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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Ladungspumpe und insbesondere auf eine Ladungspumpe mit einem verbesserten Wirkungsgrad und auf ein zugeordnetes Verfahren.
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Hintergrund
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Eine Ladungspumpe ist ein Gleichstrom/Gleichstrom-Umsetzer, der eine Eingangsspannung VIN empfängt und eine verschiedene Ausgangsspannung VOUT bereitstellt. Die Ladungspumpe umfasst ein oder mehrere Energiespeicherelemente (normalerweise Kondensatoren) und Schalter, die selektiv Spannungen an die Energiespeicherelemente anlegen.
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In dem Vorgang des Umsetzens einer Eingangsspannung in eine niedrigere oder in eine höhere Ausgangsspannung gibt es einige Energieverluste. Eine Ladungspumpe besitzt einen Wirkungsgrad, der durch einen äquivalenten Widerstand (RE) charakterisiert werden kann. RE ist dafür bekannt, für eine gegebene Last abhängig von der Schaltfrequenz der Schalter, die verwendet werden, um die Ladungspumpe zu betreiben, und von den passiven Komponenten, die für die Ladungspumpe verwendet werden, zu variieren.
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Es besteht ein Bedarf an verbesserten Verfahren zum Optimieren der Ladungspumpenschaltfrequenz oder anderer Ladungspumpenparameter, um den Ladungspumpenwirkungsgrad zu verbessern.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird ein Verfahren zum Betreiben einer Ladungspumpe geschaffen, wobei aufeinanderfolgende Werte einer Ladungspumpenausgangsspannung gemessen und verglichen werden und das Vergleichsergebnis verwendet wird, um einen oder mehrere Parameter des Ladungspumpenbetriebs einzustellen.
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Optional ist der Parameter des Ladungspumpenbetriebs eine Schaltfrequenz der Ladungspumpe.
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Ein weiteres Beispiel für einen Parameter, der eingestellt werden kann, ist die Anzahl der schwebenden bzw. „fliegenden” (flying) Kondensatoren, was bedeutet, dass der Wert von CF eingestellt werden kann. Es können Schalter vorgesehen werden, um selektiv eine gewählte Anzahl von schwebenden Kondensatoren zu verbinden.
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Die Ladungspumpe ist von einem Typ, der mehrere Energiespeicherelemente und Schalter umfasst, die ausgelegt sind, in einer Ladephase und in einer Entladephase selektiv Spannungen an die Energiespeicherelemente anzulegen.
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Eine Schaltfrequenz einer Ladungspumpe ist die Frequenz, mit der die Ladungspumpenschaltung zwischen einer ersten Konfiguration, die einer ersten Phase zugeordnet ist, und einer zweiten Konfiguration, die einer zweiten Phase zugeordnet ist, wechselt. Die erste und die zweite Phase können die Lade- und die Entladephase sein oder umgekehrt.
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Optional umfasst das Messen und Vergleichen der aufeinanderfolgenden Werte der Ladungspumpenausgangsspannung das Abtasten und Halten eines ersten Ausgangsspannungswertes; das Abtasten und Halten eines zweiten Ausgangsspannungswertes und das Vergleichen der gehaltenen Ausgangsspannungswerte.
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Optional wird ein Parameter in eine erste Richtung eingestellt, wenn bestimmt wird, dass sich die Ausgangsspannung erhöht, und in eine zweite Richtung, wenn bestimmt wird, dass die Ausgangsspannung sinkt.
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Das Einstellen eines Parameters in eine Richtung oder in eine andere bedeutet im Allgemeinen entweder das Erhöhen oder das Erniedrigen des Parameters.
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Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Offenbarung wird eine Gleichstrom/Gleichstrom-Spannungsumsetzerschaltung geschaffen, die Folgendes umfasst:
eine Ladungspumpe;
eine Messschaltung zum Messen und Speichern von aufeinanderfolgenden Werten einer Ausgangsspannung der Ladungspumpe; und
eine Logikschaltung zum Vergleichen der gespeicherten Ausgangsspannungswerte und zum Einstellen eines Betriebsparameters der Ladungspumpe auf der Basis des Vergleichs.
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Optional umfasst die Messschaltung eine Abtast- und Halteschaltung.
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Alternativ umfasst die Messschaltung ein Schieberegister.
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Optional wird der Ausgang der Logikschaltung verwendet, um die Dauer einer Verzögerung einzustellen, die für eine Ladephase oder für eine Entladephase der Ladungspumpe verwendet wird.
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Optional umfasst die Logikschaltung eine Zustandsmaschine.
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Eine Zustandsmaschine ist jede Art von Schaltung, die sich zu einem Zeitpunkt in einem Zustand befinden kann und die durch ein auslösendes Ereignis oder durch eine auslösende Bedingung von einem Zustand in einen anderen übergehen kann.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Die Offenbarung wird jetzt, lediglich beispielhaft, mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 zwei Beispiele für Zweiphasenladungspumpen veranschaulicht;
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2 ein Zeitablaufdiagramm für eine Zweiphasenladungspumpe veranschaulicht;
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3 Simulationen des Ladungspumpenwirkungsgrads versus die Schaltfrequenz für verschiedene Lasten veranschaulicht;
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4 die Änderung der Ladungspumpenausgangsspannung versus den Laststrom für verschiedene Schaltfrequenzen veranschaulicht;
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5 den Ladungspumpenwirkungsgrad versus den Laststrom für dieselben Schaltfrequenzen wie in 4 veranschaulicht;
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6 ein System zum Nachführen des Punktes des maximalen Wirkungsgrads der Ladungspumpe gemäß einer Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht;
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7 ein System zum Nachführen des Punktes des maximalen Wirkungsgrads der Ladungspumpe gemäß einer weiteren Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht;
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8 die Leistung des Systems aus 7 unter einer sich verändernden Last veranschaulicht; und
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9 den Wirkungsgrad versus den Laststrom eines Systems zum Nachführen des Punktes des maximalen Wirkungsgrads gemäß der Offenbarung im Vergleich mit verschiedenen, nicht frequenzkompensierten Betriebsarten veranschaulicht.
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Genaue Beschreibung
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Die Bedeutung der in der folgenden Beschreibung verwendeten, abgekürzten Begriffe kann im Glossar nachgelesen werden, das nachstehend zu finden ist.
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Die Offenbarung kann auf jeden Ladungspumpentyp angewendet werden. In 1 werden zwei Beispiele für Zweiphasenladungspumpen gezeigt. Die Energiespeicherelemente umfassen einen schwebenden Kondensator CF und einen Speicherkondensator CR, die durch den Betrieb der Schalter selektiv zwischen Masse (GND) und entweder einer Eingangsspannung VIN oder einer Ausgangsspannung VOUT verbunden werden. Während einer Ladephase sind die mit Φ1 bezeichneten Schalter geschlossen und die mit Φ2 bezeichneten Schalter offen, und während einer Entladephase sind die mit Φ1 bezeichneten Schalter offen und die mit Φ2 bezeichneten Schalter geschlossen. 2 ist ein Zeitablaufdiagramm, das den Betrieb der Schalter Φ1 und Φ2 veranschaulicht.
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Es gibt mehr Beispiele für Ladungspumpen, mit mehr als zwei Phasen und mit verschiedenen Kondensatoranordnungen. Der Wirkungsgrad (EFF) kann jedoch als das Verhältnis der Ausgangsleistung zur Eingangsleistung verallgemeinert werden:
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Wobei RE in der Literatur wie folgt angegeben wird: RE = CR / CF + CR· 1 / 4.CF.FSW + RDSON / 2 + Tdead / CR (2)
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Wenn ILOAD sehr hoch ist, ist Pswitching vernachlässigbar, und Pesr wird als genügend vernachlässigbar angegeben. Somit sinkt der Wirkungsgrad linear mit dem Strom. Umgekehrt erhöht er sich, wenn sich FSW erhöht. In der Tat ist der Ladungsbetrag, der in den Ausgang injiziert wird, umso höher, somit der äquivalente Ausgangswiderstand RE umso niedriger, je schneller die Ladungspumpe schaltet.
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Im Gegensatz zu induktiven Umsetzern mit einer geschlossenen Schleife ändert sich der Wirkungsgrad einer CP bei einer hohen Last linear mit dem Erniedrigen von VOUT.
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Die Formel (2) wird jedoch durch blindes Überlagern von Einflüssen berechnet. Sie erweist sich nur für extreme Werte als wahr: wenn RDSON gegen 0 geht, wird RE von k/CF.FSW beeinflusst.
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In der Tat treten nicht lineare Effekte auf, wenn einer der Zyklen Φ1 oder Φ2 der CP kürzer als die Zeitkonstante (3.RDSON.CF) wird, die für die Ladungsübertragung benötigt wird, weil die Ladungspumpe keine Zeit hat, ihre Entladung abzuschließen. Wenn die Frequenz über diese Inflexion 1/(6π.RDSON.CF) erhöht wird, beginnt RE wieder, sich zu erhöhen. Also gibt es für eine gegebene Last ILOAD ein Optimum der Schaltfrequenz, das RE minimiert. Dies ist durch Simulationen auf einer idealen Anordnung nachgewiesen, deren Ergebnisse in 3 graphisch dargestellt sind. Dies zeigt den Wirkungsgrad (Y-Achse) versus die Schaltfrequenz (X-Achse) für verschiedene Lasten – 1 A, 2 A, 5 A und 10 A.
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Wieder hat diese Kennlinie nichts mit den bekannteren Schaltverlusten zu tun, die bei einer niedrigen Last beginnen, eine Rolle zu spielen: diese Kurve in 3 wurde aus einer idealen Anordnung ohne Schaltverluste entnommen. Die Offenbarung kann für einen kontinuierlichen Schaltmodus (CCM) bei einem hohen Strom gelten, wenn die Schaltverluste vernachlässigbar sind.
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Auf Silizium wurde der Nachweis ebenfalls sowohl für RE als auch für den RE-abhängigen Wirkungsgrad erbracht, wie in 4 und 5 zu sehen ist.
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4 zeigt die Änderung von VOUT (Y-Achse) versus den Laststrom (X-Achse) für Schaltfrequenzen von 250 Hz, 500 Hz, 1 MHz, 1,5 MHz und 2 MHz. 5 zeigt den Wirkungsgrad (Y-Achse) versus den Laststrom (X-Achse) für dieselben Schaltfrequenzen.
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RE wird durch den Abfall von VOUT wiedergegeben und korreliert direkt mit dem Wirkungsgrad, wenn die Last 2 A übersteigt, also wenn die ohmschen Verluste vorherrschen. Es sei außerdem erwähnt, dass dieses Optimum außerdem von der Last abhängt: es liegt bei 300 kHz bei 10 A und bei ~500 kHz bei 5 A, dann bei 300 kHz bei 2 A. Wenn sich andere Parameter (CF, CR) ändern, ändert sich dieses Optimum erneut.
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Dieses Frequenzoptimum würde nicht nur die Kenntnis von CF, CR erfordern, sondern würde sich außerdem mit ILOAD ändern. Außerdem weisen CF und CR einen nominalen Streubereich auf und sind herabgesetzt, ferner kann sich dieser herabgesetzte Wert mit der Zeit ändern: wenn sich VIN und VOUT ändern, ändern sich CF und CR ebenfalls. Außerdem ändert sich RDSON ebenfalls mit VIN und mit der Chiptemperatur, was somit den optimalen Wert von RDSON ebenfalls veränderlich macht. Dies verlangt nach Nachschlagetabellen mit 4 Dimensionen, um die Frequenz an diese Parameter anzupassen, um den optimalen Wirkungsgrad aufrechterhalten zu können. Wenn sich andernfalls die Auswahl auf eine Frequenz stützt, gehen zwischen 1% und 3% des Wirkungsgrads verloren (wobei ungefähr 95% davon von der Last in CCM abhängen), was 20% bis 50% mehr Verlusten und einer höheren Selbsterwärmung entspricht.
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Diese Offenbarung schafft ein Nachführen des Punktes des maximalen Wirkungsgrads (MEPT) des Ladungspumpenbetriebs. Es ist sehr preisgünstig und stellt in einer bevorzugten Ausführungsform die Frequenz der Ladungspumpe ein, um den besten Wirkungsgrad nachzuführen. Es passt sich somit selbst den sich ändernden Parametern CF, CR, RDSON und ILOAD an.
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Eine Ausführungsform einer Gleichstrom/Gleichstromspannungsumgesetzten Schaltung gemäß der Offenbarung ist in 6 gezeigt. Die Schaltung umfasst eine Ladungspumpe, eine Messschaltung, wie etwa eine Abtast- und Haltevorrichtung, die ausgelegt ist, aufeinanderfolgende Werte einer Ausgangsspannung der Ladungspumpe zu messen und zu speichern, und eine Logikschaltung, die die gespeicherten Ausgangsspannungswerte vergleicht und auf der Basis des Vergleichs einen Betriebsparameter der Ladungspumpe einstellt.
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Die Ladungspumpe dieser Ausführungsform umfasst CF, CR und die vier Schalter, die durch Φ1, Φ2 angesteuert werden. Dies dient lediglich der Veranschaulichung, und die Ladungspumpe kann eine Ladungspumpe eines beliebigen Typs aus den Folgenden sein, eine Einzel-, eine verzahnte, eine Vervielfacher-, eine Teiler-, eine fraktionale Ladungspumpe. All diese teilen denselben Effekt eines Wirkungsgrads, der mit VOUT sinkt und der für eine gegebene Gruppe anderer Parameter (RDSON, CF, CR, ILOAD) ein Optimum (eine Schaltfrequenz) aufweist.
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Die Messschaltung kann ein Abtast- und Haltesystem umfassen, und in dieser Ausführungsform wird ein Abtast- und Haltesystem, das Schalter und Kondensatoren {S1, CN} und {S2, CN_1} umfasst, veranschaulicht. Es sei erwähnt, dass Abtast- und Haltesysteme jeglicher Art vorgesehen werden können. In einer bevorzugten Ausführungsform arbeitet die Messschaltung bei einer langsameren Frequenz als der unteren Grenze eines Ladungspumpenfrequenzbetriebsbereichs. In dieser Ausführungsform arbeitet das Abtast- und Haltesystem mit einem langsameren Takt clkM mit optionalen Puffern B1, B2. Wenn wir z. B. eine CP-Schaltfrequenz anstreben, die zwischen 200 kHz und 2 MHz einstellbar ist, kann clkM 50 kHz betragen. Somit verschiebt clkM jedes Mal, wenn er getaktet wird, den abgetasteten Wert von VOUT.
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Es sei erwähnt, dass VOUT in OUT_F gefiltert werden kann, um die CP-Welligkeit zu entfernen. Somit gibt der Komparator COMP1 wieder, ob sich VOUT zwischen zwei clkM-Ereignissen erhöht oder erniedrigt hat.
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Es sei außerdem erwähnt, dass jede passende Schaltung zum Messen und Halten aufeinanderfolgender VOUT-Werte verwendet werden könnte, nicht nur Abtast- und Halteschaltungen (S&H-Schaltungen). Zum Beispiel könnte eine Gruppe von Analog/Digital-Umsetzern und Schieberegistern verwendet werden oder jede andere äquivalente oder passende Alternative.
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Eine Logikschaltung empfängt den Ausgang der Messschaltung und stellt auf der Basis des Vergleichs einen Betriebsparameter der Ladungspumpe ein.
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Die Logikschaltung kann eine Zustandsmaschine umfassen, und in dieser veranschaulichten Ausführungsform ist eine Moore-Zustandsmaschine vorgesehen, die die Elemente {D1, CB1} umfasst. Jeder andere Typ einer Zustandsmaschine oder eines passenden Äquivalents kann verwendet werden. Sie speichert auf N Bits einen aktuellen Zustand, erfasst den COMP1-Ausgang und aktualisiert den Zustand. Angenommen, im vorhergehenden Zustand sollte VOUT (und somit der Wirkungsgrad) erhöht werden und wir erhalten ein Sinken von VOUT, dann muss der kombinatorische Teil CB1 den Zustand anpassen, um zu versuchen, VOUT wieder zu erhöhen.
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Ein veranschaulichendes Beispiel besteht darin, die Frequenz wie folgt hinauf/hinunter einzustellen:
- – Wenn der vorhergehende Zustand darin bestand, die Frequenz hochzustufen (zu erhöhen), dann:
- • Wenn VOUT ansteigt: wir können die Frequenz weiter erhöhen; wir bewegen uns im richtigen Trend/in der richtigen Richtung.
- • Wenn VOUT abfällt, haben wir vielleicht den Punkt des optimalen Wirkungsgrads erreicht, wir ändern den Zustand, um VOUT zu erniedrigen.
- – Wenn der vorhergehende Zustand darin bestand, die Frequenz herunterzustufen (zu erniedrigen), dann:
- • Wenn VOUT ansteigt: wir können die Frequenz weiter erniedrigen.
- • Wenn VOUT abfällt, haben wir vielleicht den Punkt des optimalen Wirkungsgrads erreicht, wir ändern den Zustand, um VOUT zu erhöhen.
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In dieser Ausführungsform wird der Zustand auf 1 Bit (Frequenzschritt hinauf/hinunter (dw)) codiert, es ist jedoch möglich, den Zustand auf mehr als einem Bit zu codieren, um eine alternative oder eine ausgereiftere Funktionalität zu schaffen. Man könnte mit anderen Parametern arbeiten: z. B. Aufteilen der CP und der Leistungsschalter in viele Elemente. Dies ist eine andere Dimension, und die {D1, CB1}-Zustandsmaschine kann entsprechend verfeinert werden.
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Der aktuelle Zustand wird auf ein Digitalfilter angewendet, das im Zeitbereich derart abstimmt, dass der neue Zustand angewendet wird, um die Frequenz zu ändern. Dieses Filter kann auf jedem Takt arbeiten.
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Der Ausgang des Digitalfilters (M-Bit-Codierung) kann verwendet werden, um die Dauer einer Verzögerung einzustellen, die für die Phase der CP verwendet wird. Es sei erwähnt, dass in dieser Graphik lediglich zwei Phasen gezeigt sind und dass der Ausgang des Digitalfilters außerdem auf eine Verzögerung angewendet wird. Es können mehr Phasen verwendet werden, und der Ausgang des Digitalfilters kann unterschiedlich angewendet werden. Zum Beispiel können die M Bits auf einen VCO/DCO angewendet werden, um die Frequenz einzustellen.
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Auf diese Weise wird die Schleife geschlossen: die Zustandsmaschine wählt eine Anfangsrichtung (Beispiel: die Frequenz zu erhöhen), sieht auf die Ergebnisse (VOUT-Änderung) und hält ihre Entscheidung aufrecht oder ändert abhängig vom Ergebnis ihre Entscheidung. Letztendlich schwankt der Zustand um ein Optimum (ein Maximum für VOUT), das der besten Konfiguration für eine maximale Frequenz entspricht.
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Systeme mit veränderlichen Frequenzen sind Dank der EMI-Abschirmung im Markt für tragbare Produkte akzeptabel, in dem RF eine Rolle spielt. Die vorliegende Offenbarung schafft digitale Komponenten, die den Konstruktions-/Layoutaufwand minimieren, und das Nachführen des Wirkungsgrads verringert ferner die Verluste um 20% bis 50% im Vergleich mit einem nicht frequenzkompensierten Betrieb, wie in 9 gezeigt ist, die den endgültigen Wirkungsgrad (Y-Achse) für das Nachführen des Punktes des maximalen Wirkungsgrads (MEPT) gemäß der Offenbarung im Vergleich mit verschiedenen, nicht frequenzkompensierten Betriebsarten zeigt, der versus den Laststrom (X-Achse) graphisch dargestellt ist.
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7 zeigt eine beispielhafte Basisimplementierung, die für die Frequenzeinstellung anwendbar ist. Wie in 6 ist die Zustandsmaschine auf ein Flip-Flop D1 (um den Zustand Erhöhen/Erniedrigen der Ladungspumpenfrequenz zu codieren) reduziert. Das Digitalfilter kann somit ein einfacher Hinauf/Hinunter-Zähler (UP/DW-Zähler) sein. Nehmen wir also an, wir erhöhen die Frequenz und wir detektieren jetzt, dass VOUT während des letzten clkM-Zyklus heruntergegangen ist:
- 1. Der Zustand wird aktualisiert, um die Frequenz zu erniedrigen, womit ”0” an den UP-Eingang des Zählers angelegt wird.
- 2. Der Zähler erniedrigt seinen 5-Bit-Ausgang. Die Verzögerung wird in diesem Fall erhöht, weil der Zähler den Wert eines Stroms erniedrigt, der zum Implementieren der Verzögerung in einen Kondensator injiziert wird.
- 3. Somit wird die Phasendauer erhöht, und die CP schwingt langsamer, womit sie den Trend umkehrt und VOUT wieder nach oben bringt.
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Dieses System wurde auf einem verzahnten (interleaved) Ladungspumpenteiler implementiert. Die Ergebnisse sind in 8 für zwei Werte von CF (10 μF und 20 μF) und wenn sich die Last ändert, graphisch dargestellt.
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Der unterste Streifen ist die Echtzeit-CP-Schaltfrequenz. Sie schwankt um ihr Optimum, das bei ~900 kHz (CF = 10 μF) und bei ~650 kHz (CF = 20 μF) liegt.
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Wenn sich ILOAD ändert, ändert sich der Durchschnittswert (zu sehen für den Fall 20 μF), um VOUT immer zu maximieren. Er beträgt für diese spezielle Implementierung ~700 kHz bei 2 A, dann ~600 kHz bei 5 A, dann wieder ~700 kHz bei 10 A.
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Das Schwanken der Frequenz ist eine 2LSB-Welligkeit: in der Tat kehrt das System die LSB (Addieren/Subtrahieren) um, wenn es detektiert, dass VOUT ihren Trend umkehrt. Dann jedoch muss es diesen Zustand ein weiteres Mal beibehalten, um zu prüfen, ob eine Chance besteht, dass es in dieser Richtung fortfahren muss.
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Die Simulationsergebnisse sind aufgenommen, und der endgültige Wirkungsgrad ist in 9 versus den Laststrom graphisch dargestellt.
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Verschiedene Verbesserungen und Modifikationen zum Obenstehenden können gemacht werden, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
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Glossar
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- CP
- Ladungspumpe
- CF
- schwebender Kondensator (auch verwendet, um die Kapazität des schwebender Kondensators darzustellen)
- CR
- Speicherkondensator (auch verwendet, um die Kapazität des Speicherkondensators darzustellen)
- CCM
- kontinuierlicher Leitungsmodus
- VIN
- Eingangsspannung (der Ladungspumpe)
- VOUT
- Ausgangsspannung (der Ladungspumpe)
- Φ1
- Phase 1 der Ladungspumpe
- Φ2
- Phase 2 der Ladungspumpe
- EFF
- Wirkungsgrad
- POUT
- Ausgangsleistung (der Ladungspumpe)
- PIN
- Eingangsleistung (der Ladungspumpe)
- ILOAD
- Strom der Ausgangslast
- Pswitching
- Schaltleistungsverluste
- Pesr
- Leistungsverluste des äquivalenten Reihenwiderstands
- RE
- äquivalenter Widerstand
- FSW
- Ladungspumpenschaltfrequenz
- RDSON
- Widerstand von Drain zu Source im Ein-Zustand
- Tdead
- (Dauer der) Totzeit der Ladungspumpe
- VCO
- spannungsgesteuerter Oszillator
- DCO
- digital gesteuerter Oszillator
- RF
- Funkfrequenz
- EMI
- elektromagnetische Interferenz
