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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Offenbarung betrifft Leistungswandler und insbesondere Leistungswandler mit isolierten Topologien.
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ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
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Die Gleichrichtung auf der Sekundärseite eines Leistungswandlers mit einer isolierten Topologie wird typischerweise mit einer (oder mehreren) Dioden bewerkstelligt. Ein Diodengleichrichter auf der Sekundärseite eines Leistungswandlers mit einer isolierten Topologie kann jedoch durch einen Synchrongleichrichter ersetzt werden, bei dem es sich um eine beliebige Art von Leistungstransistor handeln kann, der anstelle einer Standarddiode verwendet wird. Ein Synchrongleichrichter ist typischerweise ein Silizium-Leistungs-MOSFET. Aufgrund der Natur des Schaltens im Leistungswandler kann die Steuerung der Synchrongleichrichter recht schwierig sein und erfordert möglicherweise zusätzliche Hardware.
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Es ist eine Aufgabe, insbesondere diesbezüglich verbesserte Einrichtungen mit Synchrongleichrichtern und entsprechende Verfahren bereitzustellen.
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KURZFASSUNG
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Es werden eine Einrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 14 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsformen.
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Im Allgemeinen betrifft die Offenbarung ein Verfahren und eine Einrichtung, bei denen ein Leistungswandler mit einer isolierten Topologie eine Primärseite und eine Sekundärseite enthalten kann. Die Sekundärseite enthält einen selbstbestromten Synchrongleichrichter. Der selbstbestromte Synchrongleichrichter enthält einen Synchrongleichrichtertransistor mit mindestens einem Drain und einem Gate. Der selbstbestromte Synchrongleichrichter enthält auch einen Spannungsregler mit mindestens einem Eingang, der an den Drain des Synchrongleichrichtertransistors gekoppelt ist, und einen Ausgang. Der Spannungsregler enthält einen Hilfstransistor mit mindestens einem Drain, der an den Drain des Synchrongleichrichtertransistors gekoppelt ist. Der Hilfstransistor befindet sich auf einem gleichen Rohchip (im Folgenden entsprechend der englischen Terminologie auch als Die bezeichnet) wie der Synchrongleichrichtertransistor. Der selbstbestromte Synchrongleichrichter enthält auch eine Klemmeinrichtung mit mindestens einem Ausgang, der an das Gate des Hilfstransistors gekoppelt ist. Der selbstbestromte Synchrongleichrichter enthält auch eine Gatetreiberschaltung mit mindestens einem Stromversorgungseingang, der an den Ausgang des Spannungsreglers gekoppelt ist, und einem Ausgang, der an das Gate des Synchrongleichrichtertransistors gekoppelt ist.
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Bei einigen Beispielen umfasst eine Einrichtung einen Leistungswandler mit einer isolierten Topologie. Der Leistungswandler enthält eine Primärseite und eine Sekundärseite. Die Sekundärseite enthält einen selbstbestromten Synchrongleichrichter. Der selbstbestromte Synchrongleichrichter enthält: einen Synchrongleichrichtertransistor mit mindestens einem Drain und einem Gate; einen Spannungsregler mit mindestens einem Eingang, der an den Drain des Synchrongleichrichters gekoppelt ist, und einem Ausgang, wobei der Spannungsregler Folgendes enthält: einen Hilfstransistor mit mindestens einem Drain, der an den Drain des Synchrongleichrichtertransistors gekoppelt ist, und ein Gate, wobei der Hilfstransistor sich auf einem gleichen Die wie der Synchrongleichrichtertransistor befindet; eine Klemmeinrichtung mit mindestens einem Ausgang, der an das Gate des Hilfstransistors gekoppelt ist; und eine Gatetreiberschaltung mit mindestens einem Stromversorgungseingang, der an den Ausgang des Spannungsreglers gekoppelt ist, und einem Ausgang, der an das Gate des Synchrongleichrichtertransistors gekoppelt ist.
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Bei einigen Beispielen umfasst ein Verfahren Folgendes:
Verwenden einer Gatetreiberschaltung zum Ansteuern eines Gates eines Synchrongleichrichtertransistors, wobei der Synchrongleichrichtertransistor Teil einer Sekundärseite eines Leistungswandlers mit einer isolierten Topologie ist, Verwenden eines Spannungsreglers zum Umwandeln einer Spannung an einem Drain des Synchrongleichrichtertransistors in eine geregelte Spannung, wobei der Spannungsregler einen Hilfstransistor mit einem Drain enthält, der an den Drain des Synchrongleichrichtertransistors gekoppelt ist und wobei sich der Hilfstransistor auf einem gleichen Die wie der Synchrongleichrichtertransistor befindet, Klemmen einer Spannung an einem Gate des Hilfstransistors und Liefern der geregelten Spannung an die Gatetreiberschaltung als eine Stromversorgung der Gatetreiberschaltung.
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Die Einzelheiten eines oder mehrerer Beispiele der Offenbarung sind in den beiliegenden Zeichnungen und der folgenden Beschreibung dargelegt. Weitere Merkmale, Aufgaben und Vorteile der Offenbarung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen und aus den Ansprüchen.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nicht-beschränkende und nicht-erschöpfende Beispiele der vorliegenden Offenbarung werden unter Bezugnahme auf die folgenden Zeichnungen beschrieben.
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1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines Leistungswandlers mit einem Synchrongleichrichter darstellt.
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2 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Prozesses darstellt, der durch ein Beispiel des Leistungswandlers von 1 verwendet werden kann.
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3 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel des Leistungswandlers von 1 darstellt, wobei der Leistungswandler ein LLC-Wandler ist mit einem Gleichrichter mit Mittelabgriff auf der Sekundärseite des Leistungswandlers mit selbstbestromten Synchrongleichrichtern, die auf die Masse auf der Sekundärseite bezogen sind.
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4 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel des Leistungswandlers von 1 darstellt, bei dem der Leistungswandler ein LLC-Wandler ist mit einem Gleichrichter mit Mittelabgriff auf der Sekundärseite des Leistungswandlers mit selbstbestromten Synchrongleichrichtern, die als potentialfreie Dioden verwendet werden.
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5 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel des Leistungswandlers von 1 zeigt, bei dem der Leistungswandler ein LLC-Wandler mit Sekundärvollbrückengleichrichtung ist.
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6 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel des Synchrongleichrichters von 1 darstellt.
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7 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel des Synchrongleichrichters von 6 darstellt.
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8 ist ein Blockdiagramm, das ein weiteres Beispiel des Spannungsreglers und der Klemmeinrichtung von 6 darstellt.
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9 ist ein Blockdiagramm, das noch ein weiteres Beispiel des Spannungsreglers und der Klemmeinrichtung von 6 darstellt.
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10 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel des Synchrongleichrichters von 7 darstellt.
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11 ist ein Blockdiagramm, das ein weiteres Beispiel des Synchrongleichrichters von 7 gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung darstellt.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Verschiedene Beispiele dieser Offenbarung werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ausführlich beschrieben, wobei gleiche Bezugszahlen in den verschiedenen Ansichten gleiche Teile und Baugruppen darstellen. Die Bezugnahme auf verschiedene Beispiele beschränkt nicht den Schutzbereich dieser Offenbarung, der nur durch den Schutzbereich der hier beigefügten Ansprüche beschränkt ist. Außerdem sollen in dieser Patentschrift dargelegte beliebige Beispiele nicht beschränkend sein und legen lediglich einige der vielen möglichen Beispiele dieser Offenbarung dar.
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In der ganzen Patentschrift und den Ansprüchen besitzen die folgenden Ausdrücke mindestens die hierin explizit assoziierten Bedeutungen, sofern nicht der Kontext etwas anderes diktiert. Die unten identifizierten Bedeutungen beschränken nicht notwendigerweise die Ausdrücke, sondern liefern lediglich veranschaulichende Beispiele für die Ausdrücke. Die Bedeutung von „ein/eine/einer“ und „der/die/das“ beinhaltet die Mehrzahlreferenz, und die Bedeutung von „in“ beinhaltet „in“ und „an“. Die Phrase „in einer Ausführungsform“ oder „in einem Beispiel“, wie hierin verwendet, bezieht sich nicht notwendigerweise auf die gleiche Ausführungsform oder das gleiche Beispiel, wenngleich dies der Fall sein kann. Analog bezieht sich die Phrase „bei einigen Ausführungsformen“ oder „bei einigen Beispielen“, wie hierin verwendet, wenn mehrfach verwendet, nicht notwendigerweise auf die gleichen Ausführungsformen oder Beispiele, wenngleich dies der Fall sein kann. Wie hierin verwendet, ist der Ausdruck „oder“ ein inklusiver „oder“-Operator und ist äquivalent dem Ausdruck „und/oder“, sofern nicht der Kontext deutlich etwas anderes diktiert. Der Ausdruck „teilweise auf der Basis von“, „mindestens teilweise auf der Basis von“ oder „auf der Basis von“ ist nicht exklusiv und gestattet das Basieren auf nichtbeschriebenen zusätzlichen Faktoren, sofern nicht der Kontext deutlich etwas anderes diktiert. Wo geeignet, soll der Ausdruck „Gate“ ein generischer Ausdruck sein, der sowohl „Gate“ als auch „Basis“ abdeckt; der Ausdruck „Source“ soll ein generischer Ausdruck sein, der sowohl „Source“ als auch „Emitter“ abdeckt; und der Ausdruck „Drain“ soll ein generischer Ausdruck sein, der sowohl „Drain“ als auch „Kollektor“ abdeckt. Der Ausdruck „gekoppelt“ bedeutet mindestens entweder eine direkte elektrische Verbindung zwischen den verbundenen Gegenständen oder eine indirekte Verbindung durch eine oder mehrere passive oder aktive dazwischenliegende Einrichtungen. Der Ausdruck „Signal“ bedeutet mindestens einen Strom, eine Spannung, eine Ladung, eine Temperatur, Daten oder ein anderes Signal.
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1 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel des Leistungswandlers 100 darstellt, der eine Primärseite 101 und eine Sekundärseite 102 enthält, wobei die Sekundärseite 102 den Synchrongleichrichter 110 enthält. Bei einigen Beispielen ist der Synchrongleichrichter 110 ein selbstbestromter Synchrongleichrichter, der einen Synchrongleichrichtertransistor M1, einen Spannungsregler 120, eine Klemmeinrichtung 130 und eine Gatetreiberschaltung 140 enthält. Der Spannungsregler 120 enthält einen Hilfstransistor M2. Der Hilfstransistor M2 befindet sich auf dem gleichen Die wie der Synchrongleichrichtertransistor M1.
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Bei dem Beispiel von 1 besitzt der Transistor M1 mindestens eine Source, die an einen Knoten N1 gekoppelt ist, einen Drain, der an einen Knoten N2 gekoppelt ist, und ein Gate, das an einen Knoten N4 gekoppelt ist. Der Transistor M2 besitzt mindestens einen Drain, der an den Knoten N2 gekoppelt ist, und ein Gate, das an einen Knoten N5 gekoppelt ist. Der Gatetreiber 140 besitzt mindestens einen Stromversorgungseingang, der an einen Knoten N3 gekoppelt ist, und einen Ausgang, der an den Knoten N4 gekoppelt ist. Die Klemmeinrichtung 130 besitzt mindestens einen Ausgang, der an den Knoten N5 gekoppelt ist. Der Spannungsregler 120 besitzt einen Eingang, der an den Knoten N2 gekoppelt ist, und einen Ausgang, der an den Knoten N3 gekoppelt ist. Der Spannungsregler 120 ist ausgelegt zum Liefern einer geregelten Spannung VCC am Ausgang des Spannungsreglers 120.
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1 stellt verschiedene Beispiele mit offenen Enden des Leistungswandlers 100 dar, die nicht notwendigerweise alle Komponenten oder Verbindungen zeigt, die im Leistungswandler 100 vorliegen. Die Knoten ohne Verbindungen in 1 sind nicht notwendigerweise potentialfreie Knoten, und in 1 nicht gezeigte Einrichtungen sollen nicht anzeigen, dass eine vollständige Funktionalität notwendigerweise ohne solche Einrichtungen bewerkstelligt werden kann. Vielmehr ist 1 eine Zeichnung mit offenen Enden, die viele verschiedene Beispiele umfassen soll, wobei mehrere derartige Beispiele unten ausführlicher dargestellt und erörtert sind.
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2 ist ein Flussdiagramm, das ein Beispiel eines Prozesses 250 darstellt, der durch ein Beispiel des Leistungswandlers 100 von 1 verwendet werden kann. Nach einem Startblock steuert eine Gatetreiberschaltung (z.B. Gatetreiberschaltung 140 von 1) ein Gate eines synchronen Gleichrichtertransistors (z.B. Transistor M1 von 1) an (251). Der Synchrongleichrichtertransistor (z.B. Transistor M1) befindet sich auf einer Sekundärseite (z.B. Sekundärseite 102 von 1) eines Leistungswandlers (z.B. Leistungswandler 100 von 1) mit einer isolierten Topologie.
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Als Nächstes wandelt ein Spannungsregler (z.B. Spannungsregler 120 von 1) eine Spannung am Drain des Synchrongleichrichtertransistors (z.B. Transistor M1) in eine geregelte Spannung um (z.B. Spannung VCC von 1) (252). Der Spannungsregler (z.B. 120) enthält einen Hilfstransistor (z.B. Transistor M2 von 1) mit einem Drain, der an den Drain des Synchrongleichrichtertransistors (z.B. M1) gekoppelt ist. Außerdem befindet sich der Hilfstransistor (z.B. M2) auf einem gleichen Die wie der Synchrongleichrichtertransistor (z.B. M1).
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Dann klemmt eine Klemmeinrichtung (z.B. Klemmeinrichtung 130 von 1) eine Spannung am Gate des Hilfstransistors (z.B. Transistor M2) (253). Als Nächstes liefert der Spannungsregler (z.B. Spannungsregler 120 von 1) die geregelte Spannung (z.B. VCC) an die Gatetreiberschaltung (z.B. 140) als eine Stromversorgung der Gatetreiberschaltung (254). Der Prozess geht dann zu einem Rückkehrblock, wo eine andere Verarbeitung wieder aufgenommen wird.
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3 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Last Last1 und eines Leistungswandlers 300 darstellt, der als ein Beispiel des Leistungswandlers 100 von 1 verwendet werden könnte, wobei der Leistungswandler (300) ein LLC-Wandler mit einem Gleichrichter mit Mittelabgriff auf der Sekundärseite (302) des Leistungswandlers mit selbstbestromten Synchrongleichrichtern (DrSynk1 und DrSynk2), die auf die Masse auf der Sekundärseite bezogen sind, ist (302). Der Leistungswandler 300 enthält weiterhin einen Transformator Tr. Ein Beispiel einer Primärseite 301 beinhaltet eine Eingangsspannungsquelle Vin, einen primärseitigen Controller 303, einen Kondensator Cin, einen Kondensator Cr, Induktoren Lr und Lm, einen Schalter IlsSw und einen Schalter LsSw. Ein Beispiel einer Sekundärseite 302 beinhaltet einen Ausgangskondensator Cout, einen selbstbestromten Synchrongleichrichter DrSynk1 und einen selbstbestromten Synchrongleichrichter DrSynk2. Die selbstbestromten Synchrongleichrichter DrSynk1 und DrSynk2 sind Beispiele eines selbstbestromten Synchrongleichrichters 110 von 1. 3 zeigt ein Beispiel der Verwendung eines Resonanz-LLC-Wandlers (300) mit Gleichrichtung mit Mittenabgriff auf der Sekundärseite (302), wo die selbstbestromten Synchrongleichrichter DrSynk1 und DrSynk2 auf die Masse auf der Sekundärseite (302) bezogen sind. Bei einigen Beispielen ist der primärseitige Controller 303 ausgelegt zum Liefern eines PWM-Signals PWMSignal1 an das Gate des Schalters HsSw und zum Liefern eines PWM-Signals PWMSignal2 an das Gate des Schalters LsSw.
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4 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Last Last1 und eines Leistungswandlers 400 darstellt, der als ein Beispiel des Leistungswandlers 100 von 1 verwendet werden könnte, wobei der Leistungswandler ein LLC-Wandler mit einem Gleichrichter mit Mittelabgriff auf der Sekundärseite (402) des Leistungswandlers (400) mit selbstbestromten Synchrongleichrichtern (DrSynk1 und DrSynk2), die als potentialfreie Dioden verwendet werden, ist. Im Leistungswandler 400 können, wie in 4 dargestellt, die selbstbestromten Synchrongleichrichter (DrSynk1 und DrSynk2) als potentialfreie Dioden verwendet werden. Bei einigen Beispielen wie dem Leistungswandler 300 von 3 ist der Leistungswandler 400 ein LLC-Schaltnetzteil (SWPS) mit sekundären Gleichrichtern mit Mittelabgriff (DrSynk1 und DRSynk2).
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5 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel einer Last Last1 und eines Leistungswandlers 500 darstellt, der als ein Beispiel des Leistungswandlers 100 von 1 verwendet werden kann, wobei der Leistungswandler (500) ein LLC-Wandler mit sekundärer Vollbrückengleichrichtung ist. Bei einigen Beispielen enthält die Sekundärseite 502 weiterhin selbstbestromte Gleichrichter DrSynk3 und DrSynk4. Wie der Leistungswandler 400 verwendet bei einigen Beispielen der Leistungswandler 500 die Synchrongleichrichter (DrSynk1, DrSynk2, DrSynk3 und DrSynk4) als potentialfreie Dioden. Bei einigen Beispielen verwendet die Sekundärseite 502 des Leistungswandlers 500 eine Vollbrückensynchrongleichrichtungstopologie.
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Bei einem Beispiel enthält der Leistungswandler 500 zwei selbstbestromte Niederspannungs-Synchrongleichrichter 510 und zwei selbstbestromte Hochspannungs-Synchrongleichrichter 510. Bei einigen Beispielen teilen sich die selbstbestromten Niederspannungs-Synchrongleichrichter einen gemeinsamen Schwingkreiskondensator Ctank.
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Die 3–5 zeigen Topologien von Beispielen des Leistungswandlers 100, bei dem ein oder mehrere Beispiele eines oder mehrerer selbstbestromter Synchrongleichrichter 110 verwendet werden können. Diese Beispiele sind jedoch nicht einschränkend und eine beliebige andere geeignete isolierte Leistungswandlertopologie kann verwendet werden, einschließlich, als ein Beispiel, einer Sperrwandlertopologie.
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6 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel des Synchrongleichrichters 600 veranschaulicht, das als ein Beispiel des selbstbestromten Synchrongleichrichters 100 von 1 verwendet werden kann. Der Synchrongleichrichter 600 kann weiterhin einen Schwingkreiskondensator CTank enthalten. Der Synchrongleichrichtertransistor M1 kann eine Body-Diode D1 enthalten. Der Gatetreiber 640 kann eine Steuer- und Ansteuerschaltung 641 enthalten.
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Der Synchrongleichrichter 600 kann einen Weg ermöglichen zum Erhalten einer Stromversorgung für Synchrongleichrichtercontroller und/oder -treiber auf der Basis gewisser, in den Hauptsynchrongleichrichter integrierter Hilfskomponenten. Bei einigen Beispielen kann die Aus-Zustand-Sperrspannung zwischen dem Drain und der Source des Synchrongleichrichtertransistors M1 als die Potentialdifferenz verwendet werden, aus der Energie für die Controller- und Ansteuerschaltung 641 erhalten werden soll, wenn sich der Transistor M1 im Auszustand befindet, und zum Laden des Kondensators Ctank. Bei einigen Beispielen ist die Steuer- und Ansteuerschaltung 641 ausgelegt zum Ein- und Ausschalten des Gates des Transistors M1 und zum Ansteuern des Gates des Transistors M1, wenn der Transistor M1 eingeschaltet sein soll. Bei einigen Beispielen wird das Gate des Transistors M1 mit einem 50%-Tastverhältnissignal gesteuert, doch ist die Offenbarung nicht so beschränkt und andere Beispiele eines Signals können verwendet werden. Bei einigen Beispielen wird das Gate des Transistors M1 mit einem impulsbreitenmodulierten (PWM-)Signal mit einem Tastverhältnis von etwa 50% angesteuert.
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Die Spannung am Transistor M1, wenn sich M1 in einem „Aus“-Zustand befindet, kann verwendet werden, um die Steuer- und Treiberschaltung 641 zu versorgen und den Kondensator Ctank zu laden, wie in einigen Beispielen folgt. Wenn sich der Transistor M1 in einem Auszustand befindet, ist Vds des Transistors M1 geringfügig negativ. Wenn sich der Transistor M1 in einem Auszustand befindet, ist die Spannung am Knoten N2 (am Drain von M1) sehr hoch. Der Kondensator Ctank ist ausgelegt zum Speichern von Energie, um die Steuer- und Ansteuerschaltung 641 zu versorgen, wenn sich der Transistor M1 im Ein-Zustand befindet. Unabhängig von dem Sperrspannungswert kann die Versorgungsspannung (VCC) für die Steuer- und Treiberschaltung 641 auf einen niedrigeren Wert geregelt werden, um die Verwendung von Niederspannungstechnologien für die Controller-/Treiber-Implementierung der Steuer- und Treiberschaltung 641 zu gestatten. Der Spannungsregler 620 ist ausgelegt zum Heruntersetzen der größten VKA-Spannung (d.h. dem Spannungsabfall zwischen den Knoten N1 und dem Knoten N1) zum Versorgen der Steuer- und Ansteuerschaltung 641, Laden des Schwingkreiskondensators CTank und Blockieren der Entladung des Schwingkreiskondensators Ctank in der Halbperiode, wenn VKA negativ ist.
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Wenngleich in 6 nicht gezeigt, wie in anderen Figuren gezeigt und wie oben und unten erörtert, kann der Spannungsregler 620 den Transistor M2 enthalten. Zudem können der Transistor M2 und der Transistor M1 auf dem gleichen Die ausgebildet sein. Jedoch können Ansteuer- und Erfassungsschaltungen in der Steuer- und Treiberschaltung 641 immer noch auf verschiedenen Dies ausgebildet werden, und doch auf dem gleichen Package wie jeweils der andere und/oder wie Transistoren M1 und M2 angeordnet sein; sie können voll monolithisch (d.h. auf dem gleichen Die) sein oder können sogar separate Entitäten wie in einer vollständig diskreten Lösung sein.
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Während die Transistoren M1 und M2 bei einigen Beispielen MOS-Einrichtungen sein können, können stattdessen andere Leistungseinrichtungen für die Transistoren M1 und M2 in verschiedenen Beispielen verwendet werden. Diese Beispiele und andere liegen innerhalb des Schutzbereichs und des Gedankens der Offenbarung.
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Beispiele eines selbstbestromten Synchrongleichrichters 610 können verwendet werden, um die Stromversorgung zu einer beliebigen Art von integriertem SR und seiner Schalt-, Ansteuer- und Steuerschaltungsanordnung bereitzustellen. Bei verschiedenen Beispielen kann der Synchrongleichrichter 610 extern gesteuert oder selbst angetrieben werden und mit einer anderen Leistungseinrichtung implementiert werden.
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Bei einigen Beispielen basiert der selbstbestromte Ansatz, der im Synchrongleichrichter 610 verwendet wird, auf der Verwendung eines Abschnitts der aktiven Synchrongleichrichtereinrichtung als Durchlasselement für einen Spannungsregler (z.B. Spannungsregler 620) und erfordert keine komplexe externe Hardware und Hochspannungstechnologien zum Ansteuern und Steuern von SR-Leistungseinrichtungen. Bei einigen Beispielen liefert der Synchrongleichrichter 610 auch einen modularen Ansatz für verschiedene Spannungsklassen des Synchrongleichrichters. Falls beispielsweise in einigen Beispielen eine Treiberschaltung für einen bestimmten Spannungspegel ausgelegt ist, muss die Treiberschaltung nicht geändert werden, falls ein anderer Spannungspegel verwendet wird, und die gleiche Treiberschaltung, die für einen bestimmten Spannungspegel ausgelegt ist, kann für einen anderen Spannungspegel verwendet werden. Auf diese Weise kann ungeachtet der verwendeten jeweiligen Hochspannung der gleiche Treiber verwendet werden, um den Synchrongleichrichter anzusteuern, und der Treiber muss nicht neu ausgelegt werden.
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Bei einigen Beispielen macht ein selbstbestromter Ansatz einen Synchrongleichrichter 610 zu einer wahren aktiven Diode und der Systemdesigner muss sich nicht um seine Versorgung kümmern.
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Die Verwendungen für den Synchrongleichrichter 610 sind nicht auf Applikationen beschränkt, wo ein Anschluss des Synchrongleichrichters mit Masse verbunden ist. Beispielsweise können einige Beispiele des Synchrongleichrichters 610 auch innerhalb von Applikationen verwendet werden, wo Synchrongleichrichter in Hochspannungsumgebungen (HS-Umgebungen) verwendet werden.
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Außerdem können Beispiele des Synchrongleichrichters 610 in Applikationen verwendet werden, wo eine Vereinfachung und Reduktion von Hardware erforderlich ist, weil solche Applikationen möglicherweise nicht in der Lage sind, es sich zu leisten, die umständliche und komplexe Schaltungsanordnung zu implementieren, die zum Versorgen des Synchrongleichrichters erforderlich ist. Beispielsweise kann bei Applikationen, die Solarmikrowechselrichter beinhalten, die Selbstbestromung für die Synchrongleichrichter eine höhere Zuverlässigkeit bereitstellen, und bei Applikationen, die Schweißen beinhalten, kann die Selbstbestromung für die Synchrongleichrichter leichteres Gerät zum Tragen bereitstellen.
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7 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel des Synchrongleichrichters 710 darstellt, der als ein Beispiel des Synchrongleichrichters 610 von 6 verwendet werden kann. Bei einigen Beispielen enthält der Spannungsregler 720 den Transistor M2, die Diode D2 und den Widerstand R1. Bei einigen Beispielen beinhaltet die Klemmeinrichtung 630 eine Zenerdiode DZ1.
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Bei einigen Beispielen ist, wie in 7 dargestellt, der Spannungsregler 720 als ein einfacher Linearregler mit offenem Kreis angeordnet, der so ausgelegt ist, dass er wie folgt in einigen Beispielen arbeitet. Die Zenerdiode DZ1 ist ausgelegt zum Bereitstellen der Referenz an den Spannungsregler 720. Der Widerstand R1 ist als ein Vorspannelement für DZ1 und als ein(e) Pull-Up und/oder Vorspannung für das Gate des Transistors M2 ausgelegt. Bei einigen Beispielen ist der Widerstand R1 ein hochohmiger Widerstand. Der Transistor M2 ist eine Leistungseinrichtung, die als ein Durchlasselement ausgelegt ist, das der Spannungsdifferenz zwischen der Spannung am Knoten N2 und dem geregelten Vcc-Potential standhalten muss. Die Diode D2 ist ausgelegt, um ein Entladen der im Kondensator CTank gespeicherten Energie zu vermeiden, während der Transistor M1 eingeschaltet ist und das Potential am Knoten N2 unter null abfällt. Das heißt, die Diode D2 ist so ausgelegt, dass sie den Kondensator Ctank vom Knoten N2 trennt, während der Transistor M1 eingeschaltet ist.
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Wenn sich der Transistor M1 ausschaltet, bewegt sich die Spannung am Knoten N2 hoch, der Widerstand R1 wird hochgezogen und der Strom beginnt durch die Zenerdiode DZ1 zu fließen. Dementsprechend bewegt sich die Spannung am Knoten N5 am Gate des Transistors M2 hoch. Die Spannung am Knoten N5 bewegt sich hoch, bis die Spannung am Knoten N5 Vcc plus einem Diodenabfall an der Diode D2 erreicht. An diesem Punkt beginnt der Transistor M2 zu leiten und Strom vom Knoten N2 in den Kondensator Ctank oder in die Steuer- und Ansteuerschaltung 741 zu transferieren.
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Wenn sich der Transistor M1 einschaltet, bewegt sich die Spannung am Knoten N2 herunter, auch die Spannung am Drain des Transistors M2 bewegt sich herunter und bringt auch das Gate des Transistors M2 herunter, bis sich die Diode D2 in einem Sperrvorspannungszustand befindet. Wenn sich die Diode D2 in Sperrvorspannung befindet, gibt es keinen in den Schwingkreiskondensator Ctank fließenden Strom und der Transistor M2 ist vollständig ausgeschaltet, so dass kein Strom vom Kondensator Ctank zurück in den Knoten N1 oder Knoten N2 fließen kann. Dementsprechend wird der Knoten N2 dynamisch hoch oder herunter bewegt und schaltet den Transistor M2 dynamisch ein und aus, um Strom zum Schwingkreiskondensator Ctank zu leiten, aber nicht von dem Schwingkreiskondensator Ctank zum Knoten N1 oder Knoten N2.
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Der Transistor M2 ist zusammen mit dem Transistor M1 auf dem gleichen Die integriert. Bei einigen Beispielen sind auch der Pull-Up-Widerstand R1 und möglicherweise andere Komponenten auf dem gleichen Die wie die Transistoren M1 und M2 integriert. Die Transistoren M1 und M2 besitzen die gleiche Spannungsklasse. Die Spannung, die der Transistor M2 aushalten kann, ist die gleiche Spannung, die der Transistor M1 aushalten kann.
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Bei verschiedenen Beispielen kann die Klemmschaltung 730 eine Zenerdiode enthalten, wie gezeigt, oder kann eine andere Schaltung als eine Zenerdiode sein oder zusätzliche Komponenten enthalten. Beispielsweise kann die Klemmschaltung 730 eine komplexere Referenz-/Klemmstruktur als nur eine Zenerdiode sein.
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Bei verschiedenen Beispielen kann der Widerstand R1 durch eine andere Komponente wie etwa einen Kondensator oder ein anderes geeignetes Element zum Vorspannen des Gates des Transistors M2 ersetzt werden. Bei verschiedenen Beispielen kann die Diode D2 durch ein anderes Element ersetzt werden, das als eine Diode arbeitet, wie etwa einen als eine Diode konfigurierten Transistor.
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Wenngleich 7 ein bestimmtes Beispiel des Spannungsreglers 720 zeigt, kann eine beliebige geeignete Spannungsreglerstruktur verwendet werden, bei der sich die Transistoren M1 und M2 auf dem gleichen Die befinden.
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Die Steuer- und Ansteuerschaltung 741 ist ausgelegt, zu bestimmen, wann der Transistor M1 eingeschaltet werden soll, zu bestimmen, wann der Transistor M1 ausgeschaltet werden soll, und um den Transistor M1 anzusteuern, wenn der Transistor M1 eingeschaltet ist. Einige Beispiele eines Leistungswandlers, der den Synchrongleichrichter 710 enthält, enthalten möglicherweise nur einen Synchrongleichrichter 710. Andere Beispiele eines Leistungswandlers, der den Synchrongleichrichter 710 enthält, können zwei oder mehr Synchrongleichrichter 710 enthalten. Einige Beispiele enthalten zwei Synchrongleichrichter, die etwa 180 Grad außer Phase sind.
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Bei einigen dieser Beispiele, die zwei Synchrongleichrichter enthalten, die etwa 180 Grad außer Phase sind, kann eine Steuer- und Treiberschaltung 871 die Einschaltzeit wie folgt bestimmen. Wenn der Transistor M1 ausgeschaltet ist und sich der andere, um 180 Grad außer Phase befindliche Synchrongleichrichter ausschaltet, beginnt die Spannung am Drain des Transistors M1 sehr schnell abzufallen. Die Spannung am Drain des Transistors M1 bewegt sich herunter, bis die Diode D1 in Durchlassrichtung vorgespannt ist, wobei die Diode D1 dann beginnt, sich selbst mit der Spannung am Drain des Transistors M1 zu erhöhen. Auf diese Weise folgt die Spannung am Gate des Transistors M2 der Spannung am Knoten N2 innerhalb eines Diodenspannungsabfalls. Dementsprechend kann in diesen Beispielen die Spannung am Gate des Transistors M2 überwacht werden, um zu bestimmen, wann M1 eingeschaltet wird. Sobald das Gate des Transistors M2 einen Diodenabfall unter Vcc abfällt, kann der Transistor M1 eingeschaltet werden. Alternativ kann bei einigen Beispielen die Source von M2 auf ähnliche Weise überwacht werden. Bei einigen Beispielen wird der Transistor M2 eingeschaltet, wenn eine Sourcespannung des Transistors M2 unter einem vorbestimmten Spannungspegel liegt.
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8 ist ein Blockdiagramm, das ein weiteres Beispiel eines Spannungsreglers 820 und einer Klemmeinrichtung 830 darstellt, die als Beispiele des Spannungsreglers 620 und der Klemmeinrichtung 630 von 6 verwendet werden können. Die Klemmeinrichtung 830 kann die Zenerdiode DZ1 enthalten. Der Spannungsregler 820 kann einen Transistor Maux, die Diode D1, den Transistor T1 und die Widerstände R1 und R2 enthalten. Der Transistor Maux ist ein Beispiel des Transistors M2 von 6.
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Bei einigen Beispielen ist die Spannung Vin (die Spannung zwischen den Knoten N1 und N2) eine Rechteckwelle. Bei einigen Beispielen ist der Spannungsregler 820 als ein Low-Drop-Linearregler ausgelegt, der eine n-Kanal-Einrichtung (z.B. Transistor T1) als ein Durchlasselement verwendet.
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Ein derartiges Beispiel ist in 8 dargestellt, in dem die Dioden D1 und D2, der Kondensator C1 und die Kapazität Cdg von Maux so ausgelegt sind, dass sie zusammen als eine Ladepumpe arbeiten, die das Gate des Transistors Maux versorgt, wobei der Transistor Maux als ein Durchlasselement ausgelegt ist. Bei einigen Beispielen wird die Ladepumpe, die die Dioden D1 und D1, den Kondensator C2 und die Kapazität Cdg von Maux enthält, durch die Rechteckwelle an den Knoten N1 und N2 (Spannung Vin) angesteuert.
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9 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines Spannungsreglers 920 und einer Klemmeinrichtung 930 darstellt, die als Beispiele des Spannungsreglers 620 und der Klemmeinrichtung 630 von 6 verwendet werden können. Die Klemmeinrichtung 930 kann eine Zenerdiode DZ2 enthalten. Der Spannungsregler 820 kann den Transistor Maux, die Dioden D1 und D2 und D3, den Transistor T1, die Zenerdiode D1, die Kondensatoren C1 und C2 und die Widerstände R1 und R2 enthalten. Der Transistor Maux ist ein Beispiel des Transistors M2 von 6.
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Der Spannungsregler 920 ist ähnlich dem Spannungsregler 820 von 8, enthält aber ein weiteres Beispiel einer Ladepumpe. 9 veranschaulicht einen anderen Weg zum Urladen des Gates des Durchlasselements und zum Speichern von Ladung darauf, um einen Low-Drop-Regler mit n-Kanal-Einrichtung zu realisieren. Bei verschiedenen anderen Beispielen kann ein beliebiger anderer geeigneter Weg zum Urladen des Gates des Durchlasselements und zum Speichern von Ladung darauf, um einen Low-Dropout-Regler mit einer n-Kanal-Einrichtung zu realisieren, verwendet werden. Diese Beispiele und andere liegen innerhalb des Schutzbereichs und Gedankens der Offenbarung.
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Verschiedene Arten von Spannungsreglern, die Beispiele des Spannungsreglers 120 von 1 und/oder des Spannungsreglers 620 von 6 sind, sind in den verschiedenen Figuren dargestellt und oben erörtert worden. Die Offenbarung ist jedoch nicht beschränkt und andere geeignete Arten von Spannungsreglern können verwendet werden, wie etwa ein Linearspannungsregler, eine Ladepumpe, ein Schaltregler und/oder dergleichen.
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10 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel des Synchrongleichrichters 1010 darstellt, der als ein Beispiel des Synchrongleichrichters 710 von 7 verwendet werden kann. Bei einigen Beispielen enthält der Synchrongleichrichter 1010 weiterhin einen Transistor Ms. Der Transistor Maux enthält weiterhin eine Body-Diode D1a, und der Transistor Ms enthält weiterhin eine Body-Diode D1s. Bei einigen Beispielen sind die Transistoren M1, Ms, Maux und R1 auf einer integrierten Schaltung IC1 integriert und die Zenerdiode DZ1, die Diode D2, die Kondensatorsteuer- und -ansteuerschaltung 1041 sind auf einer integrierten Schaltung IC2 integriert. Bei einigen Beispielen enthält die Steuer- und Treiberschaltung 1041 einen Vergleicher onCmp, einen Vergleicher OffCmp, einen Erfassungsverstärker CsenseAmp, einen Widerstand Rf, einen Gatetreiber G_Drv und einen Transistor M3.
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Bei einigen Beispielen ist IC1 ein Hochspannungschip, der in einer Technologie für diskrete vertikale Leistungs-MOS implementiert ist. Bei einigen Beispielen ist der Transistor M1 ausgelegt, als die Hauptsynchrongleichrichter-Leistungseinrichtung (SR-Leistungseinrichtung) zu arbeiten, der Transistor Ms ist ausgelegt, als ein Stromerfassungselement zu arbeiten, der Transistor Maux ist ausgelegt, als ein Linearreglerdurchlasselement zu arbeiten, und der Widerstand R1 ist ausgelegt, als ein Vorspannungswiderstand für den Transistor Maux zu arbeiten.
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Bei einigen Beispielen ist IC2 ein Niederspannungschip zum Steuern und Ansteuern des Transistors M1. Bei einigen Beispielen ist der Verstärker CsenseAmp ausgelegt zum Messen eines Sourcestroms des Transistors M1. Bei einigen Beispielen ist der Vergleicher OnCmp ausgelegt zum Detektieren von Einschaltfällen. Bei einigen Beispielen ist der Vergleicher OffCmp ausgelegt zum Detektieren von Ausschaltfällen. Bei einigen Beispielen ist enthält ein Einschalt-/Ausschaltblock 1060 eine Logik zum Verwalten von Ein- und Aus-Befehlen und Sicherheitssignalen. Bei einigen Beispielen ist die Gatetreiberschaltung G_Drv ausgelegt zum Arbeiten als eine Ansteuerschaltung für das Gate des Transistors M1.
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Dadurch, dass der Synchrongleichrichter 1010 unter zwei ICs, Niederspannung zum Steuern/Ansteuern und Hochspannung für die Stromversorgung, aufgeteilt ist, kann er eine sehr gute Flexibilität und hohe Leistung und Steuerung bereitstellen. Der Synchrongleichrichter 1010 kann als eine verlustarme Diode ausgelegt sein. Außerdem können Spannungsklassen lediglich durch Austauschen von IC1 leicht geändert werden. Der IC2 kann eine Niederspannungstechnologie verwenden. Bei einigen Beispielen braucht der IC2 nicht mit verschiedenen Spannungsklassen geändert zu werden und kann mit einer beliebigen geeigneten Spannungsklasse verwendet werden, weil IC1 Vcc auf einem geeigneten Spannungspegel für IC2 ungeachtet des durch den IC1 empfangenen Spannungspegels liefert. Außerdem kann eine Niederspannungstechnologie mit einer hohen Logikdichte für den IC2 das Implementieren ausgeklügelter und leistungsstarker Steuer-, Überwachungs- und Kommunikationsfunktionen gestatten.
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Bei einigen Beispielen ist der Schwingkreiskondensator CTank in das Systempackage integriert. Bei einigen dieser Beispiele ist der Synchrongleichrichter 1010 eine zweipolige Einrichtung, die als ein eins-zu-eins-Ersatz einer klassischen Diode verwendet werden kann.
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Bei einigen Beispielen gestattet die Existenz einer integrierten Versorgung die Möglichkeit zum Modulieren der Ansteuerspannung des Synchrongleichrichters 1010 gemäß der Arbeitsbedingung und zum Maximieren der Systemeffizienz. Mehrere Informationsquellen können für diesen Zweck verwendet werden, einschließlich Strom, Temperatur, Logiksignale von externen Controllern und/oder dergleichen.
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Bei Beispielen des Synchrongleichrichters 1010, bei denen eine Stromerfassung der Steuer- und Ansteuerschaltung 1041 zur Verfügung steht, kann der Gatetreiber G_Drv die Ansteuerspannung am Knoten N4 derart ausgeben, dass die Ansteuerspannung proportional zum Laststrom ist. Falls bei diesem Beispiel der Leistungswandler (z.B. Leistungswandler 100 von 1) mit einer sehr geringen Last arbeitet, kann der Gatetreiber G_Drv bewirken, dass die Ansteuerspannung heruntergesetzt wird, um die Schaltverluste auf Kosten einer geringen Erhöhung der Leitungsverluste zu reduzieren. Umgekehrt sind bei sehr hohen Lasten die Leitungsverluste dominierend, und in diesem Fall kann der Gatetreiber G_Drv die Ansteuerspannung heraufsetzen.
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Bei einigen Beispielen kann der Gatetreiber G-Drv ausgelegt sein zum Modulieren der Ansteuerspannung gemäß der durch einen integrierten Sensor gelieferten Chiptemperatur. Auf diesen Wegen und anderen kann der Gatetreiber G_Drv ausgelegt sein zum Modulieren der SR-Ansteuerspannung gemäß verfügbaren Informationen, um die Systemeffizienz zu optimieren.
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Bei einigen Beispielen detektiert der Vergleicher OnCmp die Einschaltzeit für den Synchrongleichrichter 1010 im Niederspannungsbereich unter Ausnutzung der kombinierten Wirkungen des Hilfs-MOSFET Maux, der Body-Diode D1a und der Diode D1, wobei die Diode D1 ausgelegt ist zum Arbeiten als eine Antientladungsdiode für den Kondensator Ctank. Die Einschaltzeitdetektion wird durchgeführt durch Erfassen der abfallenden Flanke der Sourcespannung des Hilfstransistors Maux.
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Die Linearreglerstruktur für den Spannungsregler 1020 kann zum Detektieren der Einschaltzeit für den Transistor M1 wie folgt in einigen Beispielen verwendet werden. Der Transistor M1 wird eingeschaltet, wenn VKA unter das Potential am Knoten N1 abfällt, während die Body-Diode D1 zu leiten beginnt. Wie in 10 dargestellt, liegt aufgrund der Wirkung der Body-Dioden D1a und D2 ein ähnlicher Abfall zur gleichen Zeit an der Source des Transistors Maux vor, d.h. an der Spannung VKA_clamp. Der hauptsächliche Unterschied zwischen den Signalen VKA und VKA_clamp liegt darin, dass VKA ein Hochspannungssignal ist, während VKA_clamp eine geklemmte Niederspannungskopie von VKA ist, während für beide von ihnen die Flanken etwa zur gleichen Zeit auftreten.
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Dementsprechend kann bei einigen Beispielen das Signal VKA_clamp leicht durch die Controllerschaltungen verwaltet werden, um die Einschaltzeit zu detektieren, und, obwohl es in einem Niederspannungsbereich begrenzt ist, ist das Signal VKA_clamp immer noch ein Signal mit einer Amplitude von einigen Volt, was die Detektion relativ einfach und robust macht.
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Bei einigen Beispielen ist der Vergleicher OnCmp ausgelegt zum Vergleichen der beiden Spannungen an den Eingängen des Vergleichers OnCmp miteinander und zum Liefern eines Signals TurnOn als Reaktion auf den Vergleich. Bei einigen Beispielen ist der Vergleicher OffCmp ausgelegt zum Vergleichen der beiden Spannungen an den Eingängen des Vergleichers OffCmp miteinander und zum Liefern eines Signals TurnOff als Reaktion auf den Vergleich. Der Ein-/Ausschaltsteuerblock 10xx ist ausgelegt zum Empfangen der Signale TurnOn und TurnOff und zum Steuern des Einschaltens und Ausschaltens des Transistors M1 auf der Basis von Signal TurnOn und TurnOff. Bei einigen Beispielen kann der Einschalt-/Ausschaltblock 1060 einfach aus einem RS-Zwischenspeicher bestehen, so dass ein Wert gesetzt wird, wenn das Signal TurnOn aktiviert wird, und zurückgesetzt wird, wenn das Signal TurnOff aktiviert wird. Bei einigen Beispielen kann das Ein-/Ausschalten eine zusätzliche Logik enthalten, einschließlich einer Sicherheitslogik bei einigen Beispielen.
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Weil die Transistoren M1, Maux und Ms sich einen gemeinsamen Drain teilen, können bei einigen Beispielen die Transistoren M1, Maux und Ms auf sehr effiziente Weise durch eine vertikale HEXFET-Technologie implementiert werden. Außerdem kann bei einigen Beispielen der Widerstand R1 mit der Gate-Poly-Schicht des IC1 realisiert werden. Bei diesen Beispielen können alle für den Synchrongleichrichter 1010 und den Versorgungsabschnitt des Synchrongleichrichters 1010 erforderlichen Hochspannungseinrichtungen auf dem gleichen Siliziumstück platziert werden.
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Bei einigen Beispielen gestattet die Integration der Transistoren M1 und Maux und möglicherweise anderer Komponenten die Verwendung von Niederspannungstechnologien für Steuer- und Ansteuerschaltungen. Bei einigen Beispielen ist die einzige externe Komponente der Kondensator Ctank, während bei einigen Beispielen der Kondensator Ctank in das gleiche Package integriert ist und es keine externen Komponenten gibt. Weiterhin können Leistungseinrichtungen von verschiedenen Spannungsklassen durch Wählen der richtigen Spannungsklasse für die Transistoren M1 und Maux ohne jede Änderung bei IC2 realisiert werden. Außerdem kann der selbstbestromte Synchrongleichrichter 1010 als eine wahre aktive Diode mit einer System-in-Package-Lösung arbeiten. Außerdem können verschiedene Beispiele des Synchrongleichrichters 1010 für Niederspannungsapplikationen verwendet werden, und verschiedene Beispiele des Synchrongleichrichters 1010 können für Hochspannungsapplikationen verwendet werden.
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Viele geeignete Variationen sind für den Synchrongleichrichter 1010 möglich. Obgleich der Kondensator CTank als in den IC2 integriert gezeigt ist, ist beispielsweise bei anderen Beispielen der Kondensator Ctank ein diskretes Element, das vom IC2 getrennt ist. Obwohl die Zenerdiode DZ1 und die Diode D2 als Teil des IC2 gezeigt sind, können außerdem bei anderen Beispielen eine oder beide der Zenerdiode DZ1 und der Diode D2 externe Komponenten oder Teil des IC1 sein.
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11 ist ein Blockdiagramm, das ein Beispiel eines Synchrongleichrichters 1110 darstellt, der als ein weiteres Beispiel des Synchrongleichrichters 710 von 7 verwendet werden kann. Der Synchrongleichrichter 1110 ist ähnlich dem Synchrongleichrichter 1010 von 10, außer dass im Beispiel des in 11 dargestellten Synchrongleichrichters 1110 eine Einschaltdetektion durch Messen der Spannung an der Source des Transistors Maux bewerkstelligt wird. Außerdem ist im Synchrongleichrichter 1110 der Kondensator Ctank eine externe Komponente im Gegensatz zur Integrierung auf dem IC2, wie in 10 gezeigt. Der Kondensator Ctank kann in verschiedenen Beispielen sowohl des Synchrongleichrichters 1110 als auch des Synchrongleichrichters 1010 von 10 entweder intern oder extern sein.
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Es sind verschiedene Beispiele beschrieben worden. Diese und weitere Beispiele liegen innerhalb des Schutzbereichs der folgenden Ansprüche.
