssteuerung verwendet wird, wenn die Laststromstärke niedrig oder mittel ist, Einschalten der AGVC, wobei Zwischenspannungen verwendet werden, um asymmetrische Gate-Spannungs-Steuersignale zu erzeugen, um den Schalterverlust zu reduzieren und ihren Arbeitswirkungsgrad zu erhöhen, wenn die Arbeitslaststromstärke niedrig oder mittel ist, und Ausschalten der AGVC, wobei reguläre Referenzspannungen verwendet werden, um symmetrische Gate-Spannungs-Steuersignale zu erzeugen, um den Schalterverlust zu reduzieren und ihren Arbeitswirkungsgrad zu erhöhen, wenn die Arbeitslaststromstärke hoch ist. Das Verfahren, wobei das Erzeugen der asymmetrischen Gate-Spannung durch eine Zwischenspannung für die Phasensteuereinheiten für asymmetrische Gate-Spannung, wenn die AGVC verwendet werden soll und niedrige Ausgangslasten angetroffen werden, in der Lage ist, asymmetrische Gate-Spannungen für komplementäre Gate-Spannungs-Ansteuerschaltungen bereitzustellen, um ihre Schaltverluste zu reduzieren und ihren Arbeitswirkungsgrad zu erhöhen. Es umfasst ferner: Erzeugen der Zwischenspannung durch die Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltung, Erzeugen der asymmetrischen Gate-Spannung durch zwei Paare von Gate-Spannungs-Ansteuerschaltungen, wobei die erzeugte Zwischenspannung aus der Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltung verwendet wird, und Verringerung von Schaltverlusten und Erhöhen des Arbeitswirkungsgrads durch asymmetrische Gate-Spannungen, die niedriger als normale Gate-Spannungen sind. Das Verfahren, wobei ein Algorithmus der Ausgaben bei Lasten detektiert und sie in Befehlssignale für Eingänge der Gate-Spannungs-Controllereinheit umsetzt, um AGVC-Steuerungen für Mehrphasenschalter für niedrige, mittlere oder hohe Laststromstärken anzupassen, in der Lage ist, AGVC-Steuerungen dynamisch basierend auf dem Lastzustand zu automatisieren. Es umfasst ferner: Detektieren der Ausgangsstromstärke oder -spannung aus Spannungsschaltern oder Abwärtsumsetzern und Algorithmen, die verwendet werden, um ein oder mehrere Befehlssignale basierend auf abgetasteten Stromstärken oder Spannungen zu erzeugen, um Lastzustandsinformationen in das eine oder die mehreren Befehlssignale zu verschlüsseln. Das Verfahren, wobei das Rückkoppeln der Befehlssignale zu der Gate-Spannungs-Controllereinheit, um AGVC-Steuerungen für Mehrphasenschalter für niedrige, mittlere oder hohe Laststromstärken anzupassen, in der Lage ist, den Lastzustand zu verwenden, um die AGVC-Einrichtung automatisch zu steuern. Es umfasst ferner: Einspeisen des erzeugten Befehlssignals als das Rückkopplungssteuersignal durch die Rückkopplungsschleife in den Eingang der Gate-Spannungs-Controllereinheit, um AGVC-Steuerungen für Mehrphasenschalter für niedrige, mittlere oder hohe Laststromstärken anzupassen.
Weitere Vorteile werden von Fachleuten auf dem Gebiet erkannt werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die vorliegende Offenlegung und die dabei vorgesehenen entsprechenden Vorteile und Merkmale werden durch einen Einblick in die folgende genaue Beschreibung, die in Verbindung mit den folgenden Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen gleichen Elementen entsprechen, vorgenommen wurde, am besten verstanden und gewürdigt, wobei:
1 ein schematisches Schaltdiagramm ist, das ein Beispiel einer Ansteuerschaltung für asymmetrische Gate-Spannungen für den Abwärtsumsetzer gemäß einer Ausführungsform der Offenlegung zeigt;
2 ein Wirkungsgrad-Diagramm ist, das ein Beispiel einer Ansteuerschaltung für asymmetrische Gate-Spannungen für einen Abwärtsumsetzer mit verbessertem Wirkungsgrad für niedrige und mittlere Ausgabestromstärken gemäß einer Ausführungsform der Offenlegung zeigt;
3 ein schematisches Schaltungsdiagramm ist, das ein Beispiel einer Ansteuerschaltung für asymmetrische Gate-Spannungen für einen Abwärtsumsetzer mit der Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenlegung zeigt;
4 ein Wirkungsgrad-Diagramm ist, das ein Beispiel einer Ansteuerschaltung für asymmetrische Gate-Spannungen für den Abwärtsumsetzer mit der Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit gemäß einer Ausführungsform der Offenlegung zeigt;
5 ein Schaltungsblockdiagramm ist, das einen Abwärtsumsetzer nach dem Stand der Technik zeigt;
6 ein Ablaufdiagramm ist, das ein Verfahren zum Verwenden einer Ansteuerschaltung für asymmetrische Gate-Spannungen mit der Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit, um den Wirkungsgrad des Abwärtsumsetzers für die niedrigen und mittleren Ausgangsstromstärken zu verbessern, zeigt.
Beschreibung
1 ist ein schematisches Schaltungsdiagramm, das ein Beispiel einer Ansteuerschaltung für asymmetrische Gate-Spannungen 100 für den Abwärtsumsetzer gemäß einer Ausführungsform der Erfindung veranschaulicht. Die Vorrichtung 100 umfasst einen komplementären Phasenschalter 110, die Gate-Ansteuerschaltung 130, Eingangssignale und Ausgangssignale. Der komplementäre Phasenschalter 110 umfasst einen oberen Schalter SW1, einen unteren Schalter SW2, einen Eingang 122, eine gemeinsame Schaltungsreferenz V_COM bei 124, den Ausgang 116 aus dem oberen Schalter SW1 und dem unteren Schalter SW2. Die Gate-Ansteuerschaltung 130 umfasst einen oberen Ansteuerpuffer 170, einen unteren Ansteuerpuffer 172, einen oberen Ansteuerschalter SW11, einen unteren Ansteuerschalter SW12, einen oberen Ansteuerschalter SW21, einen unteren Ansteuerschalter SW22, ein Eingangssignal V_C1 und ein Eingangssignal V_C2, eine Zwischensteuerspannung V_IM, einen Eingang 136, eine gemeinsame Schaltungsreferenz V_COM bei 146, einen Ausgang 138 aus dem oberen Schalter SW11 und dem unteren Schalter SW12, einen Ausgang 148 aus dem oberen Schalter SW21 und dem unteren Schalter SW22. Eingangssignale umfassen eine Vorspannungseingabe V_IN, eine gemeinsame Schaltungsreferenz V_COM, ein Eingangssignal V_C1 und ein Eingangssignal V_C2 und eine Zwischensteuerspannung V_IM. Die Ausgabe des Abwärtsumsetzers ist V_LX.
In dem komplementären Phasenschalter 110 bilden die Schalter SW1 und SW2 ein komplementäres Paar und sind vorzugsweise an dem Knoten 116 gekoppelt. Der Drain von SW1 ist vorzugsweise mit der Vorspannung V_IN durch 122 gekoppelt. Die Source von SW2 ist vorzugsweise mit der gemeinsamen Schaltungsreferenz V_COM durch 124 gekoppelt. Die Schalter können in jeder verfügbaren Technologie wie etwa in MOS- oder bipolarer oder gemischter Technologie realisiert sein. Die Ausgabe V_LX ist vorzugsweise an dem Knoten 116 mit sowohl dem oberen Schalter SW1 als auch dem unteren Schalter SW2 gekoppelt.
In der Gate-Ansteuerschaltung 130 ist das Eingangssignal V_C1 vorzugsweise mit dem Eingang des Puffers 170 gekoppelt und das Eingangssignal V_C2 vorzugsweise mit dem Eingang des Puffers 172 gekoppelt. Der obere Schalter SW11 und der untere Schalter SW12 bilden einen komplementären Schalter, indem das Gate bei 140 kurzgeschlossen wird und der Ausgang bei 138 erzeugt wird. Der obere Schalter SW21 und der untere Schalter SW22 bilden einen komplementären Schalter, indem das Gate bei 150 kurzgeschlossen wird und der Ausgang bei 148 erzeugt wird. Der Ausgang des Puffers 170 ist vorzugsweise mit dem Gate-Eingang 140 des komplementären Schalters, der gemeinsam von SW11 und SW12 gebildet wird, gekoppelt. Der Ausgang des Puffers 172 ist vorzugsweise mit dem Gate-Eingang 150 des komplementären Schalters, der gemeinsam von SW21 und SW22 gebildet wird, gekoppelt. Der Ausgang des komplementären Schalters, der gemeinsam von SW11 und SW12 gebildet wird, ist vorzugsweise mit dem Gate von SW1 gekoppelt. Der Ausgang des komplementären Schalters, der gemeinsam von SW21 und SW22 gebildet wird, ist vorzugsweise mit dem Gate von SW2 gekoppelt. Die Source von SW12 und der Drain von SW21 sind vorzugsweise bei 164 gekoppelt. Die Zwischenspannung ist vorzugsweise durch 164 mit dem komplementären Schalter, der gemeinsam von SW11 und SW12 gebildet wird, und dem komplementären Schalter, der gemeinsam von SW21 und SW22 gebildet wird, gekoppelt. Der Drain von SW11 ist vorzugsweise durch 136 mit der Vorspannung V_IN gekoppelt. Die Source von SW22 ist vorzugsweise durch 146 mit der gemeinsamen Referenz V_COM gekoppelt.
Obwohl die Ausführungsform die modifizierte Gate-Ansteuerschaltung mit nur einem Phasenausgang V_LX veranschaulicht, sollte verstanden werden, dass in der vorliegenden Offenlegung mehrere gekoppelte Spulen mit mehreren Phasen von Schaltern verwendet werden können.
Bei der bevorzugten Ausführungsform werden die Gate-Treiber mit einer Zwischenspannung V_IM betrieben. Der P-Typ-Treiber SW1 schaltet zwischen der Versorgungsspannung V_IN und der Zwischenspannung V_IM um. Der N-Typ-Treiber SW2 schaltet zwischen der Zwischenspannung V_IM und der gemeinsamen Referenzspannung V_COM um.
Als eine von vielen Möglichkeiten kann V_IM auf die Hälfte der Versorgungsspannung V_IN gesetzt sein. Die Hälfte der Versorgungsspannung V_IN ist eine zweckmäßige Spannung. Sie kann entweder durch einen Regler, eine geschaltete Kondensatorladungspumpe oder einen anderen Schaltumsetzer leicht erzeugt werden. Es kann jedoch eine beliebige andere Zwischenspannung verwendet werden.
Wenn eine Phase mit einer niedrigeren Schaltspannung betrieben wird, erhöht sich der Widerstand der Schalter SW1 und SW2. Der Leistungsverlust, der damit verbunden ist, ist zu I²R bestimmt, wobei I die Stromstärke durch Schalter ist und R der Schalterwiderstand ist. Somit ist der Leistungsverlust proportional zu dem Widerstandsanstieg. Solange die Vorrichtung in dem linearen Bereich bleibt, wird der Widerstandsanstieg nicht proportional zu der Spannungsabnahme sein. Somit wird der Anstieg der Widerstandsverluste klein sein.
Es werden jedoch Schaltverluste proportional zu CV² reduziert. Daher ist die Verringerung der Schaltverluste proportional zu dem Quadrat der Verringerung der Schaltspannung. Der Gesamteffekt ist, dass der Wirkungsgrad des Abwärtsumsetzers bei niedrigen und mittleren Ausgangsstromstärken erhöht wird.
Unter Bezugnahme auf 2 ist ein beispielhaftes Diagramm der Abwärtsumsetzer-Wirkungsgradverbesserung bei Anwenden der Zwischenspannung in dieser Offenlegung gezeigt. Die Wirkungsgrade bei Synchronmodus und Schlafmodus sind gegen die Laststromstärke aufgetragen, wenn die Zwischenspannung V_IM angelegt ist oder nicht. In dem ”Schlafmodus” ändert sich dann, wenn die Zwischenspannung V_IM nicht angelegt ist, der Schalterarbeitsdynamikbereich in diesem Beispiel von 0 bis 4 Volt. Sein Wirkungsgrad 214 ändert sich mit der Laststromstärke. Wenn aber die vorgeschlagene Zwischenspannung V_IM angelegt ist, ändert sich der Schalterarbeitsdynamikbereich in diesem Beispiel innerhalb von 2 Volt. Sein Wirkungsgrad 212 ändert sich mit der Laststromstärke und ist viel besser als bei 214. In dem ”Synchronmodus” ändert sich dann, wenn die Zwischenspannung V_IM nicht angelegt ist, der Schalterarbeitsdynamikbereich in diesem Beispiel von 0 bis 4 Volt. Sein Wirkungsgrad 218 ändert sich mit der Laststromstärke. Wenn aber die vorgeschlagene Zwischenspannung V_IM angelegt ist, ändert sich der Schalterarbeitsdynamikbereich in diesem Beispiel innerhalb von 2 Volt. Sein Wirkungsgrad 216 ändert sich mit der Laststromstärke und ist viel besser als bei 218. Dies rechtfertigt, dass der Wirkungsgrad unter Verwendung der vorgeschlagenen Zwischenspannung V_IM in dieser Offenlegung signifikant verbessert ist.
In der vorgeschlagenen Ausführungsform ist der Wirkungsgrad aus der höheren Gate-Spannung bei hohen Stromstärken höher. Der Fall der modifizierten niedrigen Gate-Spannung hat einen höheren Wirkungsgrad bei mittleren und niedrigen Laststromstärken. Daher gibt es einen deutlichen Vorteil beim Betreiben der Niederlastphasen mit der Nieder-Gate-Spannungs-Schaltung und der Hochlastphasen mit der ursprünglichen Schaltung.
Bei der vorgeschlagenen Ausführungsform kann der Abwärtsumsetzer in einer von mehreren Konfigurationen betrieben werden, um diese Bedingung zu erfüllen. Eine Bedingung lautet: nur die Niederlastphasen bei niedrigen Lasten und nur die Hochlastphasen bei hohen Lasten. Eine weitere Bedingung lautet: nur die Niederlastphasen bei niedrigen Lasten und alle Phasen bei hohen Lasten. Und andere Fälle existieren. Es ist offensichtlich, dass die bei niedrigen Lasten verwendeten Phasen von der vorgeschlagenen asymmetrischen Gate-Spannungssteuerung profitieren. Um aber einen höheren Wirkungsgrad für bei hohen Lasten verwendete Phasen zu erreichen, wird die ursprüngliche Schaltung eingeschaltet.
Bei der vorgeschlagenen Ausführungsform kann die Abwärtsschaltung dazu ausgelegt sein, zwischen zwei Betriebsarten zu wechseln: niedrige Gateschaltspannung und hohe Gateschaltspannung.
Bei der vorgeschlagenen Ausführungsform kann die Zwischenspannung V_IM dynamisch gesteuert werden, um den Wirkungsgrad bei verschiedenen Lasten oder Ausgangsspannungen zu optimieren. Beispielsweise kann dies durch Senken der Zwischenspannung bei hohen Ausgangsspannungen, bei denen der P-Typ-Schalterwiderstand von SW1 wichtiger als der N-Typ-Widerstand von SW2 ist, geschehen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform umfasst die vorgeschlagene Offenlegung alle Formen von Schaltumsetzern, nicht nur Abwärtsumsetzer.
Bei der bevorzugten Ausführungsform kann die vorgeschlagene Zwischenspannung von mehreren Phasen oder mehreren Abwärtsumsetzern gemeinsam verwendet werden.
Bei der bevorzugten Ausführungsform optimiert die vorgeschlagene Offenlegung auch verschiedene Abwärtsumsetzer auf dem gleichen Chip. So werden einige Abwärtsumsetzer in dem Standardmodus betrieben, um hohe Stromstärken zur Verfügung zu stellen, wobei andere Abwärtsumsetzer die Zwischenspannungen verwenden würden, um einen Wirkungsgrad bei niedrigen Lasten zu optimieren.
Unter Bezugnahme auf 3 ist ein beispielhaftes Diagramm einer Ansteuerschaltung für asymmetrische Gate-Spannungen 300 für den Abwärtsumsetzer mit der Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenlegung gezeigt. Die Vorrichtung 300 umfasst einen komplementären Phasenschalter 310, die Gate-Ansteuerschaltung 330, Eingangssignale, ein Ausgangssignal V_LX und eine beispielhafte Ansteuerschaltung für asymmetrische Gate-Spannungen 381. Der komplementäre Phasenschalter 310 umfasst einen oberen Schalter SW1, einen unteren Schalter SW2, einen Eingang V_IN, eine gemeinsame Schaltungsreferenz V_COM, den Ausgang 316 aus dem oberen Schalter SW1 und dem unteren Schalter SW2. Die Gate-Ansteuerschaltung 330 umfasst einen oberen Ansteuerpuffer 370, einen unteren Ansteuerpuffer 372, einen oberen Ansteuerschalter SW11, einen unteren Ansteuerschalter SW12, einen oberen Ansteuerschalter SW21, einen unteren Ansteuerschalter SW22, ein Eingangssignal V_C1 und ein Eingangssignal V_C2, eine Zwischensteuerspannung V_IM, einen Eingang V_IN, eine gemeinsame Schaltungsreferenz V_COM, einen Ausgang 338 aus dem oberen Schalter SW11 und dem unteren Schalter SW12, einen Ausgabe 348 aus dem oberen Schalter SW21 und dem unteren Schalter SW22. Eingangssignale umfassen eine Vorspannungseingabe V_IN, eine gemeinsame Schaltungsreferenz V_COM, ein Eingangssignal V_C1, ein Eingangssignal V_C2 und eine Zwischensteuerspannung V_IM. Die Ausgabe des Abwärtsumsetzers ist V_LX. Die Ansteuerschaltung für asymmetrische Gate-Spannungen 381 umfasst einen Vorspannwiderstand R1, einen Referenzwiderstand R2, einen Referenzwiderstand R3, einen Kondensator C, einen Verstärker 378 und einen N-Typ-MOS-Transistor SW3.
Bei dem komplementären Phasenschalter 310 bilden der Schalter SW1 und SW2 ein komplementäres Paar und sind vorzugsweise an dem Knoten 316 gekoppelt. Der Drain von SW1 ist vorzugsweise mit der Vorspannung V_IN gekoppelt. Die Source von SW2 ist vorzugsweise mit der gemeinsamen Schaltungsreferenz V_COM gekoppelt. Die Schalter können in jeder verfügbaren Technologie wie etwa in MOS-, bipolarer oder gemischter Technologie implementiert sein. Die Ausgabe V_LX ist vorzugsweise an dem Knoten 316 sowohl mit dem oberen Schalter SW1 als auch dem unteren Schalter SW2 gekoppelt.
Bei der Gate-Ansteuerschaltung 330 ist das Eingangssignal V_C1 vorzugsweise mit dem Eingang des Puffers 370 gekoppelt und das Eingangssignal V_C2 vorzugsweise mit dem Eingang des Puffers 372 gekoppelt. Der obere Schalter SW11 und der untere Schalter SW12 bilden einen komplementären Schalter, indem das Gate bei 340 kurzgeschlossen wird und der Ausgang bei 338 erzeugt wird. Der obere Schalter SW21 und der untere Schalter SW22 bilden einen komplementären Schalter, indem das Gate bei 350 kurzgeschlossen wird und der Ausgang bei 348 erzeugt wird. Der Ausgang des Puffers 370 ist vorzugsweise mit dem Gateeingang 340 des komplementären Schalters, der gemeinsam von SW11 und SW12 gebildet wird, gekoppelt. Der Ausgang des Puffers 372 ist vorzugsweise mit dem Gateeingang 350 des komplementären Schalters, der gemeinsam von SW21 und SW22 gebildet wird, gekoppelt. Der Ausgang des komplementären Schalters, der gemeinsam von SW11 und SW12 gebildet wird, ist vorzugsweise mit dem Gate von SW1 gekoppelt. Der Ausgang des komplementären Schalters, der gemeinsam von SW21 und SW22 gebildet wird, ist vorzugsweise mit dem Gate von SW2 gekoppelt. Die Source von SW12 und der Drain von SW21 sind vorzugsweise bei 364 gekoppelt. Die Zwischenspannung ist vorzugsweise durch 364 mit dem komplementären Schalter, der gemeinsam von SW11 und SW12 gebildet wird, und dem komplementären Schalter, der gemeinsam von SW21 und SW22 gebildet wird, gekoppelt. Der Drain von SW11 ist vorzugsweise durch 336 mit der Vorspannung V_IN gekoppelt. Die Source von SW22 ist vorzugsweise durch 346 mit der gemeinsamen Referenz V_COM gekoppelt.
Bei der Ansteuerschaltung für asymmetrische Gate-Spannungen 381 ist der Widerstand R2 vorzugsweise mit V_IN gekoppelt, während der Widerstand R3 vorzugsweise mit V_COM gekoppelt ist. R2 und R3 sind beide vorzugsweise mit dem negativen Eingang des Verstärkers 378 gekoppelt. Der Vorspannungswiderstand 366 ist vorzugsweise mit dem positiven Eingang des Verstärkers 378, dem Drain der PMOS-Vorrichtung 376 und dem Kondensator C gekoppelt. Sowohl die PMOS-Vorrichtung 376 als auch der Kondensator C sind vorzugsweise mit der gemeinsamen Referenz V_COM gekoppelt. Die Zwischenspannung V_IM wird bei 390 erzeugt und ist vorzugsweise mit 364 der Gate-Ansteuerschaltung 330 gekoppelt.
Bei der bevorzugten Ausführungsform sind die Masse der PMOS-Vorrichtung SW21 und die Versorgung der NMOS-Vorrichtung SW12 beide vorzugsweise bei 390 mit der Zwischenspannung V_IM gekoppelt. Sie pumpen beide Ladungen in die Zwischenversorgung. Der Kondensator kann die Zwischenspannung V_IM speichern. Wenn sich die PMOS-Vorrichtung SW21 einschaltet, wird das Gate niedrig und die PMOS-Vorrichtung SW21 injiziert Ladungen in den Kondensator C. Wenn sich die NMOS-Vorrichtung SW12 einschaltet, wird das Gate hoch und die NMOS-Vorrichtung SW12 entnimmt Ladungen aus dem Kondensator C. In den meisten üblichen Abwärtsumsetzern ist die PMOS-Vorrichtung wesentlich größer als die NMOS-Vorrichtung. Dies bedeutet, dass sie mehr Ladung injiziert, als die NMOS-Vorrichtung entfernt. Im Laufe der Zeit ist dann der Strom in den Kondensator C insgesamt positiv und die Zwischenspannung V_IM wird tendenziell zunehmen. Der Verstärker 378 steuert eine kleine aktive Pull-Down-Schaltung, die aus einer aktiven NMOS-Vorrichtung SW3 besteht. Sie dient dazu, diesen Strom zu entladen und die Zwischenspannung V_IM stabil zu halten. Ein kleiner Pull-Up-Strom, der durch einen hochohmigen Widerstand R1 geliefert wird, wird die Spannung stabilisieren und verhindern, dass sie zu niedrig wird. Aufgrund des hohen Wiederstands ist der Pull-Up-Strom sehr klein.
Bei der vorgeschlagenen Ausführungsform hat die Ansteuerschaltung für asymmetrische Gate-Spannungen 381 den Vorteil, dass sie nur den Pull-Up-Strom direkt von der Versorgung entnimmt. Der Rest des Stroms, der verwendet wird, um die Zwischenspannung zu erzeugen, ist verschwendete Ladung aus dem PMOS-Gate-Treiber selbst. Sie ist daher sehr effizient.
Unter Bezugnahme auf 4 ist ein beispielhaftes Diagramm gezeigt, dass den Wirkungsgrad des Abwärtsumsetzers mit der Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltung gemäß einer Ausführungsform der Offenlegung veranschaulicht. Die Wirkungsgradkurve 412 wird erhalten, wenn die Ansteuerschaltung für asymmetrische Gate-Spannungen in dem Abwärtsumsetzer verwendet wird, während die Wirkungsgradkurve 414 erhalten wird, wenn die Ansteuerschaltung für asymmetrische Gate-Spannungen nicht in dem Abwärtsumsetzer verwendet wird. Offensichtlich ist der Abwärtsumsetzer-Wirkungsgrad 412 aufgrund der asymmetrischen Gate-Spannungssteuerung in der vorliegenden Offenbarung viel besser als der Wirkungsgrad 414.
Bei der vorgeschlagenen Ausführungsform wird der verbesserte Spitzenwirkungsgrad aufgrund der asymmetrischen Gate-Spannungssteuerung in dieser Offenlegung in Wirklichkeit höher als bei der ursprünglichen Schaltung sein, und zwar weil keine Reihenimpedanz in den Simulationsdaten von 4 enthalten ist. Diese Elemente skalieren nicht mit der Gate-Spannung. So wird die verbesserte Schaltung besser als bei einem einfachen Skalieren der Durchlassvorrichtung.
Unter Bezugnahme auf 6 ist das Ablaufdiagramm des Verfahrens der asymmetrischen Gate-Spannungssteuerung, um einen höheren Wirkungsgrad für niedrige und mittlere Laststromstärken aus der vorgeschlagenen Ausführungsform zu erzielen, gezeigt. Es beginnt mit dem Festlegen eines Arbeitsmodus 610, wobei externe Befehle im Format von Signalen empfangen werden. Der Befehl handelt davon, ob die automatische asymmetrische Gate-Spannungssteuerung (AGVC) verwendet werden soll. Wie durch Element 612 angegeben wird dann, wenn die automatische asymmetrische Gate-Spannungssteuerung (AGVC) nicht verwendet wird, der reguläre Arbeitsmodus bevorzugt. Die AGVC-Schaltung wird von 614 umgangen, um ein Schaltersteuersignal durch 616 festzulegen. Der Abwärtsumsetzer arbeitet dann in dem regulären Zustand und seine Ausgabe wird vorzugsweise mit einer Abwärtsumsetzer-Filterschaltung 618 gekoppelt, um das endgültige Ausgangssignal V_OUT zu erzeugen.
Wie durch Element 612 angegeben wird das Verfahren dann, wenn die automatische asymmetrische Gate-Spannungssteuerung (AGVC) verwendet wird, überprüfen, ob die Ausgangslaststromstärke niedrig oder mittel ist, wie durch 620 angegeben ist. Wenn die Laststromstärke hoch ist, wird der reguläre Arbeitsmodus bevorzugt. Die AGVC-Schaltung wird von 622 umgangen, um das Schaltersteuersignal durch 626 festzulegen. Wenn aber die Laststromstärke niedrig oder mittel ist, wird der AGVC-Arbeitsmodus bevorzugt. Er wird durch eine AGVC-Einrichtung 624 implementiert. Dann fährt das System damit fort, das Schaltersteuersignal durch 626 festzulegen. Die Ausgabe des Abwärtsumsetzers wird vorzugsweise mit einer Abwärtsumsetzer-Filterschaltung 628 gekoppelt, um das endgültige Ausgangssignal V_OUT zu erzeugen.
Die obige genaue Beschreibung der Offenlegung und die darin beschriebenen Beispiele sind zu Zwecken der Veranschaulichung und Beschreibung präsentiert worden. Obwohl die Prinzipien der Offenlegung oben in Verbindung mit einer spezifischen Vorrichtung beschrieben worden sind, ist es selbstverständlich, dass diese Beschreibung nur beispielhaft ist und nicht als eine Beschränkung des Umfangs der Offenlegung dient.

Claims

Schaltumsetzer, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Zwischenspannung; Gate-Spannungs-Ansteuerschaltungen, die sich die Zwischenspannung teilen; Mehrphasenschalter, die mit den Gate-Ansteuerschaltungen gekoppelt sind; wobei der Schaltumsetzer dazu in der Lage ist, die Gate-Spannung asymmetrisch zu machen, um niedrigere Schaltverluste und einen höheren Abwärtsumsetzer-Wirkungsgrad für niedrige und mittlere Laststromstärken bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Zwischenspannung dazu in der Lage ist, eine beliebige Zwischenspannung zwischen der Versorgungsspannung und der gemeinsamen Referenzmasse zu erzeugen, die die asymmetrische Gate-Spannung für die Gate-Ansteuerschaltungen bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Gate-Ansteuerschaltungen, die sich die gleiche Zwischenspannung teilen, in der Lage sind, Gatekapazitätsverluste in Mehrphasenschaltern zu reduzieren, indem ihre Ausgangs-Gate-Spannung durch die Zwischenspannung reduziert wird, wobei die Gate-Ansteuerschaltungen, die sich die gleiche Zwischenspannung teilen, ferner umfassen: mindestens zwei Paare von Mehrphasen-Eingangssignalen als Eingänge; mindestens zwei Paare komplementärer Schalterschaltungen, die mit Mehrphasen-Eingangssignalen verbunden sind, um mindestens ein Paar von Mehrphasen-Gate-Spannungen für folgende Mehrphasenschalter zu erzeugen; mindestens eine Zwischenspannung, die die beiden komplementären Schalterschaltungen verbindet, um die Gate-Spannungssymmetrie zu brechen und den Dynamikbereich der Gate-Spannungen zu verringern; und ein Paar komplementärer asymmetrischer Phasensignalen, die durch Ausgaben von zwei komplementären Schalterschaltungen als Gate-Ansteuerspannung gebildet werden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Mehrphasen-Eingangssignale in der Lage sind, die Schlafmodusphase zu erzeugen, wenn sie in Phase (0°) sind, die Synchronmodusphase zu erzeugen, wenn sie gegenphasig (180°) sind, oder andere Phasenbeziehungen zu erzeugen.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Zwischenspannung in der Lage ist, asymmetrische Gate-Spannungen in den folgenden komplementären Schalterschaltungen zu erzeugen, und die resultierenden Gate-Spannungen von jeweils zwei Paaren komplementärer Schalterschaltungen asymmetrisch werden.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Zwischenspannung in der Lage ist, den Schaltspannungsbereich des Gates zu reduzieren und dadurch den kapazitiven Verlust der folgenden Mehrphasenschalter zu verringern, um den Abwärtsumsetzer-Wirkungsgrad zu verbessern, wenn die Last niedrig oder mittel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei die Zwischenspannung der Zweckmäßigkeit halber so gewählt ist, dass sie die Hälfte der Versorgungsspannung beträgt, obwohl auch eine andere beliebige Zwischenspannung gewählt sein kann und von mehreren Phasen oder mehreren Abwärtsumsetzern gemeinsam verwendet werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Gate-Ansteuerschaltungen, die sich die gleiche Zwischenspannung teilen, in den regulären Modus versetzt werden können, wobei der Gate-Spannungsbereich zwischen der regulären Versorgungsspannung und der gemeinsamen Referenzspannung wiederhergestellt wird, um den hohen Wirkungsgrad des Abwärtsumsetzers für hohe Laststromstärken aufrechtzuerhalten.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei Mehrphasenschalter, die mit Ansteuerschaltungen für asymmetrische Gate-Spannungen verbunden sind, in der Lage sind, Mehrphasenschaltsignale für Spannungsschalterschaltungen oder Abwärtsumsetzer zu erzeugen, wobei die Mehrphasenschaltereinheit ferner umfasst:. ein Paar komplementärer Mehrphasenschalter, die mit Ausgängen der Ansteuerschaltungen für asymmetrische Gate-Spannungen verbunden sind; und ein Ausgangssignal an dem gemeinsamen Verbindungspunkt zwischen dem Paar komplementärer Mehrphasenschaltertransistoren.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Paar komplementärer Mehrphasenschalter in der Lage ist, Phasensignale für folgende mehrphasige Induktoren, Filterkondensatoren und Lastwiderstände zu erzeugen, wobei der Wirkungsgradverlust des Schalters proportional zu CV² ist, wobei C die Gatekapazität von Schaltern ist, während V der dynamische Bereich von Schaltspannungen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei das Paar komplementärer Mehrphasenschalter, das mit den Ansteuerschaltungen für asymmetrische Gate-Spannungen gekoppelt ist, asymmetrische Gate-Spannungen aufweisen, die den dynamischen Bereich V von Schaltspannungen reduzieren, den Wirkungsgradverlust der Schalter proportional zu CV² reduzieren und dadurch einen höheren Abwärtsumsetzer-Wirkungsgrad für niedrige oder mittlere Laststromstärken erzielen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schaltumsetzer in einer von mehreren Konfigurationen betrieben werden kann: nur die Niederlastphasen bei niedrigen Lasten und nur die Hochlastphase bei hohen Lasten oder nur die Niederlastphasen bei niedrigen Lasten und alle Phasen bei hohen Lasten, wobei Zweiteres für einen optimierten Abwärtsumsetzer-Wirkungsgrad bevorzugt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Schaltumsetzer für alle Formen von Schaltumsetzern implementiert sein kann, nicht nur für Abwärtsumsetzer und für verschiedene Abwärtsumsetzer auf dem gleichen Chip.
Hocheffiziente Spannungsumsetzungs-Schaltungsvorrichtung sowohl mit asymmetrischen als auch symmetrischen Gate-Spannungen, wobei die Vorrichtung umfasst: eine Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit; Gate-Spannungs-Ansteuerschaltungen, die mit der Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit verbunden sind; Mehrphasenschalter, die mit den Ansteuerschaltungen für asymmetrische Gate-Spannungen verbunden sind; wobei die Spannungsumsetzungs-Schaltungsvorrichtung in der Lage ist, den hohen Umsetzungswirkungsgrad für niedrige und mittlere Laststromstärken unter Verwendung asymmetrischer Gate-Spannungen und für hohe Laststromstärken unter Verwendung regulärer Gate-Spannungen zu erzielen.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei die Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit in der Lage ist, die Versorgungsspannung zu verwenden, um eine stabile Zwischenspannung für die folgenden verbundenen Ansteuerschaltungen für asymmetrische Gate-Spannungen bereitzustellen, wenn die Laststromstärke niedrig oder mittel ist, wobei die Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit ferner umfasst: eine Spannungsreferenzschaltungseinheit, die die Referenzspannung für die Zwischenspannungserzeugung bereitstellt; eine aktive Strom-Pull-Down-Schaltungseinheit; einen Strom-Pull-Up, der durch einen hochohmigen Widerstand geliefert wird; und einen Ladungsspeicherkondensator.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die Spannungsreferenzschaltungseinheit in der Lage ist, eine Referenzspannung aus der Versorgungsspannung durch mehrere Widerstände zu erzeugen, um die Referenzspannung für die Zwischenspannungserzeugung bereitzustellen, wenn die Laststromstärke niedrig oder mittel ist, und eine reguläre Spannungsschaltungseinrichtung für die Gate-Spannungs-Ansteuerschaltungen, wenn die Laststromstärke hoch ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei die aktive Strom-Pull-Down-Schaltungseinheit in der Lage ist, die Ladungsspeicherung in dem Ladungsspeicherkondensator zu verringern und dadurch die Zwischenspannung, die von der Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit erzeugt wird, zu verringern, um zu vermeiden, dass die Zwischenspannung ansteigt, wobei die aktive Strom-Pull-Down-Schaltungseinheit ferner umfasst: einen Verstärker, der mit der Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung verbunden ist; und eine NMOS-Vorrichtung, bei der das Gate mit dem Ausgang des Verstärkers und der Drain mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist; wobei der Drain der NMOS-Vorrichtung auch mit dem Ladungsspeicherkondensator und dem Pull-Up-Widerstand verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Strom-Pull-Up, der durch einen hochohmigen Widerstand geliefert wird, in der Lage ist, den Ladungsspeicherkondensator zu laden, um zu vermeiden, dass die Zwischenspannung zu stark abfällt, so dass die ausgegebene Zwischenspannung stabilisiert wird.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Ladungsspeicherkondensator in der Lage ist, Ladungen aus den PMOS-Vorrichtungen der folgenden Gate-Spannungs-Ansteuerschaltungen zu speichern und Ladungen an die NMOS-Vorrichtungen der folgenden Gate-Spannungs-Ansteuerschaltungen zu liefern und eine stabile Zwischenspannung für die asymmetrische Gate-Spannungssteuerung bereitzustellen, wenn die Laststromstärke niedrig oder mittel ist.
Vorrichtung nach Anspruch 15, wobei der Ladungsspeicherkondensator eine Zwischenspannung für die asymmetrische Gate-Spannungssteuerung (AGVC) liefert, wenn die Laststromstärke niedrig oder mittel ist, die durch die aktive Strom-Pull-Down-Schaltungseinheit und die Pull-Up-Schaltungseinheit in der Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltungseinheit stabilisiert wird.
Verfahren zum Verbessern des Wirkungsgrads verschiedener Schalterphasen oder verschiedener Abwärtsumsetzer auf demselben Chip, wobei das Verfahren umfasst: Entscheiden, ob ein Arbeitsmodus mit automatischer asymmetrischer Gate-Spannungssteuerung (AGVC) gemäß einem programmierbaren Befehl verwendet werden soll; Entscheiden, ob die AGVC verwendet werden soll, basierend auf dem Ausgangslastzustand, wenn der Arbeitsmodus mit automatischer AGVC gemäß dem programmierbaren Befehl festgelegt ist; Erzeugen der asymmetrischen Gate-Spannung durch eine Zwischenspannung für Phasensteuereinheiten für asymmetrische Gate-Spannung, wenn die AGVC verwendet werden soll und niedrige Ausgangslasten angetroffen werden; Umgehen der Zwischenspannungserzeugung durch eine reguläre Referenzspannung für zwei Paare komplementärer Schaltersteuereinheiten, wenn die AGVC verwendet werden soll und hohe Ausgangslasten angetroffen werden; einen Algorithmus, der Ausgaben bei Lasten detektiert und sie in Befehlssignale für Eingänge der Gate-Spannungs-Controllereinheit umsetzt, um AGVC-Steuerungen für Mehrphasenschalter für niedrige, mittlere oder hohe Laststromstärken anzupassen; und Rückkoppeln der Befehlssignale zu der Gate-Spannungs-Controllereinheit, um AGVC-Steuerungen für Mehrphasenschalter für niedrige, mittlere oder hohe Laststromstärken anzupassen.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Entscheiden, ob die AGVC verwendet werden soll, basierend auf dem Ausgangslastzustand dann, wenn der Arbeitsmodus mit automatischer AGVC gemäß dem programmierbaren Befehl festgelegt ist, in der Lage ist, die AGVC-Steuerung basierend auf dem Ausgangslastzustand automatisch zu aktivieren oder zu deaktivieren, wobei das Verfahren ferner umfasst: Empfangen des Aktivierungssignals von der Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltung, um die AGVC-Steuerung zu aktivieren, wobei die Zwischenspannung für asymmetrische Gate-Spannungssteuerungen verwendet wird, wenn die Laststromstärke niedrig oder mittel ist; Einschalten der AGVC, wobei Zwischenspannungen verwendet werden, um asymmetrische Gate-Spannungs-Steuersignale zu erzeugen, um den Schalterverlust zu reduzieren und ihren Arbeitswirkungsgrad zu erhöhen, wenn die Arbeitslaststromstärke niedrig oder mittel ist; und Ausschalten der AGVC, wobei reguläre Referenzspannungen verwendet werden, um symmetrische Gate-Spannungs-Steuersignale zu erzeugen, um den Schalterverlust zu reduzieren und ihren Arbeitswirkungsgrad zu erhöhen, wenn die Arbeitslaststromstärke hoch ist.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Erzeugen der asymmetrischen Gate-Spannung durch eine Zwischenspannung für Phasensteuereinheiten für asymmetrische Gate-Spannung, wenn die AGVC verwendet werden soll und niedrige Ausgangslasten angetroffen werden, in der Lage ist, asymmetrische Gate-Spannungen für komplementäre Gate-Spannungs-Ansteuerschaltungen bereitzustellen, um ihre Schaltverluste zu reduzieren und ihren Arbeitswirkungsgrad zu erhöhen, wobei das Verfahren ferner umfasst: Erzeugen der Zwischenspannung durch die Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltung; Erzeugen der asymmetrischen Gate-Spannung durch zwei Paare von Gate-Spannungs-Ansteuerschaltungen, wobei die erzeugte Zwischenspannung aus der Zwischenspannungs-Erzeugungsschaltung verwendet wird, und Verringern von Schaltverlusten und Erhöhen des Arbeitswirkungsgrads durch asymmetrische Gate-Spannungen, die niedriger als normale Gate-Spannungen sind.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei ein Algorithmus, der Ausgaben bei Lasten detektiert und sie in Befehlssignale für Eingänge der Gate-Spannungs-Controllereinheit umsetzt, um AGVC-Steuerungen für Mehrphasenschalter für niedrige, mittlere oder hohe Laststromstärken anzupassen, in der Lage ist, AGVC-Steuerungen dynamisch basierend auf dem Lastzustand zu automatisieren, wobei das Verfahren ferner umfasst: Detektieren der Ausgangsstromstärke oder -spannung aus Spannungsschaltern oder Abwärtsumsetzern; und Algorithmen, die verwendet werden, um ein oder mehrere Befehlssignale basierend auf abgetasteten Stromstärken oder Spannungen zu erzeugen, um Lastzustandsinformationen in dem einen oder den mehreren Befehlssignale zu verschlüsseln.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei das Rückkoppeln der Befehlssignale zu der Gate-Spannungs-Controllereinheit, um AGVC-Steuerungen für Mehrphasenschalter für niedrige, mittlere oder hohe Laststromstärken anzupassen, in der Lage ist, den Lastzustand zu verwenden, um die AGVC-Einrichtung automatisch zu steuern, wobei das Verfahren ferner umfasst: Einspeisen des erzeugten Befehlssignals als das Rückkopplungssteuersignal durch die Rückkopplungsschleife in den Eingang der Gate-Spannungs-Controllereinheit, um AGVC-Steuerungen für Mehrphasenschalter für niedrige, mittlere oder hohe Laststromstärken anzupassen.