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Technisches Gebiet
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Das vorliegende Dokument betrifft Schaltmodusleistungswandler, insbesondere DC-DC-Leistungswandler. Insbesondere betrifft das vorliegende Dokument Schaltmodusleistungswandler mit mehreren Ausgangsanschlüssen.
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Hintergrund
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Leistungswandler mit mehreren Ausgängen, insbesondere SIMO(single inductor multiple Output)- oder SIDO(single inductor dual Output)-Leistungswandler, können zum Zuführen von Energie von einer einzelnen Energiequelle (zum Beispiel eine einzelne Batterie) zu mehreren Energieverbrauchern (zum Beispiel zu verschiedenen Komponenten einer elektronischen Vorrichtung, wie ein Smartphone) verwendet werden. Solche Leistungswandler mit mehreren Ausgängen weisen typischerweise Schaltelemente auf zum Liefern von Energie an die verschiedenen Ausgänge auf eine sich gegenseitig ausschließende Weise. Die Aktivierung der verschiedenen Ausgänge umfasst typischerweise nicht-überlappende Zeiten zwischen der Deaktivierung eines Ausgangs und der Aktivierung eines anderen Ausgangs des Leistungswandlers. Diese nicht-überlappenden Zeiten können zu Leistungsverlusten des Leistungswandlers führen.
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Das vorliegende Dokument behandelt das technische Problem eines Vorsehens eines energieeffizienten Leistungswandlers, der diese Verluste während nicht-überlappender Zeiten vermeidet oder reduziert. Insbesondere behandelt das vorliegende Dokument das technische Problem eines Vorsehens von effizienten Mitteln zum Wiederverwenden der oben angeführten Leistungsverluste.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt wird ein Schaltmodusleistungswandler beschrieben, insbesondere ein DC-DC-Leistungswandler. Der Leistungswandler weist einen Hauptinduktor und eine Halbbrücke auf, wobei die Halbbrücke typischerweise einen hochseitigen Leistungsschalter und einen niedrigseitigen Leistungsschalter aufweist. Die Halbbrücke kann zum Erzeugen eines Induktorstroms durch den Hauptinduktor verwendet werden. Die Leistungsschalter können n-Typ-Metalloxid-Halbleiter(MOS – metal oxide semiconductor)-Transistoren sein. Der Leistungswandler kann einen Buck- bzw. Abwärts-Typ-Wandler und/oder einen Boost- bzw. Aufwärts-Typ-Wandler aufweisen. Der hochseitige Leistungsschalter und der niedrigseitige Leistungsschalter können auf eine sich gegenseitig ausschließende Weise bei einer Kommutierungszyklusrate (zum Beispiel in dem Bereich von 1 MHz bis 100 MHz) eingeschaltet werden, um den Induktorstrom zu erzeugen. Auf beispielhafte Weise können der hochseitige Leistungsschalter und der niedrigseitige Leistungsschalter in Serie zwischen einem Eingangsknoten des Leistungswandlers (bei einer Eingangsspannung) und Masse (in dem Fall eines Leistungswandlers des Abwärts-Typs) angeordnet sein. Alternativ können der hochseitige Leistungsschalter und der niedrigseitige Leistungsschalter in Serie zwischen einem Zwischenknoten des Leistungswandlers und Masse angeordnet sein (in dem Fall eines Leistungswandlers des Aufwärts-Typs).
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Der Leistungswandler weist einen ersten Ausgangsleistungsschalter auf, der konfiguriert ist zum Leiten des Induktorstroms an einen ersten Ausgangsanschluss des Leistungswandlers. Weiter kann der Leistungswandler einen zweiten Ausgangsleistungsschalter aufweisen, der konfiguriert ist zum Leiten des Induktorstroms an einen zweiten Ausgangsanschluss des Leistungswandlers. Die Leistungsschalter können n-Typ-Metalloxid-Halbleiter(MOS – metal oxide semiconductor)-Transistoren sein. In dem Fall eines Abwärts-Typ-Wandlers kann der Hauptinduktor (direkt) mit Eingangsanschlüssen (zum Beispiel Sources) der ersten und zweiten Ausgangsleistungsschalter gekoppelt sein. In dem Fall eines Aufwärts-Typ-Wandlers kann der hochseitige Leistungsschalter (insbesondere der Zwischenknoten) (direkt) mit den Eingangsanschlüssen (zum Beispiel Sources) der ersten und zweiten Ausgangsleistungsschalter gekoppelt sein. Somit kann der Leistungswandler mehrere Ausgänge aufweisen (d. h. zumindest zwei Ausgangsanschlüsse).
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Der Leistungswandler kann einen ersten Ausgangskondensator aufweisen, der zwischen dem ersten Ausgangsanschluss und Masse angeordnet ist, und einen zweiten Ausgangskondensator, der zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss und Masse angeordnet ist. Als Ergebnis dessen können stabile Ausgangsströme an den ersten und zweiten Ausgangsanschlüssen vorgesehen werden, auch in dem Fall einer intermittierenden Bereitstellung des Induktorstroms.
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Der Leistungswandler weist weiter Bypass- bzw. Umgehungsschaltungen auf, die konfiguriert sind zum zur-Verfügung-Stellen von Induktorstrom zum Steuern des Schaltzustands von zumindest einem der Leistungsschalter (d. h. dem hochseitigen Leistungsschalter, dem niedrigseitigen Leistungsschalter, dem ersten Ausgangsleistungsschalter und/oder dem zweiten Ausgangsleistungsschalter) des Leistungswandlers.
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Zusätzlich weist der Leistungswandler eine Steuereinheit auf (zum Beispiel ein Mikroprozessor oder eine Logikeinheit). Die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Steuern des ersten Ausgangsleistungsschalters derart, dass der Induktorstrom an den ersten Ausgangsanschluss in ersten Zeitintervallen geleitet wird. Das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden ersten Zeitintervallen kann ein nicht-überlappendes Zeitintervall aufweisen. Während des nicht-überlappenden Zeitintervalls kann der Induktorstrom durch den ersten Ausgangsleistungsschalter blockiert werden, an den ersten Ausgangsanschluss zu fließen.
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Insbesondere kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Steuern des ersten Ausgangsleistungsschalters und des zweiten Ausgangsleistungsschalters derart, dass der Induktorstrom an den ersten Ausgangsanschluss und an den zweiten Ausgangsanschluss in unterschiedlichen, sich gegenseitig ausschließenden ersten und zweiten Zeitintervallen geleitet wird, wobei das erste Zeitintervall und das zweite Zeitintervall durch ein nicht-überlappendes Zeitintervall getrennt sind. Somit kann der Induktorstrom entweder an den ersten Ausgangsanschluss oder an den zweiten Ausgangsanschluss vorgesehen werden (zum Versorgen von jeweiligen Lasten an den ersten und den zweiten Ausgangsanschlüssen). Auf der anderen Seite wird der Induktorstrom nicht gleichzeitig an den ersten und an den zweiten Ausgangsanschluss vorgesehen. Weiter sind das erste Zeitintervall und das zweite Zeitintervall durch ein nicht-überlappendes Zeitintervall getrennt, während dem der Induktorstrom weder an den ersten Ausgangsanschluss noch an den zweiten Ausgangsanschluss vorgesehen wird.
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Die Steuereinheit ist konfiguriert zum Steuern der Bypass-Schaltung, um den Induktorstrom zum Steuern des Schaltzustands des zumindest einen Leistungsschalters während des nicht-überlappenden Zeitintervalls verfügbar zu machen. Somit kann der Induktorstrom für den Betrieb des Leistungswandlers verwendet werden, wodurch die Energieeffizienz des Leistungswandlers erhöht wird.
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Wie oben angegeben, kann der zumindest eine Leistungsschalter einen Metalloxid-Halbleiter-Transistor aufweisen, der einen Gate-Kondensator (insbesondere einen Gate-Source-Kondensator) aufweist. Die Bypass-Schaltung kann konfiguriert sein, um den Induktorstrom zum Laden des Gate-Kondensators verfügbar zu machen, wodurch möglich wird, dass der zumindest eine Leistungsschalter unter Verwendung des Induktorstroms eingeschaltet wird.
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Die Bypass-Schaltung kann einen Bypass-Schalter aufweisen, insbesondere eine Diode, die konfiguriert ist zum Leiten des Induktorstroms an einen Steueranschluss (zum Beispiel an ein Gate) des zumindest einen Leistungsschalters, wodurch möglich wird, dass der zumindest eine Leistungsschalter unter Verwendung des Induktorstroms gesteuert wird.
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Die Bypass-Schaltung kann einen Verstärkungskondensator aufweisen, der ausgebildet ist, durch den Induktorstrom während des nicht-überlappenden Zeitintervalls geladen zu werden. Durch die Verwendung eines Verstärkungskondensators kann die Energie von dem Hauptinduktor, die während des nicht-überlappenden Zeitintervalls zur Verfügung gestellt wird, gespeichert werden. Als Ergebnis dessen kann die Verwendung der Energie (zum Steuern des zumindest einen Leistungsschalters) von dem Vorsehen der Energie (während des nicht-überlappenden Zeitintervalls) entkoppelt werden, wodurch die Energieeffizienz des Leistungswandlers weiter erhöht wird.
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Die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Variieren der Dauer des nicht-überlappenden Zeitintervalls in Abhängigkeit von einem Sollladepegel oder einer Sollspannung des Verstärkungskondensators. Auf diese Weise kann der Verstärkungskondensator auf Bedingungen eingestellt werden, die für die Steuerung des zumindest einen Leistungsschalters optimiert sind.
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Der Verstärkungskondensator kann an einem ersten Ende mit einem Eingangsanschluss (zum Beispiel der Source) des ersten Ausgangsleistungsschalters und mit einem Eingangsanschluss (zum Beispiel der Source) des zweiten Ausgangsleistungsschalters während des nicht-überlappenden Zeitintervalls der Ausgangsschalter gekoppelt sein. Die Bypass-Schaltung kann einen Ladeschalter (zum Beispiel einen MOS-Transistor) aufweisen, der konfiguriert ist zum Koppeln eines zweiten Endes des Verstärkungskondensators mit Masse oder zum Entkoppeln des zweiten Endes des Verstärkungskondensators von Masse. Die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Steuern des Ladeschalters derart, dass das zweite Ende des Verstärkungskondensators während zumindest eines Teils des nicht-überlappenden Zeitintervalls mit Masse gekoppelt ist. Auf diese Weise kann die Ladezeit des Verstärkungskondensators gesteuert werden (um zum Beispiel den Verstärkungskondensator auf einen Sollladepegel oder eine Sollspannung einzustellen). Weiter kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Steuern des Ladeschalters derart, dass das zweite Ende des Verstärkungskondensators während der ersten und zweiten Zeitintervalle von Masse entkoppelt ist, wodurch die elektrische Ladung des Verstärkungskondensators bei schwebender (floating) Spannung zum Steuern des Schaltzustands des zumindest einen Leistungswandlers verfügbar ist.
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Die Bypass-Schaltung kann einen oder mehrere Steuerschalter aufweisen, der/die konfiguriert ist/sind zum Koppeln des Verstärkungskondensators mit einem Steueranschluss (zum Beispiel mit dem Gate) des zumindest einen Leistungsschalters. Somit kann die elektrische Ladung des Verstärkungskondensators mit dem Gate-Kondensator eines Leistungsschalters gekoppelt werden zum Einschalten des Leistungsschalters. Insbesondere kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Steuern des einen oder der mehreren Steuerschalter zum Koppeln des Verstärkungskondensators mit dem Steueranschluss (zum Beispiel dem Gate) des zumindest einen Leistungsschalters, um den zumindest einen Leistungsschalter einzuschalten.
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Die Bypass-Schaltung kann einen ersten Steuerschalter aufweisen, der konfiguriert ist zum Leiten des Induktorstroms an einen Steueranschluss (zum Beispiel an das Gate) des zumindest einen Leistungsschalters (direkt ohne Verwendung eines Verstärkungskondensators). Die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Steuern des ersten Steuerschalters zum Leiten des Induktorstroms an den Steueranschluss des zumindest einen Leistungsschalters während des nicht-überlappenden Zeitintervalls, um den zumindest einen Leistungsschalter einzuschalten. Somit kann der Induktorstrom ohne Verwendung eines Verstärkungskondensators direkt an einen Steueranschluss eines Leistungsschalters geleitet werden, wodurch die Kosten des Leistungswandlers reduziert werden.
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Der zumindest eine Leistungsschalter kann den ersten Ausgangsleistungsschalter aufweisen, wobei der erste Ausgangsleistungsschalter einen Eingangsanschluss (zum Beispiel eine Source) und einen Steueranschluss (zum Beispiel ein Gate) aufweist. Die Bypass-Schaltung kann einen ersten Ausgangsinduktor aufweisen, der ausgebildet ist derart, dass der Induktorstrom in dem ersten Zeitintervall durch den ersten Ausgangsinduktor fließt, und derart, dass der Induktorstrom in dem nicht-überlappenden Zeitintervall nicht durch den ersten Ausgangsinduktor fließt. In anderen Worten, der erste Ausgangsinduktor kann angeordnet sein, in Serie zwischen dem Hauptinduktor und dem Eingangsanschluss des ersten Ausgangsleistungsschalters zu sein, aber nicht in Serie zwischen dem Hauptinduktor und dem Steueranschluss des ersten Ausgangsleistungsschalters. Als ein Ergebnis der Verzögerung, die durch den ersten Ausgangsinduktor an dem Induktorstrom verursacht wird, der hin zu dem Eingangsknoten des ersten Ausgangsleistungsschalters fließt, kann der Gate-Kondensator des ersten Ausgangsleistungsschalters mit dem Induktorstrom direkt geladen werden, ohne die Notwendigkeit für einen Verstärkungskondensator.
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Die Bypass-Schaltung kann einen zweiten Steuerschalter aufweisen, der konfiguriert ist zum Koppeln des Steueranschlusses des zumindest einen Leistungsschalters mit Masse. Die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Steuern des zweiten Steuerschalters, um den Steueranschluss des zumindest einen Leistungsschalters mit Masse zu koppeln, um den zumindest einen Leistungsschalter auszuschalten. Insbesondere kann der zweite Steuerschalter verwendet werden, um den Gate-Kondensator des zumindest einen Leistungsschalters zu entladen.
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Die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Einschalten des ersten Ausgangsleistungsschalters und des zweiten Ausgangsleistungsschalters in einer sich gegenseitig ausschließenden Weise, in Abhängigkeit von Laststromanforderungen von Lasten an dem ersten und an dem zweiten Ausgangsanschluss. Der Induktorstrom kann an den ersten Ausgangsanschluss innerhalb eines ersten Zeitintervalls und an den zweiten Ausgangsanschluss innerhalb eines zweiten Zeitintervalls vorgesehen werden. Die Dauer des ersten Zeitintervalls und/oder des zweiten Zeitintervalls kann von den Laststromanforderungen der jeweiligen Lasten an dem ersten und an dem zweiten Ausgangsanschluss abhängig sein. Alternativ oder zusätzlich kann das erste Zeitintervall und/oder das zweite Zeitintervall wiederholt werden (zum Beispiel auf eine periodische Weise). Die Wiederholungsrate der ersten und/oder zweiten Zeitintervalle kann von den Laststromanforderungen der jeweiligen Lasten an dem ersten und an dem zweiten Ausgangsanschluss abhängig sein.
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Weiter kann der Leistungswandler einen Hilfsleistungsschalter aufweisen, der konfiguriert ist zum Leiten des Induktorstroms an Masse. Die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Steuern des Hilfsleistungsschalters in Abhängigkeit von den Laststromanforderungen von Lasten an dem ersten und an dem zweiten Ausgangsanschluss. Insbesondere kann der Hilfsleistungsschalter verwendet werden zum Beziehen eines Induktorstroms bei relativ niedrigen Laststromanforderungen, wodurch eine Bereitstellung von Energie für den zumindest einen Leistungsschalter sichergestellt wird, auch in dem Fall von relativ niedrigen Laststromanforderungen. Dies kann zum Beispiel während der Startphase des Leistungswandlers verwendet werden, um Energie unter Verwendung des Hilfsleistungsschalters an den Bypass-Kondensator zu liefern.
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Der Leistungswandler kann einen Buck- bzw. Abwärtswandler, einen Boost- bzw. Aufwärtswandler, einen Buck-Boost- bzw. Abwärts-Aufwärtswandler und/oder einen Negativspannungswandler aufweisen oder sein. Die Schalter des Leistungswandlers können aktive Schalter oder passive Schalter (wie Dioden) aufweisen oder sein. Die Ladung des Verstärkungskondensators kann zur Versorgung eines oder mehrerer Leistungsschalter des Leistungswandlers verwendet werden. Alternativ oder zusätzlich kann die Ladung des Verstärkungskondensators zum Versorgen von anderen Funktionen verwendet werden, zum Beispiel unterstützende Funktionen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Verteilen eines Induktorstroms eines Schaltmodusleistungswandlers beschrieben, der einen Hauptinduktor und eine Halbbrücke mit einem hochseitigen Leistungsschalter und einem niedrigseitigen Leistungsschalter aufweist, zum Erzeugen des Induktorstroms. Das Verfahren weist auf ein Leiten des Induktorstroms an einen ersten Ausgangsanschluss des Leistungswandlers während eines ersten Zeitintervalls unter Verwendung eines ersten Ausgangsleistungsschalters und Leiten des Induktorstroms an einen zweiten Ausgangsanschluss des Leistungswandlers während eines zweiten Zeitintervalls unter Verwendung eines zweiten Ausgangsleistungsschalters, wobei die ersten und zweiten Zeitintervalle sich gegenseitig ausschließen und durch ein nicht-überlappendes Zeitintervall getrennt sind. Das Verfahren weist weiter auf ein zur-Verfügung-Stellen des Induktorstroms zum Steuern des Schaltzustands (insbesondere zum Ein- oder Ausschalten) von zumindest einem der Leistungsschalter des Leistungswandlers während des nicht-überlappenden Zeitintervalls.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Softwareprogramm beschrieben. Das Softwareprogramm kann ausgebildet sein zur Ausführung auf einem Prozessor und zum Durchführen der Verfahrensschritte, die in dem vorliegenden Dokument beschrieben werden, bei Ausführung auf dem Prozessor.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein Softwareprogramm aufweisen, das ausgebildet ist zur Ausführung auf einem Prozessor und zum Durchführen der Verfahrensschritte, die in dem vorliegenden Dokument beschrieben werden, bei Ausführung auf dem Prozessor.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt beschrieben. Das Computerprogramm kann ausführbare Anweisungen aufweisen zum Durchführen der Verfahrensschritte, die in dem vorliegenden Dokument beschrieben werden, bei Ausführung auf einem Computer.
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Es sollte angemerkt werden, dass die Verfahren und Systeme, einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele, wie in dem vorliegenden Dokument beschrieben, eigenständig oder in Kombination mit den anderen Verfahren und Systemen verwendet werden können, die in diesem Dokument offenbart werden.
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Weiter sind die Merkmale, die in dem Kontext eines Systems beschrieben werden, auch auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Weiter können alle Aspekte der Verfahren und Systeme, die in dem vorliegenden Dokument beschrieben werden, beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche miteinander in beliebiger Weise kombiniert werden.
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In dem vorliegenden Dokument bezeichnet der Begriff „koppeln” oder „gekoppelt” Elemente, die in elektrischer Kommunikation miteinander sind, entweder direkt, zum Beispiel über Leitungen, oder auf andere Weise verbunden.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Die Erfindung wird im Folgenden auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei
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1 und 2 beispielhafte Leistungswandler zeigen, die Bypass-Schaltungen für den Induktorstrom während der nicht-überlappenden Zeiten zwischen den verschiedenen Ausgängen des Leistungswandlers aufweisen;
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3 einen beispielhaften Induktorstrom und einen beispielhaften Bypass-Strom zeigt; und
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4 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens für einen Betrieb eines Leistungswandlers mit mehreren Ausgängen zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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Wie oben dargelegt, betrifft das vorliegende Dokument ein Vorsehen eines energieeffizienten Leistungswandlers mit mehreren Ausgängen. In diesem Kontext zeigt 1 einen beispielhaften Abwärtswandler 100 mit einem ersten Ausgangsanschluss 131 und einem zweiten Ausgangsanschluss 132. Der Abwärtswandler 100 weist eine Halbbrücke auf mit einem hochseitigen Schalter (auch als hochseitiger Leistungsschalter bezeichnet) 101 und einem niedrigseitigen Schalter (auch als niedrigseitiger Leistungsschalter bezeichnet) 102 (der niedrigseitige Schalter kann als eine Diode implementiert sein). Weiter weist der Abwärtswandler 100 einen Hauptinduktor 105 auf, der mit Masse (über den niedrigseitigen Schalter 102) oder mit der Eingangsspannung 120 (über den hochseitigen Schalter 101) auf eine periodische Weise gekoppelt ist (gemäß einer Kommutierungszyklusrate).
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Der Leistungswandler 100 ist konfiguriert zum Umwandeln von elektrischer Energie von einem Eingangsanschluss 130 in elektrische Energie, die an dem ersten Ausgangsanschluss 131 oder an dem zweiten Ausgangsanschluss 132 auf eine sich gegenseitig ausschließende Weise vorgesehen wird. Zu diesem Zweck kann der erste Ausgangsanschluss 131 mit dem Hauptinduktor 105 unter Verwendung eines ersten Ausgangsschalters (auch als erster Ausgangsleistungsschalter bezeichnet) 104 gekoppelt werden oder von diesem entkoppelt werden und der zweite Ausgangsanschluss 132 kann mit dem Hauptinduktor 105 unter Verwendung eines zweiten Ausgangsschalters (auch als ein zweiter Ausgangsleistungsschalter bezeichnet) 103 gekoppelt werden oder von diesem entkoppelt werden. Weiter kann der Leistungswandler 100 einen ersten Ausgangskondensator 107 aufweisen, der zwischen dem ersten Ausgangsanschluss 131 und Masse gekoppelt ist, sowie einen zweiten Ausgangskondensator 108, der zwischen dem zweiten Ausgangsanschluss 132 und Masse gekoppelt ist.
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3 zeigt einen beispielhaften Induktorstrom 310 während mehrerer Kommutierungszyklen 302 als eine Funktion der Zeit 301. Weiter zeigt 3 beispielhafte Steuersignale 311, 312 für die ersten beziehungsweise zweiten Ausgangsschalter 104, 103, wobei ein hoher Pegel angibt, dass der jeweilige Ausgangsschalter 104, 103 eingeschaltet ist, wodurch der Induktorstrom 310 an den jeweiligen Ausgangsanschluss 131, 132 geleitet wird, und wobei ein niedriger Pegel angibt, dass der jeweilige Ausgangsschalter 104, 103 ausgeschaltet ist, wodurch der Induktorstrom 310 blockiert wird. Somit wird der Induktorstrom 310 an den ersten oder den zweiten Ausgangsanschluss 131, 132 auf eine gepulste Weise vorgesehen, in Übereinstimmung mit den Steuersignalen 311, 312. Das Zeitintervall, während dem der Induktorstrom 310 an den ersten Ausgangsanschluss 131 geleitet wird, wird als ein erstes Zeitintervall 321 bezeichnet, und ein Zeitintervall, während dem der Induktorstrom 310 an den zweiten Ausgangsanschluss 132 geleitet wird, wird als ein zweites Zeitintervall 322 bezeichnet.
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Es ist zu sehen, dass es nicht-überlappende Zeitintervalle 320 zwischen den Pulsen der ersten und zweiten Steuersignale 311, 312 (d. h. zwischen einem ersten Zeitintervall 321 und einem zweiten Zeitintervall 322) gibt, während der weder der erste Ausgangsanschluss 131 noch der zweite Ausgangsanschluss 132 mit dem Hauptinduktor 105 gekoppelt ist. Als Ergebnis dessen kann der Induktorstrom 310 verloren sein, was zu Leistungsverlusten in dem Leistungswandler 100 führt.
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Der Leistungswandler 100 von 1 weist einen Bypass-Schalter 106 (insbesondere eine Bypass-Diode) für den Induktorstrom 310 innerhalb des nicht-überlappenden Zeitintervalls 320 auf, der hier als der Bypass-Strom 313 bezeichnet wird (siehe 3). Der Bypass-Schalter 106 kann ein Schalter oder ein bidirektionaler Schalter sein. In dem Beispiel von 1 wird der Bypass-Strom 313 zum Laden eines Verstärkungskondensators 110 verwendet, der über einen Ladeschalter 111 mit Masse gekoppelt ist. Der Ladeschalter 111 (und/oder einer der Schalter 113, 115) kann während des nicht-überlappenden Zeitintervalls 320 eingeschaltet werden, wodurch der Verstärkungskondensator 313 geladen werden kann. Andererseits kann der Ladeschalter 111 für den Rest der Zeit 301 ausgeschaltet werden. 3 zeigt beispielhafte Steuersignale 314 für den Ladeschalter 111. Somit kann der Bypass-Strom 313 zumindest teilweise in dem Verstärkungskondensator 110 gespeichert werden und kann für verschiedene Zwecke in dem Leistungswandler 100 verwendet werden. Als Ergebnis dessen wird ein energieeffizienter Leistungswandler 100 mit mehreren Ausgängen 131, 132 vorgesehen.
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Auf beispielhafte Weise kann die Ladung von dem Verstärkungskondensator 313 zum Laden der Gates 121, 122 des hochseitigen Schalters 101 und/oder des niedrigseitigen Schalters 122 und/oder der Gates der Ausgangsschalter 103, 104 über die Steuerschalter 112, 113, 114, 115 verwendet werden. Es sollte angemerkt werden, dass die Anzahl von Steuerschaltern oder Steuerschalterpaaren variieren kann. In einem Beispiel kann es nur einen Schalter geben, der den Verstärkungskondensator 110 mit einem Leistungsschalter-Gate verbindet. In einem weiteren Beispiel kann die negative Kondensatorplatte mit Masse verbunden sein.
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In dem Beispiel von 1 weist der Leistungswandler 100 weiter einen Hilfsschalter (auch als Hilfsleistungsschalter bezeichnet) 109 auf, der konfiguriert ist zum Koppeln des Hauptinduktors 105 mit Masse. Der Hilfsschalter 109 kann verwendet werden zum Vorsehen eines Induktorstroms 310 zum Laden des Verstärkungskondensators 110 in Fällen, in denen kein oder zu wenig Energieübertragung an die Ausgangsanschlüsse 131, 132 des Leistungswandlers 100 stattfindet. In anderen Worten, der Hilfsschalter 109 kann verwendet werden zum Vorsehen eines Induktorstroms 310, der zum Laden der Verstärkungskondensator 110 verwendet werden kann. Im Hinblick auf die Tatsache, dass der Strom zum Laden des Verstärkungskondensators 110 in diesem Fall typischerweise gering ist, kann der Hilfsschalter 109 relativ klein sein.
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Somit kann ein einzelner Verstärkungskondensator 110 verwendet werden zum Speichern der Energie für die Gates der (zum Beispiel alle) Leistungsschalter des Leistungswandlers 100. Durch die Verwendung eines Verstärkungskondensators 110 können einige oder alle Gates in dem Leistungswandler 100 mit einer optimalen Gate-Spannung für MOS-Schalter verbunden sein, wobei die Gate-Spannung unter Verwendung einer Sollspannung an dem Verstärkungskondensator 110 gesetzt werden kann. Die Energie während der nicht-überlappenden Zeitintervalle 320 (die sonst verloren gehen würde) kann zum Laden des Verstärkungskondensators 110 verwendet werden.
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1 zeigt einen SIDO-Abwärtsleistungswandler 100. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass das Konzept auf generische SIMO-Abwärts- und/oder Aufwärts-Architekturen anwendbar ist. Es kann auch für herkömmliche Leistungswandler mit nur einem einzigen Ausgang verwendet werden.
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In dem beispielhaften Leistungswandler 100 von 1 wird die Energie des Hauptinduktors 105 während der nicht-überlappenden Zeitintervalle 320 der ersten und zweiten Ausgangsschalter 104, 103 verwendet, um den Verstärkungskondensator 110 zu laden. Die Menge an Energie, die in dem Verstärkungskondensator 110 gespeichert ist, kann durch Variation der Dauer der nicht-überlappenden Zeitintervalle 320 gesteuert werden. Zum Beispiel kann die Dauer des nicht-überlappenden Zeitintervalls 320 als eine Funktion des Pegels des Induktorstroms 313 während des nicht-überlappenden Zeitintervalls 320 angepasst werden. Insbesondere kann die Dauer des nicht-überlappenden Zeitintervalls 320 erhöht werden, wenn der Pegel des Induktorstroms 313 während des nicht-überlappenden Zeitintervalls 320 abnimmt (und umgekehrt). Die Ladung von dem Verstärkungskondensator 110 kann zum Laden des Gates der einzelnen Leistungsschalter 101, 102, 103, 104, 109 des Leistungswandlers 100 verwendet werden. Zu diesem Zweck kann das Gate eines Leistungsschalters 101, 102, 103, 104, 109 mit dem Verstärkungskondensator 110 für ein Ladezeitintervall gekoppelt sein, wobei das Ladezeitintervall eine Dauer hat, die ausreichend lang ist, um den Gate-Kondensator des Leistungsschalters 101, 102, 103, 104, 109 zu laden. Ansonsten kann das Gate eines Leistungsschalters 101, 102, 103, 104, 109 von dem Verstärkungskondensator 110 entkoppelt werden. Somit kann der Verstärkungskondensator 110 verwendet werden zum Vorsehen von Ladepulsen zum Laden des Gate-Kondensators eines Leistungsschalters 101, 102, 103, 104, 109 des Leistungswandlers. Im Anschluss an den Übergang eines jeweiligen Leistungsschalters 101, 102, 103, 104, 109 in einen bestimmten Zustand (zum Beispiel den eingeschalteten Zustand) hält der Gate-Kondensator des Leistungsschalters die Ladung an dem Gate, wodurch der Leistungsschalter in dem bestimmten Zustand gehalten wird. Durch Entladen des Gate-Kondensators kann der Zustand des jeweiligen Leistungsschalters verändert werden.
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Der Verstärkungskondensator 110 kann verwendet werden, um nur die Gates von einigen der Leistungsschalter 101, 102, 103, 104, 109 des Leistungswandlers 100 zu laden. Zum Beispiel ist in 1 die Source des niedrigseitigen Schalters 102 mi Masse verbunden derart, dass das Gate des niedrigseitigen Schalters 102 auch von der Eingangsspannung 120 geladen werden kann (ohne die Notwendigkeit eines Vorsehens einer schwebenden Spannung unter Verwendung des Verstärkungskondensators 110). In 1 sind alle der Leistungsschalter 101, 102, 103, 104, 109 n-Typ-MOS-Transistoren. Es sollte angemerkt werden, dass einer oder mehrere der Leistungsschalter 101, 102, 103, 104, 109 als p-Typ-MOS-Transistoren oder als andere Typen von Transistoren implementiert werden können.
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Der Leistungswandler 100 weist eine Steuereinheit 150 auf, die konfiguriert ist zum Steuern der verschiedenen Steuerschalter 111, 112, 113, 114, 115 des Leistungswandlers 100. Auf diese Weise kann die Steuereinheit 150 das Laden und Entladen der Gate-Kondensatoren der verschiedenen Leistungsschalter 101, 102, 103, 104, 109 des Leistungswandlers 100 steuern. Insbesondere kann die Steuereinheit 150 konfiguriert sein zum Steuern der Steuerschalter derart, dass der Verstärkungskondensator 110 auf eine bestimmte Sollspannung geladen wird (zum Beispiel 5 V). Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 150 die Dauer des nicht-überlappenden Zeitintervalls 320 variieren derart, dass die Spannung an dem Verstärkungskondensator 110 auf die Sollspannung eingestellt ist. Typischerweise nimmt die Dauer des nicht-überlappenden Zeitintervalls 320 mit zunehmendem Induktorstrom 310 ab. Die elektrische Ladung des Verstärkungskondensators 110 kann dann zum Laden der Gates der verschiedenen Leistungsschalter 101, 102, 103, 104, 109 des Leistungswandlers 100 verwendet werden.
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2 zeigt einen beispielhaften Leistungswandler 100, der konfiguriert ist zum Verwenden des Bypass-Stroms 313 zum Laden der Gates von verschiedenen Leistungsschaltern 103, 104 des Leistungswandlers 100, ohne einen Verstärkungskondensator 110 zu verwenden. In dem dargestellten Beispiel kann der Bypass-Strom 313 an das Gate des ersten Ausgangsschalters 104 oder an das Gate des zweiten Ausgangsschalters 103 unter Verwendung der Steuerschalter 201, 205 beziehungsweise 202, 204 geleitet werden. Als Ergebnis dessen können die Gate-Kondensatoren der jeweiligen Leistungsschalter 104, 103 geladen werden. Weiter weist der Leistungswandler 100 einen ersten Ausgangsinduktor 207 auf, der in Serie zwischen dem Hauptinduktor 105 und dem ersten Ausgangsschalter 104 gekoppelt ist, sowie einen zweiten Ausgangsinduktor 208, der in Serie zwischen dem Hauptinduktor 105 und dem zweiten Ausgangsschalter 103 gekoppelt ist.
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Im Anschluss an ein Ausschalten des ersten Ausgangsschalters 104 (durch Entladen des Gate-Kondensators des ersten Ausgangsschalters 104 unter Verwendung des Steuerschalters 205) und in Vorbereitung auf ein Einschalten des zweiten Ausgangsschalters 103, kann der Gate-Kondensator des zweiten Ausgangsschalters 103 unter Verwendung des Bypass-Stroms 313 geladen werden. Zu diesem Zweck kann der Steuerschalter 202 geschlossen werden (während der Steuerschalter 204 offen gehalten wird). Der zweite Ausgangsinduktor 208 verhält sich wie ein Verzögerungselement, das sicherstellt, dass das Potential an der Source des zweiten Ausgangsschalters 103 niedriger ist als das Potential an dem Gate des zweiten Ausgangsschalters 103 (während der Steuerschalter 202 geschlossen ist). Als Folge dessen gibt es einen Spannungsabfall über den Gate-Source-Kondensator (oder Gate-Kondensator), was zu einem Laden des Gate-Source-Kondensators (d. h. Gate-Kondensators) des zweiten Ausgangsschalters 103 führt. Sobald der Gate-Source-Kondensator geladen ist, wird der zweite Ausgangsschalter 103 eingeschaltet und der Steuerschalter 202 kann geöffnet werden (während der Steuerschalter 204 offen gehalten wird). Anschließend (in Vorbereitung auf ein Ausschalten des zweiten Ausgangsschalters 103) kann der Steuerschalter 204 zum Entladen des Gate-Kondensators und zum Ausschalten des zweiten Ausgangsschalters 103 verwendet werden. Analog kann der erste Ausgangsschalter 104 unter Verwendung der Steuerschalter 201, 205 eingeschaltet werden.
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2 zeigt einen weiteren Leistungsschalter 210 und weitere Steuerschalter 203, 206, um darzustellen, dass der Bypass-Strom 313 zum Steuern von verschiedenen anderen Leistungsschaltern 210 von anderen elektronischen Vorrichtungen verwendet werden kann.
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4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zum Steuern eines Leistungswandlers 100. Insbesondere betrifft das Verfahren 400 ein Verteilen des Induktorstroms 310 eines Schaltmodusleistungswandlers 100, wobei der Leistungswandler 100 einen Hauptinduktor 105 und eine Halbbrücke mit einem hochseitigen Leistungsschalter 101 und einem niedrigseitigen Leistungsschalter 102 zum Erzeugen des Induktorstroms 310 aufweist. Das Verfahren 400 kann durch eine Steuereinheit 150 des Leistungswandlers 100 ausgeführt werden.
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Das Verfahren 400 weist ein Leiten 401 des Induktorstroms 310 an einen ersten Ausgangsanschluss 131 des Leistungswandlers 100 während eines ersten Zeitintervalls 321 unter Verwendung eines ersten Ausgangsleistungsschalters 104 auf. Weiter weist das Verfahren 400 ein Leiten 402 des Induktorstroms 310 an einen zweiten Ausgangsanschluss 132 des Leistungswandlers 100 während eines zweiten Zeitintervalls 322 unter Verwendung eines zweiten Ausgangsleistungsschalters 103 auf. Die ersten und zweiten Zeitintervalle 321, 322 schließen sich gegenseitig aus und sind durch ein nicht-überlappendes Zeitintervall 320 getrennt. Das Verfahren 400 weist weiter ein zur-Verfügung-Stellen 403 des Induktorstroms 310 zum Steuern des Schaltzustands von zumindest einem der Leistungsschalter 101, 102, 103, 104 des Leistungswandlers 100 während des nicht-überlappenden Zeitintervalls 320 auf.
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Ein Spannungsklemmen des Verstärkungskondensators 110 kann verwendet werden, um die Ladung zu begrenzen, die an den Verstärkungskondensator 110 vorgesehen wird. Zum Beispiel kann eine Zener-Diode verwendet werden, um den Spannungsabfall über den Verstärkungskondensator 110 zu begrenzen. Wie oben dargelegt, kann die Dauer des nicht-überlappenden Zeitintervalls in Abhängigkeit von der Ladung variiert werden, die an den Verstärkungskondensator 110 vorzusehen ist. Jedoch kann es eine untere Grenze bezüglich der Dauer des nicht-überlappenden Zeitintervalls geben und der kumulierte Induktorstrom 313 während des nicht-überlappenden Zeitintervalls kann zum Laden des Verstärkungskondensators 110 zu hoch sein. Das Spannungsklemmen kann somit den Verstärkungskondensator 110 schützen.
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In dem vorliegenden Dokument wird ein energieeffizienter Leistungswandler 100 mit mehreren Ausgangsanschlüssen 131, 132 beschrieben. Der Leistungswandler 100 verwendet einen Bypass-Schalter 106, um den Induktorstrom 310 für die Versorgung von elektronischen Komponenten während der nicht-überlappenden Zeitintervalle 320 des Leistungswandlers 100 zur Verfügung zu stellen. Auf diese Weise kann der Energieverbrauch des Leistungswandlers 100 reduziert werden, da insbesondere keine zusätzliche Ladungspumpe oder Bootstrap-Schaltungen zum Laden der Gates der Leistungsschalter 101, 102, 103, 104, 109 des Leistungswandlers 100 erforderlich sind. Weiter kann der Bypass-Strom 313 zum Laden eines Verstärkungskondensators 110 verwendet werden, der konfiguriert ist zum Vorsehen einer optimalen Gate-Spannung für die Steuerung verschiedener Leistungsschalter 101, 102, 103, 104, 109 des Leistungswandlers 100.
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Es sollte angemerkt werden, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und System veranschaulichen. Fachleute auf dem Gebiet werden in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, obwohl hier nicht explizit beschrieben oder dargestellt, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Sinn und Umfang enthalten sind. Weiter sollen alle Beispiele und Ausführungsbeispiele, die in dem vorliegenden Dokument dargelegt werden, hauptsächlich ausdrücklich nur zu Erläuterungszwecken vorgesehen sein, um den Leser bei einem Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu unterstützen. Weiter sollen alle Aussagen hierin, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung vorsehen, sowie spezifische Beispiele davon, Äquivalente davon umfassen.
