DE102016225795A1 - Hybrid-dcdc-leistungswandler mit höherer effizienz - Google Patents

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Abstract

Ein Leistungswandler, der konfiguriert ist zum Umwandeln von Leistung zwischen einer ersten Wandlerspannung an einem ersten Wandleranschluss und einer zweiten Wandlerspannung an einem zweiten Wandleranschluss wird beschrieben. Der Leistungswandler weist ein erstes Kondensatornetzwerk (C, C1), einen Induktor (L) und eine erste Schaltmatrix auf, die konfiguriert ist zum Anordnen des ersten Kondensatornetzwerks (C, C1) und des Induktors in verschiedenen Zuständen. Die Vielzahl von verschiedenen Zuständen weist einen Umgehungs- bzw. Bypass-Zustand auf, der ermöglicht, dass Strom von dem ersten Wandleranschluss oder von Masse durch das erste Kondensatornetzwerk zu dem zweiten Wandleranschluss fließt, ohne durch den Induktor (L) zu gehen. Weiter weist die Vielzahl von verschiedenen Zuständen einen Induktorzustand auf, der ermöglicht, dass Strom von dem ersten Wandleranschluss oder von Masse durch den Induktor (L) zu dem zweiten Wandleranschluss fließt. Der Leistungswandler weist weiter eine Steuereinheit auf, die konfiguriert ist zum Steuern der ersten Schaltmatrix wiederholt in einer wiederkehrenden Sequenz von verschiedenen Zuständen, wobei die Sequenz von verschiedenen Zuständen den Umgehungszustand und den Induktorzustand aufweist. Weiter ist die Steuereinheit konfiguriert zum Variieren eines Arbeitszyklus der verschiedenen Zustände in Abhängigkeit von einem Sollumwandlungsverhältnis zwischen der ersten Wandlerspannung und der zweiten Wandlerspannung.

Description

  • Technischer Bereich
  • Das vorliegende Dokument betrifft einen Leistungswandler. Insbesondere betrifft das vorliegende Dokument einen DCDC-Leistungswandler, der eine höhere Leistungseffizienz hat und einen höheren maximalen Ausgangsstrom vorsieht.
  • Hintergrund
  • In den letzten Jahren haben sich bei batteriebetriebenen Anwendungen (wie Smartphones, Tablets und Notebooks) deren Rechenleistung, Bildschirmauflösung und Anzeigerahmenrate erhöht und verbundene Standby-Modi wurden hinzugefügt. Die Zunahme der Rechenleistung wurde durch Siliziumtechnologie in dem Sub-Mikron-Bereich erreicht, der sich 10nm und darunter nähert. Diese ultra-schmalen Gate-Strukturen zeigen für jeden Transistor einen höheren Leckstrom. Angesichts der Tatsache, dass zentrale Verarbeitungseinheiten (CPUs - central processing units) und grafische Verarbeitungseinheiten (GPUs - graphical processing units) aus mehreren hundert Millionen Transistoren zusammengesetzt sind, ist der Leckstrom eines modernen Mikroprozessors typischerweise signifikant. Um einen Batterieverbrauch zu reduzieren, werden die eingebetteten Rechenkerne typischerweise so oft wie möglich von der Energieversorgung getrennt. Als Ergebnis davon wird die erforderliche Rechenleistung in kurzen Betriebs-Bursts mit maximaler Geschwindigkeit vorgesehen. Daher wird das Leistungsprofil einer modernen mobilen Computervorrichtung durch relativ lange Perioden von Standby-Strömen in dem mA-Bereich dominiert, unterbrochen durch Pulse von hohen Spitzenströmen (in dem Bereich von 10A und höher). Die Herausforderung für eine Leistungsverwaltungseinheit ist das Vorsehen von niedrigen Strömen bei hoher Umwandlungseffizienz (zur Optimierung der Batterielebensdauer), kombiniert mit dem Vorsehen von hohen Strömen ohne Sättigungseffekte und bei stabilen Ausgangsspannungen.
  • Eine Lösung zur Vermeidung von Sättigung (und hoher l2P-Verluste (d.h. resistiver Verluste) in der Strombahn von der Batterie ist die Verwendung einer Batteriepackung mit in Serie verbundenen Zellen. Für Lilon/LiPoly-Zellen führt dies zu nominalen Batteriepackungsspannungen von etwa N x 3,7 V (wobei N die Anzahl der Zellen ist), zum Beispiel 7,4V für eine Packung mit N = 2 Zellen in Serie (2S) oder 11V für eine Packung mit N = 3 Zellen, die in Serie verbunden sind (3S). Der dominante Stromverbrauch wird typischerweise durch den Prozessor verursacht, der Transistoren aufweist, die nur Spannungen bei oder sogar unterhalb des 1V-Bereichs aushalten können. Dies löst erhebliche Spannungsumwandlungsverhältnisse aus, die durch DCDC-Wandler nicht effizient vorgesehen werden können, die mit relativ großen Schaltern vorgesehen sind, die eine relativ hohe Betriebsspannung haben und eine relativ hohe Gate-Ladung für jede Schaltoperation verbrauchen. Infolgedessen neigen Standard-Buck- bzw. Abwärts-Wandler dazu, bei relativ niedriger Frequenz zu schalten, wodurch Spulen mit hoher Induktivität erforderlich sind, um eine vernünftige Stromwelligkeit vorzusehen. Diese Hochinduktivitätsspulen sind typischerweise groß, insbesondere, wenn hohe Spitzenströme vorgesehen werden müssen.
  • Eine Möglichkeit, die oben genannte Herausforderung anzugehen, ist die Erzeugung einer Zwischenschiene (bei einer Zwischenspannung) zwischen der Ausgangsspannung der Batteriepackung und der Prozessoreingangsspannung. Dies ermöglicht die Verwendung von DCDC-Wandlern zur Regelung mit Schaltern mit reduzierter Betriebsspannung und ein Schalten bei einer höheren Frequenz (bei unveränderten Schaltverlusten). Als Folge einer höheren Schaltfrequenz kann die Induktivität für eine unveränderte Stromwelligkeit reduziert werden. Die reduzierte Induktivität reduziert den DC-Widerstand der Spule und die Größe der Spulen, wodurch höhere Spitzenströme und ein reduzierter Fußabdruck möglich sind.
  • Daher können mobile Computervorrichtungen zum Beispiel einen Zwischenbus von 5V oder 3,3V verwenden. Jedoch leidet die Verwendung von standardmäßigen (induktiven) Abwärts-Wandlern mit Leistungsvermögen, das größer ist als die Prozessorspitzenlast, unter den oben erwähnten Beschränkungen, d.h. der Wandler ist entweder relativ groß oder bietet eine relativ schlechte Effizienz bei leichter Last. Die kaskadierte Gesamteffizienz ist typischerweise nur akzeptabel, wenn der Zwischenbus ohne wesentliche Umwandlungsverluste erzeugt wird (insbesondere während der zeitlich dominierenden Leichtlastoperation).
  • Wenn der Zwischenbus der Batteriepackungsspannung folgen kann, kann ein ungeregelter kapazitiver Spannungsteiler eine relativ hohe Effizienz für einen breiten Strombereich und ohne die Notwendigkeit für große Induktoren vorsehen. Unter Verwendung zum Beispiel eines 2:1-Wandlers kann der Ausgang einer 2S-Batteriepackung in den typischen Spannungsbereich einer 1S-Packung umgewandelt werden, was die Verwendung von Standard-Niederspannungs-PMICs (Power Management Integrated Circuitry) ermöglicht. Allerdings kann die fehlende Regelung zu Problemen führen, in Fällen, in denen die Batteriepackung tiefentladen ist (zum Beispiel bei 5V in dem Fall einer 2S-Batteriepackung). Wenn der Wandler ein festes 2:1-Umwandlungsverhältnis vorsieht, beeinflusst die reduzierte Batteriespannung direkt die Spannung an dem Zwischenbus. Die Spannung an dem Zwischenbus kann weiter fallen (zum Beispiel um 100-300mV), wenn ein Laststrom bezogen wird. Als Folge davon kann die Spannung an dem Zwischenbus unterhalb der Minimumeingangsspannung sein, die von einer kaskadierten 1S-PMIC benötigt wird.
  • Eine Regelung der Zwischenspannung an dem Zwischenbus kann unter Verwendung zum Beispiel eines 3-Stufen-Abwärts-Wandlers vorgesehen werden. Solange das Umwandlungsverhältnis eines solchen Wandlers in dem Bereich des eingebetteten kapazitiven Teilers liegt (zum Beispiel Vin/2 vorsehend), ist die Effizienz eines Mehrstufenwandlers nur geringfügig unter der Effizienz eines ungeregelten kapazitiven Spannungsteilers unter Verwendung ähnlicher Schalter. Allerdings ist der maximale Ausgangsstrom eines Mehrstufenwandlers durch den Nennstrom seines Induktors begrenzt. Um seine Spitzenstromfähigkeit zu erhöhen, muss ein solcher Wandler größere Induktoren verwenden oder den Gesamtstrom durch mehrere Induktoren leiten. Der Nachteil dieses Ansatzes sind höhere Materialstückliste(BOM - bill of material)-Kosten und ein größerer Leiterplatten(PCB - printed circuit board)-Bereich.
  • Eine weitere Begrenzung von Mehrstufenwandlern ist eine Leichtlasteffizienz, wenn das Umwandlungsverhältnis nicht in dem Bereich des Umwandlungsverhältnisses des inhärenten kapazitiven Teilers ist. Eine Verwendung zum Beispiel eines Wandlers mit einem 2:1 Umwandlungsverhältnis des eingebetteten kapazitiven Teilers für eine Umwandlung von 3:1 (zum Beispiel für eine 3S-Batteriepackung) kann zu einer akzeptablen Effizienz bei hohem Strom führen (wo ein Widerstandsverlust dominant ist), zeigt aber typischerweise eine schlechte Effizienz bei leichter Last, wo Wandlerschaltverluste und Induktorkernverluste die erzielbare Effizienz bestimmen.
  • Das vorliegende Dokument adressiert das technische Problem eines Vorsehens eines DCDC-Leistungswandlers (d.h. Gleichstrom zu Gleichstrom) mit einer höheren maximalen Ausgangsstromfähigkeit und eines Vorsehens einer höheren Leistungseffizienz bei leichten Lasten für einen erweiterten Bereich von Umwandlungsverhältnissen. Der Leistungswandler kann zum Beispiel verwendet werden zum Vorsehen einer geregelten Zwischenspannung für mobile Leistungsanwendungen.
  • Zusammenfassung
  • Gemäß einem Aspekt wird ein Leistungswandler beschrieben, der konfiguriert ist zum Umwandeln von Leistung zwischen einer ersten Wandlerspannung an einem ersten Wandleranschluss und einer zweiten Wandlerspannung an einem zweiten Wandleranschluss. Die ersten und zweiten Wandlerspannungen können relativ zu Masse sein. Insbesondere wird ein DCDC-Leistungswandler beschrieben. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein zum Durchführen einer Abwärtswandlung. In solch einem Fall kann Leistung von dem ersten Wandleranschluss zu dem zweiten Wandleranschluss übertragen werden. Alternativ kann der Leistungswandler konfiguriert sein zum Durchführen einer Aufwärtswandlung. In solch einem Fall kann Leistung von dem zweiten Wandleranschluss zu dem ersten Wandleranschluss übertragen werden.
  • Der Leistungswandler weist ein erstes Kondensatornetzwerk und einen Induktor (zum Beispiel nur genau einen Induktor) auf. Weiter weist der Leistungswandler eine erste Schaltmatrix auf, die konfiguriert ist zum Anordnen des ersten Kondensatornetzwerks und des Induktors in verschiedenen Zuständen. Die verschiedenen Zustände umfassen einen Bypass- bzw. Umgehungs-Zustand, der ermöglicht, dass Strom von dem ersten Wandleranschluss oder von Masse durch das erste Kondensatornetzwerk zu dem zweiten Wandleranschluss fließt, ohne durch den Induktor zu gehen. Der Umgehungszustand kann daher verwendet werden, um Strom direkt an den zweiten Wandleranschluss vorzusehen, ohne den Induktor zu durchqueren. Als Ergebnis davon kann der Gesamtwandlerstrom an dem zweiten Wandleranschluss erhöht werden (ohne die Stromcharakteristiken des Induktors des Leistungswandlers zu erhöhen).
  • Weiter umfassen die verschiedenen Zustände einen Induktorzustand, der ermöglicht, dass Strom von dem ersten Wandleranschluss oder von Masse durch den Induktor zu dem zweiten Wandleranschluss fließt. Der Induktorzustand kann zur Regelung der ersten oder zweiten Wandlerspannung verwendet werden.
  • Der Leistungswandler weist weiter eine Steuereinheit auf, die konfiguriert ist zum Steuern der ersten Schaltmatrix wiederholt in einer wiederkehrenden Sequenz von verschiedenen Zuständen, wobei die Sequenz von verschiedenen Zuständen den Umgehungszustand und den Induktorzustand aufweist. Insbesondere kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Variieren eines Arbeitszyklus der verschiedenen Zustände in Abhängigkeit von einem Sollumwandlungsverhältnis zwischen der ersten Wandlerspannung und der zweiten Wandlerspannung.
  • Durch Kombinieren eines Umgehungszustands mit einem Induktorzustand kann ein Leistungswandler vorgesehen werden, der eine höhere maximale Ausgangsstromfähigkeit hat und eine höhere Leistungseffizienz bei leichten Lasten vorsieht.
  • Es sollte angemerkt werden, dass der Umgehungszustand und der Induktorzustand innerhalb eines einzelnen Betriebszustands kombiniert werden können. Zum Beispiel kann ein Betriebszustand einen Bypass- bzw. Umgehungspfad aufweisen zum Vorsehen von Strom direkt über das Kondensatornetzwerk an den zweiten Wandleranschluss und einen Induktorpfad zum Vorsehen von Strom über den Induktor an den zweiten Wandleranschluss. Somit kann die Sequenz von verschiedenen Zuständen einen (reinen) Umgehungszustand, einen (reinen) Induktorzustand und/oder einen kombinierten Bypass/Induktorzustand (mit einem Umgehungspfad und einem Induktorpfad) aufweisen. Mit anderen Worten kann eine Sequenz von verschiedenen Zuständen, die einen Umgehungszustand und einen Induktorzustand umfasst, einen (zum Beispiel nur einen einzelnen) kombinierten Umgehungs- und Induktorzustand aufweisen. Ein Umgehungszustand oder ein Umgehungspfad ist derart, dass Strom von dem ersten Wandleranschluss oder von Masse über das erste Kondensatornetzwerk vorgesehen wird (ohne durch einen Induktor zu gehen, insbesondere ohne durch den einzelnen Induktor des Leistungswandlers zu gehen). Andererseits ist ein Induktorzustand oder Induktorpfad derart, dass Strom von dem ersten Wandleranschluss oder von Masse über den Induktor (insbesondere über den einzelnen Induktor des Leistungswandlers) vorgesehen wird.
  • Die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Steuern der ersten Schaltmatrix, um die Sequenz von verschiedenen Zuständen innerhalb einer Zyklusdauer zu durchlaufen (d.h. bei einer variierenden oder festen Kommutierungszyklusrate). Weiter kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Variieren einer Dauer der verschiedenen Zustände, insbesondere des Umgehungszustands und/oder des Induktorzustands, innerhalb der Zyklusdauer in Abhängigkeit von dem Sollumwandlungsverhältnis. Insbesondere kann eine relative Dauer der verschiedenen Zustände variiert werden. Auf diese Weise kann die erste oder die zweite Wandlerspannung in Übereinstimmung mit dem Sollumwandlungsverhältnis geregelt werden.
  • Es ist anzumerken, dass die Schaltfrequenz oder Zyklusdauer variieren kann. Eine Änderung hin zu höheren Schaltfrequenzen kann bei einer relativ geringen Induktivität in Kombination mit Umwandlungsverhältnissen verschieden zu 2:1 vorteilhaft sein (und/oder anderen Raten, die nicht mit dem natürlichen Umwandlungsverhältnis des Schaltkondensator-Spannungsteilers übereinstimmen). Somit kann die Zyklusdauer variieren, wenn sich das Sollumwandlungsverhältnis ändert. Andernfalls könnte sich die Stromwelligkeit des Induktors erhöhen. Weiter kann die Zyklusdauer dynamisch angepasst werden, um ein Unter- und Überschwingen der Spannung während eines Transientenlaststroms zu minimieren (insbesondere bei einer Spannungsregelung).
  • Der Induktor zeigt typischerweise einen Sättigungsstrom (d.h. einen maximalen Strom, der durch den Induktor vorgesehen werden kann). Die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Steuern der ersten Schaltmatrix derart, dass durch die Verwendung des Umgehungszustands ein maximaler Gesamtwandlerstrom an dem zweiten Wandleranschluss höher ist als der Sättigungsstrom des Induktors. Somit kann der Umgehungszustand verwendet werden, um den Gesamtwandlerstrom zu erhöhen, der durch den Leistungswandler vorgesehen wird (ohne die Notwendigkeit, einen Induktor mit höherer Stromfähigkeit zu verwenden).
  • Die erste Schaltmatrix ist typischerweise konfiguriert zum Anordnen des ersten Kondensatornetzwerks und des Induktors in Betriebszuständen und Übergangszuständen, wobei die Übergangszustände verwendet werden, um von einem Betriebszustand zu einem nachfolgenden Betriebszustand innerhalb der wiederkehrenden Sequenz von verschiedenen Zuständen zu wechseln. Die Dauer der Übergangszustände ist typischerweise unabhängig von dem Sollumwandlungsverhältnis. Normalerweise wird die Dauer der Übergangszustände minimiert, da die Übergangszustände zu einem Umwandlungsverlust führen (zum Beispiel Körperdiodenleitungsverlust) und typischerweise keine Relevanz für die Regelung der ersten oder zweiten Wandlerspannung haben. Die Dauer der Übergangszustände kann kürzer sein als die Dauer der Betriebszustände, insbesondere um eine oder mehrere Größenordnungen.
  • Andererseits wird die Dauer von (zumindest einigen der) Betriebszustände typischerweise variiert, wenn der Arbeitszyklus variiert wird. Der Umgehungszustand und die Induktorzustände sind beispielhafte Betriebszustände.
  • Das erste Kondensatornetzwerk kann einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss haben. Weiter kann der Induktor (insbesondere der einzige Induktor des Leistungswandlers) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss haben. Der zweite Anschluss des Induktors kann (direkt) mit dem zweiten Wandleranschluss gekoppelt sein und der erste Anschluss des Induktors kann direkt oder über einen Schalter mit dem zweiten Anschluss des ersten Kondensatornetzwerks (oder über einen Schalter mit dem ersten Anschluss des ersten Kondensatornetzwerks) gekoppelt sein.
  • Ein Betriebszustand kann definieren, wie der Induktor und das erste Kondensatornetzwerk miteinander und in Bezug auf die ersten und/oder zweiten Wandleranschlüsse und in Bezug auf Masse gekoppelt sind. Verschiedene Zustände definieren typischerweise unterschiedliche Anordnungen. Die in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Schalter können Transistoren sein oder diese aufweisen, insbesondere Feldeffekttransistoren, wie Metalloxid-Halbleitertransistoren.
  • Der zweite Anschluss des Induktors kann (direkt) mit dem zweiten Wandleranschluss gekoppelt sein. Andererseits kann der erste Anschluss des Induktors direkt oder über einen Schalter mit dem ersten oder zweiten Anschluss des ersten Kondensatornetzwerks gekoppelt sein.
  • Die erste Schaltmatrix kann einen ersten Schalter aufweisen (der typischerweise als S1 in dem vorliegenden Dokument bezeichnet wird), der konfiguriert ist zum (direkten oder indirekten) Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks mit dem ersten Wandleranschluss. Weiter kann die erste Schaltmatrix einen zweiten Schalter aufweisen (der typischerweise als S2 in dem vorliegenden Dokument bezeichnet wird), der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des zweiten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks mit Masse. Zusätzlich kann die erste Schaltmatrix einen dritten Schalter aufweisen (der typischerweise als S3 in dem vorliegenden Dokument bezeichnet wird), der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des ersten Anschlusses (wie zum Beispiel in den 1, 1A, 1B) oder des zweiten Anschlusses (wie zum Beispiel in den 1C und 1E) des ersten Kondensatornetzwerks mit dem zweiten Wandleranschluss.
  • Die erste Schaltmatrix kann weiter einen vierten Schalter aufweisen (der typischerweise als S4 in dem vorliegenden Dokument bezeichnet wird), der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln oder Entkoppeln des zweiten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks mit oder von dem ersten Anschluss des Induktors (wie zum Beispiel in den 1, 1A gezeigt). Alternativ kann der vierte Schalter konfiguriert sein zum (direkten) Koppeln oder Entkoppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks mit oder von dem ersten Anschluss des Induktors (wie zum Beispiel in den 1B, 1C gezeigt).
  • Der Leistungswandler kann ein zweites Kondensatornetzwerk mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss aufweisen (wie zum Beispiel in den 1, 1A gezeigt). Weiter kann der Leistungswandler eine zweite Schaltmatrix aufweisen. Die zweite Schaltmatrix kann einen fünften Schalter aufweisen (der typischerweise als S5 in dem vorliegenden Dokument bezeichnet wird), der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des ersten Wandleranschlusses mit dem ersten Anschluss des zweiten Kondensatornetzwerks. Zusätzlich kann die zweite Schaltmatrix einen sechsten Schalter aufweisen (der typischerweise als S6 in dem vorliegenden Dokument bezeichnet wird), der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des zweiten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks mit Masse. Weiter kann die zweite Schaltmatrix einen siebten Schalter aufweisen (der typischerweise als S7 in dem vorliegenden Dokument bezeichnet wird), der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des ersten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks mit dem ersten Anschluss des Induktors. Zusätzlich kann die zweite Schaltmatrix einen achten Schalter aufweisen (der typischerweise als S8 in dem vorliegenden Dokument bezeichnet wird), der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des zweiten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks mit dem zweiten Wandleranschluss.
  • Die erste und die zweite Schaltmatrix können konfiguriert sein zum Anordnen des ersten Kondensatornetzwerks, des zweiten Kondensatornetzwerks und des Induktors in verschiedenen Zuständen und die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Steuern der ersten und der zweiten Schaltmatrix wiederholt in der wiederkehrenden Sequenz von verschiedenen Zuständen. Der Ausgangsstrom, der durch den Leistungswandler vorgesehen werden kann, kann erhöht werden, wenn ein zweites Kondensatornetzwerk vorgesehen wird.
  • Die Sequenz von Zuständen kann einen ersten Zustand aufweisen mit dem ersten Schalter, dem vierten Schalter, dem fünften Schalter und dem achten Schalter geschlossen. Weiter kann die Sequenz von Zuständen einen zweiten Zustand aufweisen mit dem zweiten Schalter, dem dritten Schalter, dem sechsten Schalter und dem siebten Schalter geschlossen. Ein beispielhafter erster Zustand ist in 3A gezeigt und ein beispielhafter zweiter Zustand ist in 3B gezeigt. Eine solche Sequenz von Zuständen kann zum Beispiel verwendet werden, um ein Umwandlungsverhältnis von 2:1 zwischen der ersten und der zweiten Wandlerspannung vorzusehen.
  • Die Sequenz von Zuständen kann weiter einen dritten Zustand aufweisen mit dem fünften Schalter und dem siebten Schalter geschlossen, um den Induktor zwischen dem ersten Wandleranschluss und dem zweiten Wandleranschluss zu koppeln, und wobei die erste und die zweite Schaltmatrix derart sind, dass das erste und das zweite Kondensatornetzwerk schwebend sind (wie zum Beispiel in 3C1 gezeigt). Der dritte Zustand kann verwendet werden zum Beispiel zum Vorsehen von Umwandlungsraten zwischen der ersten und der zweiten Wandlerspannung, die kleiner als 2:1 sind. Alternativ oder zusätzlich kann die Sequenz von Zuständen einen vierten Zustand aufweisen mit dem vierten Schalter und dem zweiten Schalter geschlossen, um den Induktor zwischen dem zweiten Wandleranschluss und Masse zu koppeln, und die erste und die zweite Schaltmatrix derart sind, dass das erste und das zweite Kondensatornetzwerk schwebend sind (wie zum Beispiel in 3D1 gezeigt). Der vierte Zustand kann verwendet werden zum Beispiel zum Vorsehen von Umwandlungsraten zwischen der ersten und der zweiten Wandlerspannung, die größer als 2:1 sind.
  • Die Sequenz von Zuständen kann derart sein, dass ein Schaltzustand von zumindest einigen der Schalter der ersten und/oder zweiten Schaltmatrix für alle oder einen Teilsatz der Zustände der Sequenz von Zuständen unverändert bleibt (wie zum Beispiel in dem Kontext von 4A, 4B, 4C und 4D dargelegt). Durch Beibehalten eines oder mehrerer Schalter innerhalb eines festen Schaltzustands können Schaltverluste des Leistungswandlers reduziert werden. Eine Sequenz von Zuständen mit unveränderten Schaltzuständen für einen oder mehrere Schalter der Schaltmatrizen kann bei relativ niedrigen Lasten verwendet werden, um die Leistungseffizienz des Leistungswandlers weiter zu erhöhen.
  • Der Leistungswandler kann einen neunten Schalter aufweisen, der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks mit dem ersten Anschluss des zweiten Kondensatornetzwerks (wie zum Beispiel in 1A gezeigt). Die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Steuern des neunten Schalters gemäß der Sequenz von Zuständen. Insbesondere kann der neunte Schalter verwendet werden, um weitere Zustände vorzusehen (d.h. weitere Anordnungen des ersten und des zweiten Kondensatornetzwerks und des Induktors).
  • Der neunte Schalter kann insbesondere zur Erhöhung einer Leistungseffizienz für bestimmte Umwandlungsverhältnisse (zum Beispiel in dem Bereich von 3:1) verwendet werden. Zu diesem Zweck kann die Sequenz von Zuständen einen ersten Zustand aufweisen mit dem dritten Schalter, dem zweiten Schalter, dem fünften Schalter und dem achten Schalter geschlossen, um das erste Kondensatornetzwerk zwischen dem zweiten Wandleranschluss und Masse-zu koppeln und das zweite Kondensatornetzwerk zwischen dem ersten und dem zweiten Wandleranschluss zu koppeln, und die verbleibenden Schalter derart sind, dass der Induktor schwebend ist (wie zum Beispiel in 5A gezeigt). Zusätzlich kann die Sequenz von Zuständen einen zweiten Zustand aufweisen mit dem vierten Schalter, dem sechsten Schalter und dem neunten Schalter geschlossen, um den Induktor und das erste und das zweite Kondensatornetzwerk in Serie zwischen dem zweiten Wandleranschluss und Masse zu koppeln (wie zum Beispiel in 5B gezeigt). Weiter kann die Sequenz von Zuständen einen dritten Zustand aufweisen mit dem sechsten Schalter und dem siebten Schalter geschlossen (wie zum Beispiel in 5C gezeigt) oder dem zweiten Schalter und dem vierten Schalter geschlossen (wie zum Beispiel in 5D gezeigt), um den Induktor zwischen dem zweiten Wandleranschluss und Masse zu koppeln. Die Sequenz von Zuständen kann nur den ersten und den zweiten Zustand aufweisen, um ein (ungeregeltes) Umwandlungsverhältnis von 3:1 vorzusehen. Weiter kann ein dritter Zustand (siehe 5C) und ein vierter Zustand (siehe 5D) verwendet werden, um Umwandlungsraten vorzusehen, die kleiner als (5C) oder größer als (5D) 3:1 sind.
  • Weiter kann der neunte Schalter verwendet werden, um eine höhere Effizienz bei leichten Lasten vorzusehen. Zu diesem Zweck kann die Sequenz von Zuständen einen ersten Zustand aufweisen, zum Beispiel mit dem zweiten Schalter, dem dritten Schalter, dem sechsten Schalter und dem neunten Schalter geschlossen (siehe zum Beispiel 6A). Der in 6A gezeigte erste Zustand ist ein reiner Umgehungszustand (wie es der Fall des in den 4A und 5A gezeigten Zustands ist). Während des ersten Zustands können die Schalter der ersten und zweiten Schaltmatrizen und der neunte Schalter derart sein, dass das erste Kondensatornetzwerk und/oder das zweite Kondensatornetzwerk zwischen dem zweiten Wandleranschluss und Masse angeordnet sind, d.h. parallel zu der Ausgangskapazität Cout, und derart, dass der Induktor schwebend ist. Die Sequenz von Zuständen kann weiter einen zweiten Zustand aufweisen, zum Beispiel mit dem zweiten Schalter, dem dritten Schalter, dem fünften Schalter und dem achten Schalter geschlossen (siehe 6B). Der in 6B gezeigte Zustand ist ein reiner Umgehungszustand. Während des zweiten Zustands können die Schalter der ersten und zweiten Schaltmatrizen und der neunte Schalter derart sein, dass das zweite Kondensatornetzwerk zwischen dem ersten Wandleranschluss und dem zweiten Wandleranschluss angeordnet ist, derart, dass das erste Kondensatornetzwerk zwischen dem zweiten Wandleranschluss und Masse angeordnet ist, und derart, dass der Induktor schwebend ist.
  • Das erste Kondensatornetzwerk kann eine Vielzahl von Kondensatoren aufweisen (wie zum Beispiel in den 1J und 1K gezeigt). Das erste Kondensatornetzwerk kann eine Kondensatorschaltmatrix aufweisen, die konfiguriert ist zum Anordnen der Vielzahl von Kondensatoren in verschiedenen Konfigurationen, und die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Steuern der Kondensatorschaltmatrix innerhalb der Sequenz von Zuständen. Durch Vorsehen von Kondensatornetzwerken mit einer höheren Anzahl von Kondensatoren kann die Anzahl von Umwandlungsverhältnissen, die durch den Leistungswandler effizient vorgesehen werden können, erhöht werden.
  • In einem weiteren Beispiel (wie in 1G dargestellt) weist das erste Kondensatornetzwerk einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf, der Induktor weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf und der zweite Anschluss des Induktors ist mit dem zweiten Wandleranschluss gekoppelt. Der Leistungswandler weist weiter ein zweites Kondensatornetzwerk mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss auf. Weiter weist der Leistungswandler auf (insbesondere die erste und/oder zweite Schaltmatrix): einen ersten Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks mit dem ersten Wandleranschluss; einen zweiten Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks mit Masse; einen dritten Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks mit dem zweiten Wandleranschluss; einen vierten Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks mit dem ersten Anschluss des Induktors; einen fünften Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks mit dem ersten Anschluss des Induktors; einen sechsten Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks mit dem ersten Anschluss des zweiten Kondensatornetzwerks; und/oder einen siebten Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks mit Masse. Die Schalter können von der Steuereinheit gesteuert werden, um unterschiedliche Betriebszustände vorzusehen.
  • In einem weiteren Beispiel (wie zum Beispiel in den 1F oder 1H dargestellt) weist das erste Kondensatornetzwerk einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf, der Induktor weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf und der zweite Anschluss des Induktors ist mit dem zweiten Wandleranschluss gekoppelt. Der Leistungswandler weist weiter ein zweites Kondensatornetzwerk mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss auf. Weiter weist der Leistungswandler auf (insbesondere die erste und/oder zweite Schaltmatrix): einen ersten Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks mit dem ersten Wandleranschluss; einen zweiten Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks mit Masse; einen dritten Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks mit dem zweiten Wandleranschluss; einen sechsten Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks mit dem ersten Anschluss des zweiten Kondensatornetzwerks; einen siebten Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks mit Masse; und einen achten Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks mit dem zweiten Wandleranschluss. Der erste Anschluss des Induktors kann (direkt) mit dem zweiten Anschluss des ersten Kondensatornetzwerks gekoppelt sein. Alternativ kann der erste Anschluss des Induktors über einen vierten Schalter mit dem ersten Anschluss des ersten Kondensatornetzwerks gekoppelt sein; und/oder kann über einen fünften Schalter mit dem zweiten Anschluss des ersten Kondensatornetzwerks gekoppelt sein. Die Schalter können von der Steuereinheit gesteuert werden, um unterschiedliche Betriebszustände vorzusehen.
  • In einem weiteren Beispiel (wie zum Beispiel in 1I dargestellt) weist das erste Kondensatornetzwerk einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf, der Induktor weist einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf und der zweite Anschluss des Induktors ist mit dem zweiten Wandleranschluss gekoppelt. Der Leistungswandler weist weiter ein zweites Kondensatornetzwerk mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss auf. Weiter weist der Leistungswandler (insbesondere die erste und/oder zweite Schaltmatrix) auf: einen ersten Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks mit dem ersten Wandleranschluss; einen zweiten Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks mit Masse; einen dritten Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks mit dem zweiten Wandleranschluss; einen Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks mit dem ersten Anschluss des zweiten Kondensatornetzwerks; einen Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks mit Masse; und/oder einen Schalter, der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks mit dem zweiten Wandleranschluss. Die Schalter können von der Steuereinheit gesteuert werden, um unterschiedliche Betriebszustände vorzusehen.
  • Die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Steuern eines oder mehrerer der Schalter des Leistungswandlers wiederholt in einer wiederkehrenden Sequenz von verschiedenen Zuständen. Mit anderen Worten, verschiedene Zustände (oder Betriebszustände) der Schalter der ersten Schaltmatrix können als Betriebsphasen eines Kommutierungs- oder Schaltzyklus des Leistungswandlers verwendet werden. Insbesondere kann die erste Schaltmatrix gesteuert werden derart, dass ein Verhältnis zwischen der ersten Wandlerspannung und der zweiten Wandlerspannung einem Sollumwandlungsverhältnis entspricht. Weiter kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Regeln der ersten und/oder zweiten Wandlerspannung, um ein geregeltes Umwandlungsverhältnis vorzusehen.
  • Durch das Vorsehen eines oder mehrerer Schalter, die konfiguriert sind zum Koppeln des ersten und/oder zweiten Kondensatornetzwerks direkt zwischen den ersten und/oder zweiten Wandleranschlüssen und Masse (ohne den Induktor zu involvieren), kann ein höherer maximaler Ausgangsstrom vorgesehen werden (über eine Strombegrenzung des Induktors hinaus). Weiter ermöglicht das Vorsehen eines Induktors die Regelung der ersten und/oder zweiten Wandlerspannungen (abhängig davon, ob die erste oder die zweite Wandlerspannung die Ausgangsspannung des Leistungswandlers ist, d.h. die Ausgangsspannung des Leistungswandlers kann geregelt werden). Somit kann ein Leistungswandler mit höherem maximalen Ausgangsstrom und einem großen Bereich von (geregelten) Umwandlungsverhältnissen vorgesehen werden.
  • Durch das Vorsehen zusätzlicher Schalter für den Leistungswandler kann die Anzahl von verfügbaren Zuständen erhöht werden. Die zusätzlichen Zustände können zur Erhöhung der Leistungseffizienz des Leistungswandlers bei leichten Lasten verwendet werden. Weiter kann der Bereich von möglichen Umwandlungsverhältnissen erhöht werden. Zusätzlich kann der maximale Ausgangsstrom weiter erhöht werden.
  • Wie oben beschrieben, kann der Leistungswandler mehr als ein Kondensatornetzwerk aufweisen. Durch Vorsehen eines oder mehrerer zusätzlicher Kondensatornetzwerke kann der maximale Ausgangsstrom des Leistungswandlers weiter erhöht werden. Weiter kann die Leistungseffizienz bei leichten Lasten und der verfügbare Bereich von Umwandlungsverhältnissen erhöht werden.
  • Die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Bestimmen eines Werts einer Last des Leistungswandlers. Weiter kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Auswählen von Zuständen für die Sequenz von Zuständen in Abhängigkeit von dem Wert der Last. Zum Beispiel kann bei relativ hohen Lasten die Sequenz von Zuständen ein Umschalten aller Schalter der Schaltmatrizen beinhalten (wie zum Beispiel in dem Kontext der 3A bis 3D beschrieben). Andererseits kann bei relativ niedrigen Lasten eine leistungsoptimierte Sequenz von Zuständen verwendet werden, für die zumindest einer oder mehrere der Schalter einen festen Schaltzustand beibehalten (wie zum Beispiel in dem Kontext der 4A bis 4D, 5A bis 5D und 6A und 6B beschrieben). Auf diese Weise kann die Gesamteffizienz des Leistungswandlers erhöht werden.
  • Wie oben angegeben, weist die Sequenz von Zuständen typischerweise eine Vielzahl von verschiedenen Zuständen auf, wobei die Vielzahl von verschiedenen Zuständen mit einer (festen) Kommutierungszyklusrate wiederholt werden kann. Die Steuereinheit kann konfiguriert sein zum Anpassen der Dauer der Vielzahl von verschiedenen Zuständen innerhalb eines Kommutierungszyklus, um das Verhältnis zwischen der ersten Wandlerspannung und der zweiten Wandlerspannung in Übereinstimmung mit dem Sollumwandlungsverhältnis anzupassen. Somit kann eine geregelte erste oder zweite Wandlerspannung vorgesehen werden (abhängig davon, ob die erste oder die zweite Wandlerspannung die Ausgangsspannung des Leistungswandlers ist).
  • In dem vorliegenden Dokument bezeichnet der Begriff „koppeln“ oder „gekoppelt“ Elemente, die in elektrischer Kommunikation miteinander sind, ob direkt verbunden, zum Beispiel über Drähte, oder auf andere Weise.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird nachfolgend auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei
    • 1 einen beispielhaften Leistungswandler mit zwei Kondensatornetzwerken zeigt;
    • 1A einen beispielhaften Leistungswandler mit einem zusätzlichen Schalter zeigt;
    • 1B einen beispielhaften Leistungswandler mit einem einzelnen Kondensatornetzwerk zeigt;
    • 1C einen beispielhaften Leistungswandler mit einem einzelnen Kondensatornetzwerk zeigt;
    • 1D einen beispielhaften Leistungswandler mit einem einzelnen Kondensatornetzwerk und einer reduzierten Anzahl von Schaltern zeigt;
    • 1E einen beispielhaften Leistungswandler mit einem einzelnen Kondensatornetzwerk und einer reduzierten Anzahl von Schaltern zeigt;
    • 1F einen beispielhaften Leistungswandler mit zwei Kondensatornetzwerken und verbesserter Leichtlasteffizienz für Vout/Vin ~ 1/3 zeigt;
    • 1G einen beispielhaften Leistungswandler mit zwei Kondensatornetzwerken und verbesserter Leichtlasteffizienz für Vout/Vin ~ 1/3 zeigt;
    • 1H einen beispielhaften Leistungswandler mit zwei Kondensatornetzwerken zeigt;
    • 1I einen beispielhaften Leistungswandler mit zwei Kondensatornetzwerken zeigt;
    • 1J einen beispielhaften Leistungswandler mit Kondensatornetzwerken mit einer Vielzahl von Kondensatoren zeigt;
    • 1K einen weiteren beispielhaften Leistungswandler mit Kondensatornetzwerken mit einer Vielzahl von Kondensatoren zeigt;
    • 1L einen weiteren beispielhaften Leistungswandler zeigt, der eine Kombination der Wandler von 1B und 1C ist;
    • 2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Steuern eines Leistungswandlers zeigt;
    • 3A, 3B, 3C1, 3C2, 3D1, 3D2 unterschiedliche Betriebszustände des Leistungswandlers von 1 zeigen;
    • 4A, 4B, 4C, 4D unterschiedliche Betriebszustände des Leistungswandlers von 1 bei leichten Lasten zeigen;
    • 5A, 5B, 5C, 5D unterschiedliche Betriebszustände des Leistungswandlers von 1A zeigen;
    • 6A und 6B unterschiedliche Betriebszustände des Leistungswandlers von 1A bei leichten Lasten zeigen; und
    • 7A, 7B, 7C, 7D, 8A, 8B und 8C unterschiedliche Betriebszustände des Leistungswandlers von 1G zeigen.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Wie oben beschrieben, betrifft das vorliegende Dokument ein Vorsehen eines DCDC-Leistungswandlers, der höhere maximale Ausgangsströme und eine höhere Leistungseffizienz bei leichter Last vorsieht.
  • 1 zeigt einen Leistungswandler, der konfiguriert ist zum Umwandeln einer Eingangsspannung Vin (hier auch als erste Wandlerspannung bezeichnet) an einem Eingangsanschluss (hier auch als erster Wandleranschluss bezeichnet) des Leistungswandlers in eine Ausgangsspannung Vout (hier auch als die zweite Wandlerspannung bezeichnet) an einem Ausgangsanschluss (hier auch als der zweite Wandleranschluss bezeichnet) des Leistungswandlers. Der Leistungswandler weist einen ersten „fliegenden (flying)“ Kondensator C1 und einen zweiten „fliegenden“ Kondensator C2 sowie einen Induktor L auf. Allgemeiner kann der Leistungswandler ein erstes Kondensatornetzwerk (mit einem oder mehreren fliegenden Kondensatoren) und ein zweites Kondensatornetzwerk (mit einem oder mehreren fliegenden Kondensatoren) aufweisen (wie zum Beispiel in den 1J und 1K gezeigt). Ein erster Anschluss des ersten Kondensators C1 kann (direkt) mit dem Eingangsanschluss unter Verwendung eines Schalters S1 gekoppelt sein. Weiter kann der erste Anschluss des ersten Kondensators C1 (direkt) mit dem Ausgangsanschluss unter Verwendung eines Schalters S3 gekoppelt sein. Ein zweiter Anschluss des ersten Kondensators C1 kann (direkt) mit einem ersten Anschluss des Induktors L unter Verwendung eines Schalters S4 gekoppelt sein, und der zweite Anschluss des ersten Kondensators C1 kann (direkt) mit Masse gekoppelt sein unter Verwendung eines Schalters S2 (hier auch als Masseschalter bezeichnet). Ein erster Anschluss des zweiten Kondensators C2 kann (direkt) mit dem Eingangsanschluss unter Verwendung eines Schalters S5 gekoppelt sein und der erste Anschluss des zweiten Kondensators C2 kann (direkt) mit dem ersten Anschluss des Induktors L unter Verwendung eines Schalters S7 gekoppelt sein. Ein zweiter Anschluss des zweiten Kondensators C2 kann (direkt) mit dem Ausgangsanschluss unter Verwendung eines Schalters S8 gekoppelt sein, und der zweite Anschluss des zweiten Kondensators C2 kann (direkt) mit Masse gekoppelt sein unter Verwendung eines Schalters S6.
  • Der Leistungswandler von 1 kann verwendet werden zum Erhöhen (insbesondere Verdoppeln) des maximalen Stroms Iout, der an dem Ausgangsanschluss vorgesehen werden kann, im Vergleich zu zum Beispiel einem mehrstufigen Wandler. Weiter können die Magnetisierungs-/Entmagnetisierungsverluste eines einzelnen Induktors L im Vergleich zu zum Beispiel einem Wandler verringert werden, der zwei Induktoren verwendet, die zusammen denselben Gesamtausgangsstrom liefern, wodurch die Leistungseffizienz des Leistungswandlers erhöht wird. Darüber hinaus ermöglicht der Leistungswandler eine Regelung der Ausgangsspannung Vout durch Anpassung der Dauer von unterschiedlichen Betriebszuständen innerhalb periodischer Kommutierungszyklen.
  • 3A bis 3D zeigen beispielhafte Betriebszustände. Insbesondere zeigt 3A einen ersten Betriebszustand, während dem der zweite Kondensator C2 geladen wird (durch Schließen von S5 und S8). Insbesondere kann C2 auf VC2 = Vin - Vout geladen werden. Weiter kann der erste Kondensator C1 über den Induktor geladen werden (durch Schließen von S1 und S4). Insbesondere kann C1 auf VC1 = Vin - Vout - VL geladen werden. Weiter kann der Induktor L magnetisiert oder entmagnetisiert werden, wobei die Spannung über dem Induktor L VL = Vin - Vout - VC1 ist, d.h. die Spannung über dem Induktor L wird durch die Spannung VC1 reduziert (wodurch Induktorkernverluste reduziert werden). Der erste Betriebszustand ist ein kombinierter Umgehungszustand und Induktorzustand. Insbesondere ermöglicht der erste Betriebszustand ein Vorsehen von Strom an dem zweiten Wandleranschluss über den zweiten Kondensator C2 (ohne durch den Induktor L zu gehen), wodurch ein Bypass bzw. eine Umgehung vorgesehen wird. Weiter kann Strom über den ersten Kondensator C1 und den Induktor L vorgesehen werden.
  • Der erste Betriebszustand kann mit dem in 3B gezeigten zweiten Betriebszustand kommutiert werden. Während des zweiten Betriebszustands wird der zweite Kondensator C2 über den Induktor L entladen (durch Schließen von S6 und S7), wobei VC2 = Vout - VL. Weiter wird der erste Kondensator C1 an den Ausgangsanschluss entladen (durch Schließen von S2 und S3), mit VC1 = Vout. Der zweite Betriebszustand ist ebenfalls ein kombinierter Umgehungszustand und Induktorzustand. Insbesondere ermöglicht der zweite Betriebszustand das Vorsehen von Strom an dem zweiten Wandleranschluss über den ersten Kondensator C1 (ohne durch den Induktor L zu gehen), wodurch ein Bypass vorgesehen wird. Weiter kann Strom über den zweiten Kondensator C2 und den Induktor L vorgesehen werden.
  • In dem Fall eines Sollumwandlungsverhältnisses von Vout = Vin/2 (d.h. ein Umwandlungsverhältnis von 2:1) können die ersten und zweiten Betriebszustände periodisch wiederholt werden, ohne einer wesentlichen Magnetisierung/Entmagnetisierung des Induktors L, d.h. ohne wesentliche Induktorverluste. In dem Fall von Vout > Vin/2 (d.h. ein Umwandlungsverhältnis von weniger als 2:1) wird der Induktor L in den ersten und/oder zweiten Betriebszuständen entmagnetisiert. Ein dritter Betriebszustand gemäß 3C kann verwendet werden, um den Induktor L zu magnetisieren. In dem Fall von Vout <Vin/2 (d.h. ein Umwandlungsverhältnis von mehr als 2:1) wird der Induktor L in den ersten und/oder zweiten Betriebszuständen magnetisiert. Ein vierter Betriebszustand gemäß 3D kann verwendet werden, um den Induktor L zu entmagnetisieren. Der dritte und der vierte Betriebszustand sind reine Induktorzustände (da der gesamte Strom, der an dem zweiten Wandleranschluss vorgesehen ist, durch den Induktor L geht).
  • Der Leistungswandler von 1 kann als eine bestimmte Kombination eines ungeregelten kapazitiven Spannungsteilers und eines regelnden 3-stufigen Leistungswandlers angesehen werden. Insbesondere fügt der Leistungswandler von 1 eine Spannungsregelungsfähigkeit zu einem kapazitiven Spannungsteiler hinzu und/oder erhöht eine Ausgangsstromfähigkeit eines Mehrstufen-Leistungswandlers (um einen Faktor von bis zu zwei).
  • Während des Vorsehen von Leistung kann der Leistungswandler von 1 zwischen den zwei in 3A und 3B gezeigten Hauptbetriebszuständen wechseln. Der dritte Betriebszustand gemäß 3C1 kann während des Übergangs von dem Zustand von 3A in den Zustand von 3B und/oder bei dem Übergang von dem Zustand von 3B zu 3A eingefügt werden, immer wenn Vout > Vin/2, und/oder während eines ansteigenden Transientelaststroms. Der vierte Betriebszustand gemäß 3D1 kann während des Übergangs von dem Zustand von 3A in den Zustand von 3B und/oder bei dem Übergang von dem Zustand von 3B zu 3A eingefügt werden, immer wenn Vout < Vin/2, und/oder während eines fallenden Transientelaststroms.
  • Während der Betriebszustände von 3A und 3B sieht der Leistungswandler von 1 zwei getrennte Ausgangsstrompfade vor, einen Ausgangsstrompfad, der durch den Induktor L (ähnlich zu einem Mehrstufenwandler) verläuft, und einen Ausgangsstrompfad direkt zu dem Ausgangsanschluss (ähnlich zu einem kapazitiven Teiler).
  • Die in 1 gezeigte Topologie erfordert keine Regelung der Spannung des fliegenden Kondensators, da die Spannung VC1 an dem ersten Kondensator C1 automatisch auf eine Spannung in dem Bereich der Ausgangsspannung Vout konvergiert und sich die Spannung VC2 an dem zweiten Kondensator C2 automatisch bei einem Spannungspegel um Vin - Vout stabilisiert. Dies ist im Vergleich zu herkömmlichen mehrstufigen Leistungswandlern vorteilhaft, die typischerweise eine aktive Regelung der Spannung an einem fliegenden Kondensator erfordern (durch Anpassen des Schaltarbeitszyklus).
  • Die oben angeführten Betriebszustände sollten als Beispiele betrachtet werden. Andere Betriebszustände können (alternativ oder zusätzlich) verwendet werden, zum Beispiel zum Reduzieren der Eingangsstromwelligkeit. Dies kann zum Beispiel durch Umschalten oder Austauschen in 3A und 3B entweder des Zustands der Schalter auf der rechten Seite (S5 bis S8) oder auf der linken Seite (S1 bis S4) erreicht werden. Die Schalter der linken Seite von 1 können die Schalter einer ersten Schaltmatrix sein und die Schalter auf der rechten Seite von 1 können die Schalter einer zweiten Schaltmatrix sein. Weiter werden Varianten des dritten Betriebszustands und des vierten Betriebszustands in den 3C2 bzw. 3D2 gezeigt. Es ist ersichtlich, dass diese Varianten kombinierte Umgehungszustände und Induktorzustände darstellen, da ein Umgehungsstrom an den zweiten Wanderanschluss direkt über C2 (3C2) oder über C1 ( 3D2) vorgesehen werden kann.
  • Solange das Umwandlungsverhältnis des Leistungswandlers von 1 nahe bei 2:1 ist, kann ein Leichtlastmodus mit reduziertem Schaltverlust implementiert werden, wie in den 4A bis 4D gezeigt. Die Hälfte der Schalter (zum Beispiel die Schalter S1, S2, S3 und S4) können in einen stationären Zustand eingefroren werden, wodurch Schaltverluste reduziert werden. Der Betriebszustand von 4A kann verwendet werden zum Laden des fliegenden Kondensators C2 und der Betriebszustand von 4B kann verwendet werden zum Entladen des fliegenden Kondensators C2 (über den Induktor L). Der Betriebszustand von 4A ist ein reiner Umgehungszustand und der Betriebszustand von 4B ist ein reiner Induktorzustand.
  • Die Betriebszustände der 4A und 4B können in dem Fall einer (ungeregelten) 2:1-Umwandlung umgeschaltet werden. Das heißt, in dem Fall einer (ungeregelten) 2:1-Umwandlung können die Zustände der 4C und 4D übersprungen werden. Ein Zustand gemäß 4C kann eingefügt werden, wenn Vout > Vin/2 ist. Der Zustand von 4D kann eingefügt werden, wenn Vout <Vin/2 ist. Die Betriebszustände der 4C und 4D sind reine Induktorzustände.
  • Wenn die Schalter S1, S2 und S3 statisch sind und S4 statisch ist für Vout / Vin < 2:1, dann schalten nur bis zu 50% der Schalter ihren Zustand während eines vollständigen Zyklus. Dies reduziert den Schaltverlust des Leistungswandlers. Die Dauer des Zustands gemäß 4A kann für eine diskontinuierliche Umschaltung bei sehr leichter Last verlängert werden.
  • 1 zeigt einen Leistungswandler, der eine optimale Leistungseffizienz für Umwandlungsverhältnisse in dem Bereich von 2:1 zeigt. Für ein Vout /Vin-Verhältnis näher an 3:1 als an 2:1 zeigt eine Variante des Leistungswandlers von 1, in 1A gezeigt, eine verbesserte Leichtlasteffizienz durch Hinzufügen eines zusätzlichen Schalters S9, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensators C1 mit dem ersten Anschluss des zweiten Kondensators C2. 5A bis 5D zeigen Betriebszustände, die verwendet werden können, um den Leistungswandler von 1A zu betreiben. Der Betriebszustand von 5A ist ein reiner Umgehungszustand, der Strom an den zweiten Wandleranschluss über die Kondensatoren C1 und C2 vorsieht. Auf der anderen Seite sind die Betriebszustände der 5B, 5C und 5D reine Induktorzustände.
  • Die Betriebszustände der 5A und 5B können in dem Fall eines (ungeregelten) Umwandlungsverhältnisses 3:1 umgeschaltet werden. Die Regeln für die Zustände gemäß 5C und 5D gelten ähnlich zu den vorherigen Leichtlastschemen für den Leistungswandler von 1, d.h. der Zustand von 5C kann für Vout/ Vin > 1/3 verwendet werden, und der Zustand von 5D kann für Vout/ Vin < 1/3 verwendet werden. Der Zustand gemäß 5C kann durch den in 4C gezeigten Zustand ersetzt werden. Die Dauer des Zustands gemäß 5A kann für eine diskontinuierliche Umschaltung bei sehr leichter Last verlängert werden.
  • Der Hauptunterschied gegenüber dem vorherigen Leichtlastschema ist der Zustand gemäß 5B, bei dem der zweite Kondensator C2 über den ersten Kondensator C1 entlädt, der in Serie mit dem Induktor L und dem Ausgangskondensator Cout verbunden ist, wodurch eine Spannung über den Induktor L von Vin - 3 × Vout erzeugt wird (was zu einem inhärenten kapazitiven 3:1-Spannungsteiler führt).
  • Um beide Umwandlungsverhältnisse (Vin/ Vout > 0,5 und Vin / Vout < 0,5) zu unterstützen, kann der Schalter S9 als eine Back-to-Back-Vorrichtung implementiert werden. Der Leistungswandler von 1A kann eine Nicht-Back-to-Back-Vorrichtung für den Schalter S9 in dem Fall (2x Vout - Vin) < Vth (d.h. die Schwellenspannung) der Körperdiode des Schalters S9 verwenden und wenn S1 nur geschlossen wird, wenn S5 parallel geschlossen wird. Alternativ ist der Zyklus der Betriebszustände derart angepasst, dass sich die Spannung der Kondensatoren C1 und C2 bei einem Spannungspegel nahe Vout stabilisiert.
  • Der zusätzliche Schalter S9 ermöglicht ein zusätzliches Leichtlastschema durch vollständiges Entfernen eines Induktorkernverlusts bei einer ungeregelten 2:1-Umwandlung. Dies wird in den Betriebszuständen der 6A und 6B gezeigt, die periodisch umgeschaltet werden können. Wenn die Schalter S1, S2, S3, S4 und S7 statisch sind, können die Wandler-Schaltverluste auf weniger als 50% reduziert werden.
  • Die 1B und 1C zeigen Leistungswandler, die in der Lage sind zum Vorsehen von höheren Ausgangsströmen und die in der Lage sind zum Erhöhen einer Leistungseffizienz bei relativ leichten Lasten. Der Leistungswandler von 1B kann verwendet werden zum Vorsehen eines maximalen Ausgangsstroms von bis zu dem 1,5-fachen der Induktorstromgrenze (verglichen mit dem Zweifachen der Induktorstromgrenze, die durch den Leistungswandler von 1 vorgesehen wird). Wenn Vout/Vin > 1/2, sollte der Schalter S5 in einer Back-to-Back-Konfiguration implementiert werden (mit blockierenden Körperdioden). Die gleiche Back-to-Back-Konfiguration sollte bei einem Implementieren einer Regelung bei steigendem Transientenlaststrom verwendet werden.
  • Der Leistungswandler von 1B weist einen einzelnen fliegenden Kondensator C auf, wobei ein erster Anschluss des Kondensators C (direkt) mit dem Eingangsanschluss unter Verwendung eines Schalters S1 gekoppelt sein kann. Weiter kann der erste Anschluss des Kondensators C (direkt) mit einem ersten Anschluss des Induktors L unter Verwendung eines Schalters S4 gekoppelt sein. Ein zweiter Anschluss des Kondensators C kann (direkt) mit dem ersten Anschluss des Induktors L unter Verwendung eines Schalters S5 gekoppelt sein und kann (direkt) über einen Schalter 2 mit Masse gekoppelt sein. Ein zweiter Anschluss des Induktors L ist (direkt) mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt. Weiter kann ein Schalter S3 (vergleichbar mit S3 in 1) verwendet werden zum direkten Koppeln des ersten Anschlusses des Kondensators C mit dem Ausgangsanschluss. 1B zeigt einen kombinierten Umgehungszustand und Induktorzustand des Leistungswandlers. Insbesondere kann während des Betriebszustands, der in 1B gezeigt wird, Strom direkt an den zweiten Wandleranschluss über den Kondensator C vorgesehen werden (Umgehungszustand). Weiter kann Strom an den zweiten Wandleranschluss über den Induktor L vorgesehen werden (Induktorzustand).
  • Der in 1B gezeigte erste Betriebszustand kann verwendet werden, um den Kondensator zu entladen (und möglicherweise den Induktor L zu entmagnetisieren). In einem zweiten Betriebszustand können S2 und S4 geschlossen werden (wobei die anderen Schalter offen sind), um C durch den Induktor L zu entladen. In einem weiteren Betriebszustand können S2 und S3 geschlossen werden (wobei die anderen Schalter offen sind), um C zu entladen. In einem weiteren Betriebszustand können S2 und S5 geschlossen werden (wobei die anderen Schalter offen sind), um L zu entmagnetisieren. Weiter sollte ein Betriebszustand zum Laden des Kondensators C vorgesehen werden, zum Beispiel durch Schließen der Schalter S1 und S5. Unter Verwendung dieser Betriebszustände kann ein geregeltes Umwandlungsverhältnis von bis zu 2:1 erreicht werden mit einem höheren maximalen Ausgangsstrom.
  • Der Leistungswandler von 1C verbindet die linke Seite des Schalters S3 mit dem zweiten Anschluss des Kondensators C. Dadurch kann die Kondensatorspannung über dem Kondensator C gegen Vin - Vout konvergieren. Der Vorteil dieser Variante ist eine reduzierte Betriebsspannung für die Schalter S2 und S3. 1C zeigt einen kombinierten Umgehungszustand und Induktorzustand des Leistungswandlers. Insbesondere kann während des Betriebszustands, der in 1C gezeigt ist, Strom direkt an den zweiten Wandleranschluss über den Kondensator C vorgesehen werden (Umgehungszustand). Weiter kann Strom an den zweiten Wandleranschluss über den Induktor L vorgesehen werden (Induktorzustand).
  • Wie in 1L gezeigt, können die Schalter S3A und S3B, die den Schaltern S3 von den Leistungswandlern der 1B und 1C entsprechen, innerhalb eines einzelnen Leistungswandlers kombiniert werden, der die Umwandlungsfähigkeiten für beide (hohe und niedrige) Umwandlungsverhältnisbereiche implementiert.
  • 1D zeigt einen weiteren vereinfachten Leistungswandler, der konfiguriert ist zum Vorsehen eines höheren maximalen Ausgangsstroms bei bis zu dem 1,3fachen der Induktorstromgrenze. Dies kann erreicht werden durch Schließen entweder des Schalters S1 oder des Schalters S2 in Kombination mit dem Schalter S3. Im Vergleich zu einem Standard-Abwärtswandler weist der Leistungswandler von 1D nur einen zusätzlichen Kondensator und einen zusätzlichen Schalter S3 auf. Das maximale Umwandlungsverhältnis Vout/ Vin ist typischerweise kleiner als 1/2 (realistisch nicht höher als ~ 1/3). Weiter ist die Minimum-Induktorstromwelligkeit des Leistungswandlers von 1D relativ hoch (im Vergleich zu den Leistungswandlern von 1 bis 1C). Zusätzlich ist die (leichte Last) Effizienz des Leistungswandlers von 1D im Vergleich zu den Leistungswandlern der 1 bis 1C reduziert. 1D zeigt einen kombinierten Umgehungszustand und Induktorzustand des Leistungswandlers. Insbesondere kann während des Betriebszustands, der in 1D gezeigt ist, Strom direkt an den zweiten Wandleranschluss über den Kondensator C vorgesehen werden (Umgehungszustand). Weiter kann Strom an den zweiten Wandleranschluss über den Induktor L vorgesehen werden (Induktorzustand).
  • 1E zeigt einen ähnlichen (Abwärts-) Leistungswandler wie 1D, jedoch mit einem Minimum-Umwandlungsverhältnis Vout /Vin, das typischerweise größer als 1/2 ist (realistisch nicht weniger als ~ 2/3). Der Leistungswandler von 1D weist einen Schalter S3 auf, der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des Kondensators C (direkt) mit dem zweiten Wandleranschluss. 1E zeigt einen kombinierten Umgehungszustand und Induktorzustand des Leistungswandlers. Insbesondere kann während des Betriebszustands, der in 1E gezeigt ist, Strom direkt an den zweiten Wandleranschluss über den Kondensator C vorgesehen werden (Umgehungszustand). Weiter kann Strom an den zweiten Wandleranschluss über den Induktor L vorgesehen werden (Induktorzustand).
  • Mit einem zusätzlichen sechsten Schalter im Vergleich zu den Leistungswandlern von 1B und 1C verschiebt der in 1F gezeigte Leistungswandler den Betrieb einer optimalen Leichtlasteffizienz von Vout/ Vin = 1/2 hin zu 1/3. Die Betriebsspannung der Schalter wird gegen Vin reduziert. 1F zeigt einen kombinierten Umgehungszustand und Induktorzustand des Leistungswandlers. Insbesondere kann während des Betriebszustands, der in 1F gezeigt ist, Strom direkt an den zweiten Wandleranschluss über die Kondensatoren C1 und C2 vorgesehen werden (Umgehungszustand). Weiter kann Strom an den zweiten Wandleranschluss über den Kondensator C1 und den Induktor L vorgesehen werden (Induktorzustand).
  • Eine ähnliche Leichtlasteffizienz wird in dem in 1G dargestellten Leistungswandler implementiert, jedoch mit einer verbesserten hohen Stromeffizienz. Die Betriebsspannung der Schalter des Leistungswandlers von 1G ist typischerweise höher als die für den Leistungswandler von 1F. 1G zeigt einen kombinierten Umgehungszustand und Induktorzustand des Leistungswandlers. Insbesondere kann während des Betriebszustands, der in 1G gezeigt wird, Strom direkt an den zweiten Wandleranschluss über den Kondensator C2 vorgesehen werden (Umgehungszustand). Weiter kann Strom an den zweiten Wandleranschluss über den Kondensator C1 und den Induktor L vorgesehen werden (Induktorzustand).
  • Die 7A, 7B, 7C, 7D, 8A, 8B und 8C zeigen weitere Betriebszustände des Leistungswandlers von 1G, wobei der Betriebszustand von 7B ein kombinierter Umgehungszustand und Induktorzustand ist und die Betriebszustände der 7A, 7C, 7D, 8A, 8B und 8C reine Induktorzustände sind. Eine wiederkehrende Sequenz von Betriebszuständen kann zum Beispiel die Betriebszustände der 7A und 7B oder die Betriebszustände der 7A und 7B in Kombination mit dem Betriebszustand von 7C oder die Betriebszustände der 7A und 7B in Kombination mit dem Betriebszustand von 7D oder die Betriebszustände der 8A und 8B aufweisen.
  • Die 1H und 1I zeigen weitere Varianten der Leistungswandler von 1F bzw. 1G. Die Betriebszustände der in den 1H und 1I gezeigten Leistungswandler sind kombinierte Umgehungs- und Induktorzustände.
  • Die Abwärts-Leistungswandler können in Aufwärts-Wandler mit ähnlichen Eigenschaften geändert werden durch Austauschen des Eingangsanschlusses und des Ausgangsanschlusses.
  • Weiter können die Abwärts- und/oder Aufwärts-Topologien an eine invertierende DCDC-Umwandlung und/ an Leistungswandler mit N > 2 fliegenden Kondensatoren angepasst werden. Ein Beispiel eines Leistungswandlers mit N = 4 fliegenden Kondensatoren wird in 1J gezeigt. Der Leistungswandler von 1J wird erlangt durch Ersetzen der Schaltkondensatoren C1 und C2 des Leistungswandlers von 1 mit Kondensatornetzwerken (C11, C12 bzw. C21, C22). Die Kondensatornetzwerke können über die Schaltzustände der Schalter S11 vs. S10 und S12 (S15 vs. S14 und S16) von einer seriellen zu einer parallelen Konfiguration konfiguriert werden. Dadurch werden Sequenzen von Zuständen mit hoher Umwandlungseffizienz für Vout zu Vin = 3:1 (plus 6:1 in einem Leichtlastmodus) möglich.
  • Durch Hinzufügen weiterer Schalter kann der in 1K gezeigte Leistungswandler erlangt werden. Der Leistungswandler von 1K ermöglicht zusätzliche Schaltschemen mit höherer Leichtlasteffizienz für Umwandlungsverhältnisse von Vin/ Vout = 2:1 bis zu 6:1.
  • Der Bereich von Umwandlungsverhältnissen mit hoher Effizienz kann durch eine Verwendung von Kondensatornetzwerken erweitert werden, die mehr als die zwei rekonfigurierbaren Kondensatoren C11 + C12 oder C21 + C22 aufweisen.
  • 2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 200 zum Steuern eines Leistungswandlers. Der Leistungswandler ist konfiguriert zum Umwandeln von Leistung zwischen einer ersten Wandlerspannung (zum Beispiel Vin) an einem ersten Wandleranschluss und einer zweiten Wandlerspannung (zum Beispiel Vout) an einem zweiten Wandleranschluss. Die ersten und zweiten Wandlerspannungen können relativ zu Masse sein.
  • Der Leistungswandler weist ein erstes Kondensatornetzwerk C, C1 mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss auf. Weiter weist der Leistungswandler einen Induktor L mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss auf. Der zweite Anschluss des Induktors L kann (direkt) mit dem zweiten Wandleranschluss gekoppelt sein und der erste Anschluss des Induktors L kann direkt oder über einen Schalter mit dem zweiten Anschluss des ersten Kondensatornetzwerks C, C1 gekoppelt sein. Weiter weist der Leistungswandler eine erste Schaltmatrix auf, die konfiguriert ist zum Anordnen des ersten Kondensatornetzwerks C, C1 und des Induktors in verschiedenen Zuständen.
  • Die verschiedenen Zustände können einen Umgehungszustand umfassen, der ermöglicht, dass Strom von dem ersten Wandleranschluss oder von Masse durch das erste Kondensatornetzwerk C, C1 zu dem zweiten Wandleranschluss fließt, ohne durch den Induktor L zu gehen. Weiter können die verschiedenen Zustände einen Induktorzustand aufweisen, der ermöglicht, dass Strom von dem ersten Wandleranschluss oder von Masse durch den Induktor L zu dem zweiten Wandleranschluss fließt.
  • Das Verfahren 200 weist ein Steuern 201 der ersten Schaltmatrix wiederholt in einer wiederkehrenden Sequenz von verschiedenen Zuständen auf derart, dass ein Verhältnis zwischen der ersten Wandlerspannung und der zweiten Wandlerspannung einem Sollumwandlungsverhältnis entspricht. Die Sequenz von verschiedenen Zuständen kann den Umgehungszustand und den Induktorzustand aufweisen. Das Steuern 201 der ersten Schaltmatrix kann ein Variieren eines Arbeitszyklus der verschiedenen Zustände in Abhängigkeit von einem Sollumwandlungsverhältnis zwischen der ersten Wandlerspannung und der zweiten Wandlerspannung aufweisen.
  • Es sollte angemerkt werden, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zeigen. Fachleute werden in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, obwohl hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Sinn und Umfang aufgenommen sind. Darüber hinaus sind alle in diesem Dokument dargestellten Beispiele und Ausführungsbeispiele hauptsächlich ausdrücklich nur zu erläuternden Zwecken vorgesehen, um den Leser beim Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu unterstützen. Weiter sollen alle Aussagen, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung vorsehen, sowie spezifische Beispiele davon, Äquivalente davon umfassen.

Claims (17)

  1. Leistungswandler, der konfiguriert ist zum Umwandeln von Leistung zwischen einer ersten Wandlerspannung an einem ersten Wandleranschluss und einer zweiten Wandlerspannung an einem zweiten Wandleranschluss; wobei die ersten und zweiten Wandlerspannungen relativ zu Masse sind; wobei der Leistungswandler aufweist - ein erstes Kondensatornetzwerk (C, C1); - einen Induktor (L); - eine erste Schaltmatrix, die konfiguriert ist zum Anordnen des ersten Kondensatornetzwerks (C, C1) und des Induktors in verschiedenen Zuständen, umfassend - einen Umgehungs- bzw. Bypass-Zustand, der ermöglicht, dass Strom von dem ersten Wandleranschluss oder von Masse durch das erste Kondensatornetzwerk zu dem zweiten Wandleranschluss fließt, ohne durch den Induktor (L) zu gehen; und - einen Induktorzustand, der ermöglicht, dass Strom von dem ersten Wandleranschluss oder von Masse durch den Induktor (L) zu dem zweiten Wandleranschluss fließt; und - eine Steuereinheit, die konfiguriert ist zum Steuern der ersten Schaltmatrix wiederholt in einer wiederkehrenden Sequenz von verschiedenen Zuständen; wobei die Sequenz von verschiedenen Zuständen den Umgehungszustand und den Induktorzustand aufweist; wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum Variieren eines Arbeitszyklus der verschiedenen Zustände in Abhängigkeit von einem Sollumwandlungsverhältnis zwischen der ersten Wandlerspannung und der zweiten Wandlerspannung.
  2. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum Steuern der ersten Schaltmatrix zum - Durchlaufen der Sequenz von verschiedenen Zuständen innerhalb einer Zyklusdauer; und - Variieren einer Dauer der verschiedenen Zustände, insbesondere des Umgehungszustands und/oder des Induktorzustands, innerhalb der Zyklusdauer in Abhängigkeit von dem Sollumwandlungsverhältnis.
  3. Der Leistungswandler gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei - der Induktor (L) einen Sättigungsstrom zeigt; und - die Steuereinheit konfiguriert ist zum Steuern der ersten Schaltmatrix derart, dass durch die Verwendung eines Umgehungspfads, der den Induktor (L) umgeht, ein maximaler Gesamtwandlerstrom an dem zweiten Wandleranschluss höher ist als der Sättigungsstrom des Induktors (L).
  4. Der Leistungswandler gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei - die erste Schaltmatrix konfiguriert ist zum Anordnen des ersten Kondensatornetzwerks (C, C1) und des Induktors (L) in Betriebszuständen und Übergangszuständen; - eine Dauer der Betriebszustände bei einem Variieren des Arbeitszyklus variiert wird; - eine Dauer der Übergangszustände unabhängig von dem Sollumwandlungsverhältnis ist; - der Umgehungszustand und die Induktorzustände Betriebszustände sind; und - die Übergangszustände verwendet werden zum Übergehen von einem Betriebszustand in einen nachfolgenden Betriebszustand innerhalb der wiederkehrenden Sequenz von verschiedenen Zuständen.
  5. Der Leistungswandler gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei - das erste Kondensatornetzwerk (C, C1) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist; - der Induktor (L) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist; - der zweite Anschluss des Induktors (L) mit dem zweiten Wandleranschluss gekoppelt ist; - der erste Anschluss des Induktors (L) direkt oder über einen Schalter (S4, S5) mit dem ersten oder zweiten Anschluss des ersten Kondensatornetzwerks (C, C1) gekoppelt ist; - die erste Schaltmatrix aufweist - einen ersten Schalter (S1), der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks (C, C1) mit dem ersten Wandleranschluss; - einen zweiten Schalter (S2), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks (C, C1) mit Masse; und - einen dritten Schalter (S3), der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten oder zweiten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks (C, C1) mit dem zweiten Wandleranschluss.
  6. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 5, wobei die erste Schaltmatrix weiter einen vierten Schalter (S4) aufweist, der konfiguriert ist zum Koppeln oder Entkoppeln des zweiten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks (C, C1) mit oder von dem ersten Anschluss des Induktors (L).
  7. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 6, wobei - der Leistungswandler ein zweites Kondensatornetzwerk (C2) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss aufweist; - der Leistungswandler eine zweite Schaltmatrix aufweist; - die zweite Schaltmatrix aufweist - einen fünften Schalter (S5), der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Wandleranschlusses mit dem ersten Anschluss des zweiten Kondensatornetzwerks (C2); - einen sechsten Schalter (S6), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks (C2) mit Masse; - einen siebten Schalter (S7), der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks (C2) mit dem ersten Anschluss des Induktors (L); und - einen achten Schalter (S8), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks (C2) mit dem zweiten Wandleranschluss; - die erste und die zweite Schaltmatrix konfiguriert sind zum Anordnen des ersten Kondensatornetzwerks (C, C1), des zweiten Kondensatornetzwerks (C2) und des Induktors (L) in verschiedenen Zuständen; und - die Steuereinheit konfiguriert ist zum Steuern der ersten und der zweiten Schaltmatrix wiederholt in der wiederkehrenden Sequenz von verschiedenen Zuständen.
  8. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 7, wobei die Sequenz von Zuständen aufweist - einen ersten Zustand mit dem ersten Schalter (S1), dem vierten Schalter (S4), dem fünften Schalter (S5) und dem achten Schalter (S8) geschlossen; und - einen zweiten Zustand mit dem zweiten Schalter (S2), dem dritten Schalter (S3), dem sechsten Schalter (S6) und dem siebten Schalter (S7) geschlossen.
  9. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 8, wobei die Sequenz von Zuständen weiter aufweist einen dritten Zustand mit dem fünften Schalter (S5) und dem siebten Schalter (S7) geschlossen, um den Induktor (L) zwischen dem ersten Wandleranschluss und dem zweiten Wandleranschluss zu koppeln, oder mit dem vierten Schalter (S4) und dem zweiten Schalter (S2) geschlossen, um den Induktor (L) zwischen dem zweiten Wandleranschluss und Masse zu koppeln.
  10. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 8 oder 9, wobei die Sequenz von Zuständen derart ist, dass ein Schaltzustand von zumindest einigen der Schalter der ersten und/oder zweiten Schaltmatrix für alle oder einen Teilsatz der Zustände der Sequenz von Zuständen unverändert bleibt.
  11. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 7, wobei - der Leistungswandler einen neunten Schalter (S9) aufweist, der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks (C, C1) mit dem ersten Anschluss des zweiten Kondensatornetzwerks (C2); und - die Steuereinheit konfiguriert ist zum Steuern des neunten Schalters gemäß der Sequenz von Zuständen.
  12. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 11, wobei die Sequenz von Zuständen aufweist - einen ersten Zustand mit dem dritten Schalter (S3), dem zweiten Schalter (S2), dem fünften Schalter (S5) und dem achten Schalter (S8) geschlossen, um das erste Kondensatornetzwerk (C1) zwischen dem zweiten Wandleranschluss und Masse zu koppeln und das zweite Kondensatornetzwerk (C2) zwischen dem ersten und dem zweiten Wandleranschluss zu koppeln, und die verbleibenden Schalter derart sind, dass der Induktor (L) schwebend ist; - einen zweiten Zustand mit dem vierten Schalter (S4), dem sechsten Schalter (S6) und dem neunten Schalter (S9) geschlossen, um den Induktor (L) und das erste und das zweite Kondensatornetzwerk (C1, C2) in Serie zwischen dem zweiten Wandleranschluss und Masse zu koppeln; und - einen dritten Zustand mit dem sechsten Schalter (S6) und dem siebten Schalter (S7) geschlossen, um den Induktor (L) zwischen dem zweiten Wandleranschluss und dem ersten Anschluss des zweiten Kondensatornetzwerks (C2) zu koppeln, oder dem zweiten Schalter (S2) und dem vierten Schalter (S4) geschlossen, um den Induktor (L) zwischen dem zweiten Wandleranschluss und Masse zu koppeln.
  13. Der Leistungswandler gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei - das erste Kondensatornetzwerk eine Vielzahl von Kondensatoren aufweist; - das erste Kondensatornetzwerk eine Kondensatorschaltmatrix aufweist, die konfiguriert ist zum Anordnen der Vielzahl von Kondensatoren in verschiedenen Konfigurationen; und - die Steuereinheit konfiguriert ist zum Steuern der Kondensatorschaltmatrix innerhalb der Sequenz von Zuständen.
  14. Der Leistungswandler gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, wobei - das erste Kondensatornetzwerk (C1) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist; - der Induktor (L) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist; - der zweite Anschluss des Induktors (L) mit dem zweiten Wandleranschluss gekoppelt ist; - der Leistungswandler aufweist - ein zweites Kondensatornetzwerk (C2) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss; - einen ersten Schalter (S1), der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks (C1) mit dem ersten Wandleranschluss; - einen zweiten Schalter (S2), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks (C2) mit Masse; - einen dritten Schalter (S3), der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks (C2) mit dem zweiten Wandleranschluss; - einen vierten Schalter (S4), der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks (C1) mit dem ersten Anschluss des Induktors (L); - einen fünften Schalter (S5), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks (C2) mit dem ersten Anschluss des Induktors (L); - einen sechsten Schalter (S6), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks (C1) mit dem ersten Anschluss des zweiten Kondensatornetzwerks (C2); und - einen siebten Schalter (S7), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks (C1) mit Masse.
  15. Der Leistungswandler gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, wobei - das erste Kondensatornetzwerk (C1) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist; - der Induktor (L) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist; - der zweite Anschluss des Induktors (L) mit dem zweiten Wandleranschluss gekoppelt ist; - der Leistungswandler aufweist - ein zweites Kondensatornetzwerk (C2) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss; - einen ersten Schalter (S1), der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks (C2) mit dem ersten Wandleranschluss; - einen zweiten Schalter (S2), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks (C1) mit Masse; - einen dritten Schalter (S3), der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks (C1) mit dem zweiten Wandleranschluss; - einen sechsten Schalter (S6), der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks (C1) mit dem ersten Anschluss des zweiten Kondensatornetzwerks (C2); - einen siebten Schalter (S7), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks (C2) mit Masse; und - einen achten Schalter (S8), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks (C2) mit dem zweiten Wandleranschluss; - der erste Anschluss des Induktors (L) - mit dem zweiten Anschluss des ersten Kondensatornetzwerks (C1) gekoppelt ist; oder - mit dem ersten Anschluss des ersten Kondensatornetzwerks (C1) über einen vierten Schalter (S4) gekoppelt ist; und/oder - mit dem zweiten Anschluss des ersten Kondensatornetzwerks (C1) über einen fünften Schalter (S5) gekoppelt ist.
  16. Der Leistungswandler gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, wobei - das erste Kondensatornetzwerk (C1) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist; - der Induktor (L) einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist; - der zweite Anschluss des Induktors (L) mit dem zweiten Wandleranschluss gekoppelt ist; - der Leistungswandler aufweist - ein zweites Kondensatornetzwerk (C2) mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss; - einen ersten Schalter (S1), der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks (C1) mit dem ersten Wandleranschluss; - einen zweiten Schalter (S2), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks (C2) mit Masse; - einen dritten Schalter (S3), der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des zweiten Kondensatornetzwerks (C2) mit dem zweiten Wandleranschluss; - einen Schalter (S6), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks (C1) mit dem ersten Anschluss des zweiten Kondensatornetzwerks (C2); - einen Schalter (S7), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks (C1) mit Masse; und - einen Schalter (S8), der konfiguriert ist zum Koppeln des ersten Anschlusses des ersten Kondensatornetzwerks (C1) mit dem zweiten Wandleranschluss.
  17. Der Leistungswandler gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum - Bestimmen eines Werts einer Last des Leistungswandlers; und - Auswählen von Zuständen für die Sequenz von Zuständen abhängig von dem Wert der Last.
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