DE102017108646A1 - Verfahren und vorrichtung zum effizienten schalten in semiresonanten leistungswandlern - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum effizienten schalten in semiresonanten leistungswandlern Download PDF

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Abstract

Ein Spannungswandler umfasst eine Leistungsstufe, eine passive Schaltung, eine Synchrongleichrichtungs-(SR)-Schaltkomponente und eine Steuerschaltung. Die passive Schaltung koppelt die Leistungsstufe mit einem Ausgangsknoten des Spannungswandlers und wird durch die SR-Schaltkomponente schaltbar mit Masse gekoppelt. Die SR-Schaltkomponente umfasst mehrere SR-Schalter, die unabhängig steuerbar sind. Die Steuerschaltung bestimmt, welche der SR-Schalter zu aktivieren/freizugeben sind, und verwendet nur diese SR-Schalter bei ihrem variablen Schalten des Spannungswandlers. Die Bestimmung, welche SR-Schalter zu aktivieren/freizugeben sind, basiert auf einer Schätzung des Ausgangsstroms für den Spannungswandler. Durch Verwendung von mehr SR-Schaltern, wenn der Spannungswandler voll belastet ist, und weniger SR-Schaltern, wenn er wenig belastet ist, wird der Leistungsverlust der SR-Schaltkomponente minimiert und der Spannungswandler ist leistungseffizienter.

Description

  • Die vorliegende Anmeldung betrifft semiresonante und resonante Wandler und insbesondere effiziente Techniken zum Schalten von Strom in solchen Wandlern durch Anpassen einer Anzahl von für das Schalten verwendeten Schaltvorrichtungen.
  • Resonante und semiresonante Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler, darunter isolierte und nichtisolierte Topologien, werden in vielfältigen Anwendungen verwendet, darunter Telekommunikation, Unterhaltungselektronik, Computerstromversorgungen usw. Die Benutzung solcher Wandler gewinnt an Popularität aufgrund ihrer Nullspannungs-(-strom-)Schalteigenschaft und ihrer Möglichkeit, in einer elektronischen Schaltung inhärente parasitäre Elemente zu benutzen. Von zahlreichen Topologien ist der semiresonante Wandler mit Transformator/angezapfter Induktivität eine attraktive Topologie für die Bereitstellung von hohen Spannungsumsetzungsverhältnissen ohne Verwendung von Isolation. Solche Wandler haben Vorteile, darunter geringere Kosten und höherer Wirkungsgrad verglichen mit anderen Lösungen.
  • Ein semiresonanter Wandler umfasst typischerweise High-Side- und Low-Side-Schalter, die Leistung von einer Eingangsquelle in einen Transformator/eine angezapfte Induktivität übertragen, der bzw. die einer Last Ausgangsleistung zuführt. Der Transformator/die angezapfte Induktivität ist auch mit einer zweiten Low-Side-Schaltvorrichtung verbunden, die hier Synchrongleichrichtungs-(SR)-Schalter bezeichnet wird. Aufgrund des „Einschaltwiderstands“ des SR-Schalters geht einige Leistung in diesem Schalter verloren, wenn Strom durch ihn fließt. Zum Beispiel ist ein Metalloxid-Halbleiterfeldeffekttransistor (MOSFET), der eine übliche in solchen Anwendungen verwendete Schaltvorrichtung ist, in seinem „eingeschalteten“ oder leitenden Zustand durch einen Drain-Source-Widerstand Rdson gekennzeichnet. Die Leistungsverluste können signifikant werden, wenn hohe Ströme durch den SR-Schalter fließen. Da der semiresonante Wandler mit einem Transformator/einer angezapften Induktivität für Anwendungen, die ein hohes Verhältnis von Eingangs- zu Ausgangsspannung (d.h. eine große Herabsetzspannung) erfordern, signifikante Vorteile bietet, werden solche Wandler häufig zum Umsetzen von Hochspannungs-/Niederstromleistung in Niederspannungs-/Hochstromleistung verwendet. Der hohe Ausgangsstrom für solchen Gebrauch spiegelt sich in hohem Strom durch den SR-Schalter wider, was seinerseits zu einem signifikanten Leistungsverlust führen kann.
  • Vorbekannte Techniken, um solchen Leistungsverlusten in Leistungswandlern zu begegnen, konzentrierten sich auf die Verringerung des effektiven Reihenwiderstands (ESR) des SR-Schalters, Eine solche Technik verwendet größere Schalter, die typischerweise einen niedrigeren „Ein“-Widerstand aufweisen. Eine andere Technik, die in Verbindung mit der ersten Technik verwendet werden kann, ist das Parallelschalten mehrerer SR-Schalter und Steuern dieser mehreren SR-Schalter unter Verwendung eines gemeinsamen Steuersignals. Der effektive „Ein“-Widerstand der parallelen SR-Schalter wird somit verringert. Solche Lösungen funktionieren gut, wenn der Ausgangsstrom eines semiresonanten Leistungswandlers hoch ist, wie etwa, wenn er sich unter starker Last befindet. Solche Lösungen sind jedoch für Situationen, in denen der Ausgangsstrom relativ gering ist, z.B. wenn ein Leistungswandler nur leicht belastet ist, suboptimal. Für diesen Fall werden die dem Steuersignal zugeordneten Verluste, z.B. Gateansteuerverluste oder Gateladungsverluste, relativ zu dem Leitungsverlust des SR-Schalters bzw. der SR-Schalter signifikant. Eine größere Schaltvorrichtung weist typischerweise höhere ihrer Steuerung zugeordnete Verluste auf, und Vergrößern der Anzahl der Leistungsschalter vergrößert solche Verluste proportional. Zum Beispiel bei Betrachtung des Falls, dass der bzw. die SR-Schalter ein oder mehrere MOSFETs ist/sind, werden die Gate-Ladungsverluste (charakterisiert unter Verwendung des Gatewiderstands RG des MOSFET) und die Gateansteuerverluste größer und dominieren die (durch den „Ein“-Widerstand Rdson charakterisierten) Leitungsverluste, wenn der Stromumrichter leicht belastet ist, d.h., wenn der Stromumrichter relativ niedrigen Ausgangsstrom liefert.
  • Dementsprechend wird eine verbesserte Technik benötigt, die den Leistungsverlust für SR-Schalter in einem Leistungswandler verringert, wenn der Leistungswandler hohe und auch niedrige Ausgangsströme liefert. Solche Techniken sollten sowohl für Einzel- als auch Mehrphasen-Leistungswandler gelten.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Spannungswandlers umfasst der Spannungswandler eine Leistungsstufe, eine passive Schaltung, eine Synchrongleichrichtungs-(SR)-Schaltstufe und eine Steuerschaltung. Die Leistungsstufe umfasst einen High-Side-Schalter, der mit einer Eingangsstromquelle gekoppelt ist, und einen Low-Side-Schalter, der an einem Schaltknoten der Leistungsstufe mit dem High-Side-Schalter gekoppelt ist. Die passive Schaltung koppelt den Schaltknoten mit einem Ausgangsknoten des Spannungswandlers. Die Synchrongleichrichtungs-(SR)-Schaltstufe ist ausgebildet zum schaltbaren Koppeln der passiven Schaltung mit Masse und die SR-Schaltstufe umfasst mehrere SR-Schalter, die miteinander parallel geschaltet sind. Jeder der SR-Schalter weist einen Steueranschluss auf, und somit können die SR-Schalter unabhängig voneinander gesteuert werden. Die Steuerschaltung ist ausgebildet zum Bestimmen, welche der SR-Schalter eingeschaltet sind und welche der SR-Schalter ausgeschaltet sind, und zum Steuern der SR-Schalter auf der Basis dieser Bestimmung. Die Bestimmung, welche SR-Schalter zu verwenden sind, basiert auf einer Schätzung des Ausgangsstroms des Spannungswandlers.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Mehrphasen-Spannungswandlers ist der Mehrphasen-Spannungswandler betreibbar, Leistung von einer Eingangsleistungsquelle zu erhalten und Leistung an einen Ausgangsknoten auszugeben. Der Mehrphasen-Spannungswandler umfasst mehrere Leistungsstrangschaltungen entsprechend den mehreren Phasen des Spannungswandlers und eine Steuerschaltung.
  • Jede der Leistungsstrangschaltungen umfasst eine Leistungsstufe, eine passive Schaltung und eine Synchrongleichrichtungs-(SR)-Schaltstufe. Jede Leistungsstufe umfasst einen mit der Eingangsleistungsquelle gekoppelten High-Side-Schalter und einen Low-Side-Schalter, der mit dem High-Side-Schalter an einem Schaltknoten der Leistungsstufe gekoppelt ist. Jede der passiven Schaltungen koppelt den Schaltknoten der Leistungsstufe in derselben Leistungsstrangschaltung mit dem Ausgangsknoten des Mehrphasen-Spannungswandlers. Jede SR-Schaltstufe ist ausgebildet zum schaltbaren Koppeln der passiven Schaltung in derselben Leistungsstrangschaltung mit Masse. Jede der SR-Schaltstufen umfasst mindestens einen SR-Schalter, und die SR-Schaltstufe für mindestens eine der Leistungsstrangschaltungen umfasst mehrere SR-Schalter, die miteinander parallel geschaltet sind und die unabhängig gesteuert werden können.
  • Die Steuerschaltung ist ausgebildet zum Steuern, welche der SR-Schalter in den SR-Schaltstufen eingeschaltet sind und welche der SR-Schalter ausgeschaltet sind. Die Bestimmung, welche SR-Schalter ein- und ausgeschaltet sind, basiert auf einer Schätzung des Ausgangsstroms des Mehrphasen-Spannungswandlers.
  • Gemäß einer Ausführungsform eines Verfahrens wird ein Verfahren zum Steuern von Synchrongleichrichtungs-(SR)-Schaltern in einem semiresonanten Spannungswandler bereitgestellt. Der Spannungswandler umfasst eine Leistungsstufe mit einem High-Side-Schalter, der mit einer Eingangsleistungsquelle gekoppelt ist, und einen Low-Side-Schalter, der mit dem High-Side-Schalter an einen Schaltknoten gekoppelt ist, eine passive Schaltung, die den Schaltknoten mit einem Ausgangsknoten des Leistungswandlers koppelt, und eine SR-Schaltstufe, ausgebildet zum schaltbaren Koppeln der passiven Schaltung mit Masse. Die SR-Schaltstufe umfasst mehrere SR-Schalter, die miteinander parallel geschaltet sind und die unabhängig steuerbar sind. Das Verfahren zum Steuern dieser SR-Schalter umfasst Schätzen eines Ausgangsstroms des Spannungswandlers, Bestimmen, welche SR-Schalter zu aktivieren sind, auf der Basis des geschätzten Ausgangsstroms, und Bereitstellen von Steuersignalen zum Einschalten der SR-Schalter, von denen bestimmt wird, dass sie zu aktivieren sind.
  • Für Fachleute werden bei Durchsicht der folgenden ausführlichen Beschreibung und der beigefügten Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile erkennbar.
  • Die Elemente der Zeichnungen sind nicht unbedingt relativ zueinander maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszahlen kennzeichnen entsprechende ähnliche Teile. Die Merkmale der verschiedenen dargestellten Ausführungsformen können kombiniert werden, sofern sie einander nicht ausschließen. In den Zeichnungen sind Ausführungsformen abgebildet und werden in der folgenden Beschreibung erläutert.
  • 1 zeigt ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Mehrphasen-Spannungswandlers mit einer Synchrongleichrichtungs-(SR)-Schaltstufe, die mehrere SR-Schalter umfasst.
  • 2A zeigt ein Schaltbild einer Ausführungsform eines Einphasen-Spannungswandlers oder einer Phase eines Mehrphasen-Spannungswandlers, wobei der Spannungswandler eine SR-Schaltstufe mit mehreren SR-Schaltern umfasst.
  • 2B zeigt eine Signalform, die den Strom durch die SR-Schaltstufe der in 2A dargestellten Schaltung repräsentiert.
  • 3 zeigt ein Schaltbild einer alternativen Ausführungsform eines Einphasen-Spannungswandlers oder einer Phase eines Mehrphasen-Spannungswandlers mit mehreren SR-Schaltern, wobei individuelle Steuersignale zum Steuern der SR-Schalter bereitgestellt werden.
  • 4 zeigt ein Schaltbild einer weiteren alternativen Ausführungsform eines Einphasen-Spannungswandlers oder einer Phase eines Mehrphasen-Spannungswandlers mit mehreren SR-Schaltern, wobei ein Treiber mehrere SR-Schalter ansteuern kann.
  • 5 zeigt ein Schaltbild, das einen Mehrphasen-Spannungswandler betrifft, bei dem jede Phase zwei SR-Schalter enthält.
  • 6 zeigt ein Schaltbild, das einen Mehrphasen-Spannungswandler betrifft, bei dem die Phasen verschiedene Anzahlen von SR-Schaltern umfassen.
  • 7 zeigt ein Schaltbild, das einen Mehrphasen-Spannungswandler betrifft, bei dem eine Phase mehrere SR-Schalter umfasst und die übrigen Phasen nur einen einzigen SR-Schalter enthalten.
  • 8 zeigt ein Flussdiagramm entsprechend einem Verfahren zum Bestimmen von SR-Schaltern, die in einem Spannungswandler zu aktivieren sind.
  • 9 zeigt ein Flussdiagramm, das ausführliche Techniken zum Ausführen von Teilen des Verfahrens von 8 beschreibt.
  • 10 zeigt ein Flussdiagramm, das ausführliche Techniken zum Ausführen von Teilen des Verfahrens von 8 beschreibt.
  • 11 zeigt ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bestimmen und Aktivieren von SR-Schaltern in einem mehrstufigen Spannungswandler betrifft.
  • Hier beschriebene Ausführungsformen ermöglichen das Verringern des synchronen Schaltern in resonanten oder semiresonanten Gleichstrom-Gleichstrom-Leistungswandlern zugeordneten Leistungsverlusts und dadurch leistungseffizientere Gleichstrom-Gleichstrom-Leistungswandler. Von besonderem Interesse ist eine Leistungswandlertopologie auf der Basis eines Transformators/einer angezapften Induktivität, die hohe Spannungsumsetzungsverhältnisse erlaubt, ohne Isolation zu erfordern. Eine solche Topologie koppelt den Transformator/die angezapfte Induktivität unter Verwendung eines als Synchrongleichrichtungs-(SR)-Schalters bekannten Schalters mit Masse. Aufgrund ihrer Möglichkeit, hohe Spannungsumsetzungsverhältnisse zu unterstützen, eignet sich diese Topologie besonders für Anwendungen, die eine Ausgangsstromversorgung erfordern, die eine relativ niedrige Spannung und einen relativ hohen Strom bereitstellt. Dieser hohe Strom muss auch durch den oben erwähnten SR-Schalter fließen und kann hierbei signifikanten Leistungsverlust erzeugen, der durch den Leitungswiderstand des SR-Schalters verursacht wird.
  • Die hier beschriebenen Ausführungsformen minimieren den Leistungsverlust des oben beschriebenen resonanten oder semiresonanten Gleichstrom-Gleichstrom-Leistungswandlers durch Ersetzen des SR-Schalters mit mehreren SR-Schaltern, die parallel geschaltet sind, und durch Skalieren der Anzahl aktivierter paralleler SR-Schalter, um den Bedürfnissen einer Ausgangslast zu genügen. Genauer gesagt wird ein Ausgangsstrom, der durch einen Spannungswandler einer Last zugeführt wird, geschätzt. Diese Stromschätzung wird dann zum Aktivieren/Freigeben einer geeigneten Anzahl von SR-Schaltern verwendet. Wenn zum Beispiel der Spannungswandler stark belastet ist, würden alle parallelen SR-Schalter aktiviert. Dies verringert den effektiven Widerstand durch die SR-Schalter und verringert wiederum die Leitungsverluste des Leistungswandlers. Man beachte, dass eine solche Verwendung mehrerer SR-Schalter die Gesamt-Steueranschlussverluste (z.B. den Gateverlust in einem Metalloxid-Halbleiterfeldeffekttransistor oder MOSFET) vergrößert, aber diese Verluste einen insignifikanten Beitrag zu den Verlusten darstellen, wenn der Leistungswandler unter hoher Last betrieben wird. Umgekehrt würden unter leichten Lastbedingungen weniger als alle der parallelen SR-Schalter, z.B. ein einziger der SR-Schalter aktiviert werden müssen. Die Steueranschlussverluste werden somit für diese Situation, in der die Steueranschlussverluste einen signifikanten Beitrag zu den Gesamtverlusten des Leistungswandlers darstellen, verringert.
  • In der folgenden ausführlichen Beschreibung und in den zugeordneten Figuren werden verschiedene Ausführungsformen von Spannungswandlerschaltungen und -verfahren in Spannungswandlern bereitgestellt. Diese Ausführungsformen betreffen sowohl Einphasen- als auch Mehrphasen-Spannungswandler. Die beschriebenen Ausführungsformen geben konkrete Beispiele zur Erläuterung und sollen keine Beschränkung darstellen. Merkmale und Aspekte aus den beispielhaften Ausführungsformen können kombiniert oder umgeordnet werden, außer wenn der Kontext dies nicht erlaubt.
  • 1 zeigt eine Ausführungsform eines Spannungswandlers 100, der dazu ausgebildet ist, Leistung aus einer Leistungsquelle VIN zu erhalten und Leistung zum Ansteuern einer Last 120 auszugeben. Der Spannungswandler 100 liefert einen Strom IOUT an die Last 120 und einen Kondensator C0, der zum Filtern der Ausgangsspannung VOUT dient. Der Spannungswandler von 1 umfasst mehrere Phasen 130, 180, 190. Phase 1 (130), die als repräsentativ für die mehreren Phasen genommen wird, ist in Blockschaltform dargestellt, mit dem Verständnis, dass die anderen Phasen ähnlich konfiguriert wären.
  • Wie dargestellt umfasst Phase 1 (130) eine passive Schaltung 134, die eine Leistungsstufe 132 mit dem Spannungswandlerausgang VOUT koppelt. Die Leistungsstufe 132 gibt Schaltsteuersignale HS1 und LS1 zum Steuern von Schaltern darin ein. Die Schalter in der Leistungsstufe 132 erfordern typischerweise (der leichteren Veranschaulichung halber nicht gezeigte) Treiber. Die passive Schaltung 134 ist mit einer Synchrongleichrichtungs-(SR)-Schaltstufe 138 gekoppelt, die zum schaltbaren Koppeln der passiven Schaltung 134 mit Masse dient. Die SR-Schaltstufe 138 umfasst einen oder mehrere (nicht gezeigte) SR-Schalter, die parallelgeschaltet sind. Die SR-Schalter werden durch eine SR-Treiberstufe 136 gesteuert, die mit der SR-Schaltstufe 138 gekoppelt ist. In mindestens einer Phase des Spannungswandlers 100 umfasst die SR-Schaltstufe mehrere parallel geschaltete SR-Schalter.
  • Eine Steuerschaltung 110 steuert die Schalter der Leistungsstufe und der SR-Schaltstufe für jede der Phasen des Spannungswandlers 100. Die Steuerschaltung 110 bestimmt eine Schaltfrequenz für den Spannungswandler auf der Basis der Lastanforderungen und steuert Schaltsteuersignale (z.B. HS1, LS1, SR1) für die jeweiligen Phasen des Spannungswandlers 100 an. Diese Steuersignale sind typischerweise impulsbreitenmodulierte bzw. PWM-Signalformen, die jeweils mit einer Frequenz und einem Tastverhältnis angesteuert werden, die durch die Steuerschaltung 110 auf der Basis der Anforderungen der Last 120 bestimmt werden. Die PWM-(Schalt-)Frequenz ist variabel und ändert sich, wenn sich die Lastanforderungen ändern. Ein solcher Betrieb, einschließlich der Bestimmung der variablen Schaltfrequenz und des variablen Tastverhältnisses, ist in der Technik wohlbekannt und wird hier nicht weiter erläutert, um eine Verschleierung der einzigartigen Aspekte der vorliegenden Erfindung zu vermeiden.
  • Die Steuerschaltung 110 bestimmt ferner, welche der SR-Schalter in der SR-Schaltstufe jeder Phase zu aktivieren oder freizugeben sind. Wie zuvor beschrieben, umfasst mindestens eine der SR-Schaltstufen mehrere parallel geschaltete SR-Schalter. Die Freigabe oder Aktivierung der SR-Schalter wird in Verbindung mit der SR-Treiberstufe 136 durchgeführt. Die Steuerschaltung 110 bestimmt, welche der SR-Schalter freizugeben oder zu aktivieren sind, auf der Basis einer Schätzung des Ausgangsstroms, die durch einen Stromschätzer 115 bereitgestellt wird. Der Stromschätzer 115 ist in 1 als Teil der Steuerschaltung 110 dargestellt, kann aber an einer anderen Stelle implementiert werden. Der Stromschätzer 115 kann den Ausgangsstrom auf der Basis einer Messung des der Last 120 zugeführten Stroms IOUT oder auf der Basis von (nicht gezeigten) Strommessungen, die in den einzelnen Phasen 130, 180, ...190 des Spannungswandlers 100 vorgenommen warden, schätzen. Wie später ausführlicher erläutert wird, wird die Steuerschaltung 110 alle SR-Schalter in dem Spannungswandler 100 freigeben oder aktivieren, wenn die Stromschätzung einen Volllastzustand angibt. Wenn der Spannungswandler 100 nicht voll belastet ist, wird eine Teilmenge der SR-Schalter durch die Steuerschaltung 110 aktiviert/freigegeben, darunter für einen Grenzfall Aktivierung/Freigabe eines einzigen SR-Schalters für den Zustand geringster Last.
  • Die folgende Beschreibung konzentriert sich zuerst auf eine einzelne Phase eines Spannungswandlers, wie etwa des in 1 dargestellten. Beschreibungen von Ausführungsformen, die hauptsächlich mehrstufige Spannungswandler betreffen, werden später gegeben. Dem folgen Beschreibungen bezüglich Verfahren zum Steuern der SR-Schalter in Spannungswandlern, wie etwa den in 1 dargestellten.
  • 2A zeigt ein Schaltbild 200 entsprechend einer Ausführungsform eines Spannungswandlers. Die Schaltung 200 von 2A kann einen Spannungswandler repräsentieren, der eine einzige Phase aufweist. Als Alternative kann die in dem gestrichelten Kasten 230 gezeigte Leistungsstrangschaltung repliziert werden, was zu einem Mehrphasen-Spannungswandler führt, wie etwa dem in 1 gezeigten.
  • Eine Eingangsspannung VIN wird in eine Leistungsstufe 232 an einem High-Side-Schalter QHS eingegeben, der mit einem Low-Side-Schalter QLS an einen Schaltknoten VSW gekoppelt ist. Der Low-Side-Schalter QLS ist seinerseits mit Masse verbunden. Jeder dieser Schalter QHS, QLS wird wie gezeigt durch einen jeweiligen Treiber 232a, 232b gesteuert. Der Schaltknoten VSW der Leistungsstufe 232 ist mit einer passiven Schaltung 234 gekoppelt, die einer Last 220 des Spannungswandlers 200 einen Ausgangsstrom IOUT und eine Spannung VOUT zuführt. Die passive Schaltung 234 umfasst einen Resonanzkreis, der aus einem Kondensator CRES und einer Induktivität LRES besteht. Die Induktivität LRES kann einfach die Leckinduktivität (z.B. die inhärente parasitäre Induktivität der Schaltungsverdrahtung) sein oder kann eine eigentliche Induktivitätskomponente sein, zusammen mit der Leckinduktivität. Die Induktivität LRES ist mit einem Transformator/einer angezapften Induktivität 235 mit n1 primärseitigen Windungen und n2 sekundärseitigen Windungen gekoppelt. Das Windungsverhältnis n2/n1 bestimmt das Ausgangs-/Eingangsspannungsverhältnis des Transformators/der angezapften Induktivität 235, wenn er bzw. sie Strom leitet.
  • Mit dem Transformator/der angezapften Induktivität 235 ist eine SR-Schaltstufe 238 verbunden und dient zum Koppeln einer Mittelanzapfung des Transformators/der angezapften Induktivität 235 mit Masse, wenn die SR-Schaltstufe 238 leitet. Die SR-Schaltstufe 238 umfasst mehrere SR-Schalter QSR1, QSR2, ...QSRM, die parallel geschaltet sind. Obwohl die SR-Schaltstufe 238 von 2A M SR-Schalter zeigt, könnte die Anzahl der SR-Schalter bei dieser Ausführungsform sogar nur zwei (2) betragen. Jeder dieser Schalter QSR1, QSR2, ...QSRM weist einen Steueranschluss (z.B. ein Gate) auf, mit dem die Leitung dieses Schalters gesteuert wird. Daher können die Schalter unabhängig gesteuert werden.
  • Die High-Side-, Low-Side- und SR-Schalter QHS, QLS, QSR1, QSR2, ...QSRM sind in 1 als Anreicherungsmodus-Metalloxid-Halbleiterfeldeffekttransistoren (MOSFETs) gezeigt, es können aber andere Schaltvorrichtungen verwendet werden. Zum Beispiel können in einigen Anwendungen Sperrschichtfeldeffekttransistoren (JFET), Bipolartransistoren (BJT), Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBT), Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMT) oder andere Arten von Leistungstransistoren bevorzugt sein. Die Schalter der Leistungsstufe 232 und der SR-Schaltstufe 238 (z.B. QHS, QLS, QSR1, QSR2, ...QSRM) können auf demselben Halbleiterchip integriert sein, können jeweils auf getrennten Chips bereitgestellt werden oder können anderweitig über mehrere Halbleiterchips verteilt werden. Die Treiber für die Schalter können auf demselben Halbleiterchip bzw. denselben Halbleiterchips wie ihre entsprechenden Schalter integriert werden oder können auf getrennten Chips bereitgestellt werden.
  • Eine SR-Treiberschaltung 236 enthält Treiber 236a, 236b, ...236m für die SR-Schalter QSR1, QSR2, ...QSRM. Bei der Ausführungsform von 2A umfasst jeder SR-Schalter QSR1, QSR2, ...QSRM ein Gate (Steueranschluss), das durch einen getrennten Treiber der SR-Treiberschaltung 236 angesteuert wird. Die SR-Schalter, die benutzt werden, werden durch ein Freigabesignal (oder Freigabesignale) SRENABLE bestimmt, das durch eine Steuerschaltung 210 der SR-Treiberschaltung 236 zugeführt wird. Wie ähnlich in der Beschreibung der Steuerschaltung 110 von 1 erläutert, erzeugt die Steuerschaltung 210 PWM-Signale HSCTRL, LSCTRL, die die Leitungsstufenschalter QHS, QLS steuern, sowie das PWM-Signal SRCTRL, das die SR-Schaltstufe 238 steuert. Genauer gesagt steuert das PWM-Signal SRCTRL, wann die SR-Schaltstufe 238 leitet und wann nicht. Die Steuerschaltung 210 bestimmt die Frequenz und das Tastverhältnis des PWM-Signals SRCTRL, um so den Leistungsanforderungen der Last 220 zu genügen. In einem semiresonanten Spannungswandler, wie etwa dem von 2A, werden die High- und Low-Side-Schalter QHS, QLS der Leistungsstufe 232 so gesteuert, dass diese Schalter nicht zur selben Zeit leiten. Ein typischer Schaltzyklus eines Spannungswandlers, wie etwa dem von 2, beginnt mit einer „Totzeit“, in der keiner der Schalter QHS, QLS der Leistungsstufe 232 leiten. Dem folgt eine „Tein“-Periode, in der der High-Side-Schalter QHS leitet, aber der Low-Side-Schalter QLS nicht leitet. Dem folgt eine „Taus“-Periode, in der der High-Side-Schalter QHS nicht leitet, aber der Low-Side-Schalter QLS leitet. Das Timing der SR-Schaltstufe folgt dem des Low-Side-Schalters QLS, d.h. die SR-Schaltstufe leitet, wenn der Low-Side-Schalter QLS leitet und der High-Side-Schalter QHS nicht leitet.
  • Zusätzlich zum Erzeugen der von der Leistungsstrangschaltung 230 benötigten PWM-Signale bestimmt die Steuerschaltung 210 auch, welche der SR-Schalter QSR1, QSR2, ...QSRM zu verwenden sind, wenn die SR-Schaltstufe 238 leitet. Die SR-Schalter, die zu verwenden sind, basieren auf einer Stromschätzung, die durch einen Stromschätzer 215 bestimmt wird, der in der Steuerschaltung 210 gezeigt ist. Wie in 2A gezeigt, basiert die Stromschätzung auf einer Messung des durch die SR-Schaltstufe 238 fließenden Stroms ISR. Bei einem Mehrphasen-Spannungswandler können solche Messungen von ISR für jede der Phasen vorgenommen werden, oder der Strom durch eine Phase kann als beispielhaft verwendet werden. Die Strommessung könnte auch an einer anderen Stelle in den Leistungsstrangschaltungen jeder Phase vorgenommen werden, solange eine solche Strommessung verwendet werden kann, um den Ausgangsstrom des Spannungswandlers geeignet zu schätzen. Die Steuerschaltung 210 kann phasenweise Stromschätzungen getrennt verwenden oder kann phasenweise Stromschätzungen aggregieren. Als Alternative könnte die Stromschätzung auf einer Messung basieren, die an dem (nicht gezeigten) Ausgangsstrom IOUT vorgenommen wird, die effektiv die Beiträge aller Phasen umfasst. Der Strom ISR kann gemessen werden durch Verwendung des effektiven Ein-Zustands-Widerstands (Rdson) der aktiven/freigegebenen parallelen SR-Schalter und der Spannung an der SR-Schaltstufe 238, oder durch Verwendung eines Stromspiegels. Die Strommessung für ISR oder anderweitig kann auch durch Verwendung anderer Standardmittel erreicht werden, wie etwa Messung der Spannung an einem Messwiderstand oder durch Verwendung von Techniken der Gleichstromerfassung (DCR).
  • Wenn der Strom in einer einzelnen Phase der Spannungswandlerschaltung gemessen wird, kann es notwendig sein, dass der Stromschätzer 215 den gemessenen Strom über einen gewissen Zeitraum, z.B. einen Schaltzyklus des Spannungswandlers, mittelt. Zum Beispiel nimmt der Strom ISR durch die SR-Schaltstufe 238 für die Schaltung von 2A die Form eines Halbsinus an, wie in der Signalform von 2B dargestellt. In 2B repräsentiert die Periode Tein den Zeitraum, wenn der High-Side-Schalter QHS leitet. Die Periode Taus repräsentiert den Zeitraum, in dem der High-Side-Schalter QHS nicht leitet, und entspricht auch dem Zeitraum, in dem die SR-Schaltstufe 238 leitet. Während der „Taus“-Periode wird der SR-Strom ISR geleitet und nimmt die Halbsinusform an. Der Stromschätzer kann mehrere Messungen innerhalb des Tzyklus = Tein + Taus entsprechenden Schaltzyklus vornehmen und diese mitteln, um zu einem geschätzten Strom Iavg zu kommen, wie dem dargestellten.
  • Die Steuerschaltung 210 verwendet den geschätzten Strom, um die Anzahl von SR-Schaltvorrichtungen in der SR-Schaltstufe 238 zu bestimmen, die zu aktivieren/freizugeben ist. Wenn der geschätzte Strom hoch ist (z.B. über einer Hochlastschwelle), wodurch ein Volllastzustand angegeben wird, bestimmt die Steuerschaltung 210, dass alle SR-Schaltvorrichtungen aktiviert/freigegeben werden sollten. Wenn der geschätzte Strom niedrig ist (z.B. unter einer Niederlastschwelle), wodurch ein Zustand geringer Last angegeben wird, bestimmt die Steuerschaltung 210, dass nur eine der SR-Schaltvorrichtungen aktiviert/freigegeben werden sollte. Wenn die Stromschätzung in einem mittleren Bereich liegt und die SR-Schaltstufe 238 mehr als zwei SR-Schalter enthält, wird auf der Basis der Stromschätzung eine Teilmenge der SR-Schalter aktiviert/freigegeben. Zum Beispiel kann die Anzahl aktivierter/freigegebener SR-Schalter auf der Basis einer linearen Abbildung von der Stromschätzung auf die Anzahl der SR-Schalter gewählt werden.
  • Die Aktivierung/Freigabe der SR-Schalter wird unter Verwendung des SRENABLE-Signals erreicht, das durch die Steuerschaltung 210 erzeugt und der SR-Treiberschaltung 236 zugeführt wird. Dieses Signal kann zum Beispiel der SR-Treiberschaltung 236 angeben, wie viele der SR-Schalter freizugeben sind. Als Alternative kann dieses Signal genaue einzelne der SR-Schalter angeben, die aktiviert werden. Für jeden Fall verwendet die SR-Treiberschaltung 236 das SRENABLE-Signal, um die Treiber freizugeben, die den SR-Schaltern entsprechen, die zu aktivieren sind, und um die Treiber zu sperren, die den SR-Schaltern entsprechen, die nicht zu aktivieren sind.
  • Die oben beschriebene und in 2A dargestellte Ausführungsform nimmt an, dass die SR-Schalter QSR1, QSR2, ...QSRM im Wesentlichen äquivalent sind, d.h. dass sie vom selben Typ sind und ähnliche elektrische Eigenschaften (z.B. Rdson) aufweisen. Bei einer alternativen untergeordneten Ausführungsform können die SR-Schalter anders bemessen werden, so dass der „Ein“-Widerstand der Vorrichtungen wesentlich unterschiedlich ist. Zum Beispiel kann die SR-Schaltstufe 238 nur zwei SR-Schalter aufweisen. Ein erster SR-Schalter QSR1 kann ein relativ kleiner MOSFET mit geringen Gateverlusten sein, aber einem hohen Drain-Source-Ein-Widerstand (Rdson) und zugeordneten Leistungsverlusten in seinem leitenden Zustand. Ein zweiter SR-Schalter QSR2 kann ein relativ großer MOSFET mit hohen Gateverlusten sein, aber niedrigem Drain-Source-Ein-Widerstand (Rdson) und zugeordneten Leistungsverlusten in seinem leitenden Zustand. Bei einer solchen Ausführungsform würde die Steuerschaltung 210 nur den ersten SR-Schalter QSR1 freigeben/aktivieren, wenn die Stromschätzung angibt, dass der Spannungswandler gering belastet ist. Wenn die Stromschätzung angibt, dass der Spannungswandler voll belastet ist, kann die Steuerschaltung 210 bestimmen, dass nur der zweite Schalter QSR2 aktiviert/freigegeben wird oder dass beide SR-Schalter QSR1, QSR2 aktiviert/freigegeben werden.
  • 3 zeigt ein Schaltbild 300 entsprechend einer anderen Ausführungsform eines Spannungswandlers. Wie bei der Schaltung von 2A kann die Schaltung 300 von 3 einen Spannungswandler mit einer einzigen Phase repräsentieren. Als Alternative kann die dargestellte Leistungsstrangschaltung 330 repliziert werden, was zu einem mehrstufigen Spannungswandler führt, wie etwa dem in 1 dargestellten. Die Schaltung von 3 ist der von 2A ähnlich, und es werden im Folgenden nur die Aspekte beschrieben, in denen sich 3 unterscheidet.
  • Bei der Ausführungsform von 2A gibt die Steuerschaltung 210 ein Steuersignal SRCTRL (z.B. eine PWM-Signalform) aus, um zu steuern, wann die SR-Schaltstufe 238 leiten sollte, wohingegen das Freigabesignal SRENABLE verwendet wurde, um zu bestimmen, welche der SR-Schalter in der SR-Schaltstufe 238 während des Leitens zu aktivieren sind. Im Gegensatz dazu gibt die Steuerschaltung 310 von 3 kein Freigabesignal aus. Stattdessen gibt die Steuerschaltung 310 getrennte Steuersignale SR1CTRL, SR2CTRL, ...SRMCTRL für jeden der SR-Schalter und ihre entsprechenden Treiber 336a, 336b, 336m aus. Auf diese Weise wird die Freigabe/Aktivierung der SR-Schalter effektiv mit der Steuerung der SR-Schalter zusammengelegt. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass die SR-Treiberschaltung 336 Freigabe ihrer Treiber 336a, 336b, 336m nicht unterstützen muss und dass das Freigabesignal bzw. die Freigabesignale zwischen der Steuerschaltung 310 und der SR-Treiberschaltung 336 nicht benötigt wird/werden. Diese Ausführungsform erfordert jedoch zusätzliche Steuersignale SR1CTRL, SR2CTRL, ...SRMCTR und kann somit bei einigen Anwendungen nicht bevorzugt sein.
  • 4 zeigt ein Schaltbild 400 entsprechend einer anderen alternativen Ausführungsform eines Spannungswandlers. Diese Schaltung 400 ist der von 3 ähnlich, und es werden nachfolgend nur die Aspekte beschrieben, in denen sich die Ausführungsform von 4 unterscheidet.
  • Die Ausführungsformen von 2 und 3 umfassten dedizierte Treiber in den SR-Treiberschaltungen 236, 336 für jeden der SR-Schalter der SR-Schaltstufen 238, 338. Es kann jedoch ein einziger Treiber verwendet werden, um die Steueranschlüsse (z.B. Gates) mehrerer SR-Schalter anzusteuern. Dies ist in 4 dargestellt, wobei ein erster Treiber 436a, der sich in der Treiberschaltung 436 befindet, ein erstes Steuersignal SR1CTRL von der Steuerschaltung 410 erhält und einen ersten SR-Schalter QSR1 der SR-Schaltstufe 438 steuert. Ein zweiter Treiber 436b, der sich auch in der Treiberschaltung 436 befindet, erhält ein zweites Steuersignal SR_G2CTRL, das eine Gruppe von SR-Schaltern in der SR-Schaltstufe 438 steuert. Bei der dargestellten Ausführungsform steuern das zweite Steuersignal SR_G2CTRL und der Treiber 436b alle bis auf einen der SR-Schalter, z.B. steuern sie die SR-Schalter QSR2 bis QSRM. Obwohl diese Ausführungsform nur zwei Treiber verwendet, wobei ein Treiber einen Schalter steuert und der andere Treiber (M – 1) Schalter steuert, sind andere Kombinationen möglich und können in bestimmten Anwendungen bevorzugt sein. Zum Beispiel kann ein erster Treiber zwei Schalter steuern, während ein zweiter Treiber drei Schalter steuert usw.
  • 5–7 zeigen Ausführungsformen von mehrstufigen Spannungswandlern und umfassen eine Steuerschaltung, die dafür verantwortlich ist, mehreren Phasen Steuersignale zuzuführen, die jeweils durch eine Leistungsstrangschaltung repräsentiert werden können. Zur leichteren Darstellung ist in diesen Figuren nur die SR-Schaltstufe jeder Leistungsstrangschaltung dargestellt. Die anderen Teile der Leistungsstrangschaltungen sind dieselben wie die Subschaltungen der Leistungsstrangschaltungen, die in 2–4 dargestellt sind, oder diesen ähnlich. Man beachte, dass der Stromschätzer von 5–7 als Strommessungen entsprechend dem Strom durch die SR-Schaltstufen jeder Leistungsstrangschaltung verwendend dargestellt ist. Wie hinsichtlich der Ausführungsform von 2A erläutert, sind auch andere Techniken zum Messen des Stroms möglich.
  • 5 zeigt eine Steuerschaltung 510 mit einem Stromschätzer 515, die zum Steuern der SR-Schaltstufen 538, 588, 598 in jeder der N Leistungsstrangschaltungen eines N-Phasen-Leistungswandlers 500 verwendet wird. Bei dieser Ausführungsform umfasst jede der SR-Schaltstufen zwei (2) SR-Schalter, z.B. QSR1,1, QSR1,2. Wie bei den Ausführungsformen von 3 und 4 erzeugt die Steuerschaltung 510 Steuersignale nur entsprechend den SR-Schaltern, die aktiv sind, wie durch die Stromschätzung bestimmt wird.
  • Bei einer ersten Teilausführungsform der Schaltung 500 von 5 weisen die SR-Schalter denselben Typ und dieselbe Größe auf. Bei dieser Ausführungsform sind alle Phasen immer freigegeben, d.h. es ist immer mindestens ein SR-Schalter in jeder Leistungsstrangschaltung aktiv. Eine solche Implementierung, bei der alle Phasen aktiv sind, hat den Vorteil, dass die Welligkeit auf der Ausgangsspannung minimal ist. Wenn der Spannungswandler stark belastet ist, was durch Detektieren bestimmt wird, dass der geschätzte Strom höher als eine Lastschwelle ist, werden alle SR-Schalter QSR1,1, QSR1,2, QSR2,1, QSR2,2, ...QSRN,1, QSRN,2 aktiviert und benutzt. Wenn sich der geschätzte Strom bei oder unter der Lastschwelle befindet, wird in jeder der Leistungsstrangschaltungen ein einziger SR-Schalter, z.B. QSR1,1, QSR2,1, ...QSRN,1, aktiviert.
  • Bei einer zweiten Teilausführungsform der Schaltung 500 von 5 sind die SR-Schalter in jeder SR-Schaltstufe anders bemessen. Die ersten Schalter QSR1,1, QSR2,1, ...QSRN,1 jeder Leistungsstrangschaltung sind insofern „klein“, als sie relativ niedrigen Gatewiderstand aufweisen, aber relativ hohen Drain-Source-Widerstand (Rdson). Die zweiten Schalter QSR1,2, QSR2,2, ...QSRN,2, jeder Leistungsstrangschaltung sind insofern „groß“, als sie relativ hohen Gatewiderstand aufweisen, aber niedrigen Rdson. Wie ähnlich bei der 2A begleitenden alternativen Teilausführungsform erläutert, aktiviert die Steuerschaltung 510 nur die erste Menge von SR-Schaltern, wenn die Stromschätzung bei oder unter einer Lastschwelle liegt, und aktiviert die zweite Menge von SR-Schaltern oder sowohl die erste als auch die zweite Menge von SR-Schaltern, wenn der Strom die Lastschwelle übersteigt.
  • Bei noch einer dritten Ausführungsform der Schaltung 500 von 5 kann die Steuerschaltung 510 gesamte Leistungsstrangschaltungen (Phasen) des Leistungswandlers deaktivieren, wenn der Leistungswandler wenig belastet ist. Wenn zum Beispiel die Stromschätzung angibt, dass der Spannungswandler voll belastet ist, sind die SR-Schalter in den SR-Schaltstufen 538, 588, 598 für alle Leistungsstrangschaltungen (Phasen) aktiv. Wenn die Stromschätzung unter eine erste Schwelle fällt, wird eine der Phasen durch Deaktivieren der Leistungsstufe und der dieser Phase zugeordneten SR-Schaltstufe abgeworfen, z.B. kann die Steuerschaltung 510 die Schalter QSRN,1, QSRN,2 in der SR-Stufe 598, die Phase N zugeordnet ist, deaktivieren. Wenn die Stromschätzung unter eine zweite Schwelle fällt, wird dann eine weitere der Phasen durch Deaktivieren der Leistungsstufe und der SR-Schaltstufe, die dieser Phase zugeordnet ist, abgeworfen. Diese Operation wird fortgesetzt, bis nur eine einzige Phase, z.B. Phase 1, aktiv bleibt. Wenn die Stromschätzung unter eine Leichtlastschwelle fällt, deaktiviert die Steuerschaltung 510 alle bis auf einen der SR-Schalter in der übrigen SR-Schaltstufe, z.B. kann die Steuerschaltung 510 nur den ersten Schalter QSR1,1 der ersten SR-Schaltstufe 238 unter einer Leichtlastbedingung aktiv halten. Diese Operation führt zu minimalen Gateverlusten, aber zulasten erhöhter Ausgangsspannungswelligkeit verglichen mit Ausführungsformen, bei denen alle Phasen aktiv gehalten werden.
  • 6 zeigt eine Schaltung 600, die der von 5 ähnlich ist, in der aber die SR-Schaltstufen 538, 588, 598 der verschiedenen Phasen variierende Anzahlen von SR-Schaltern aufweisen. Eine solche Schaltung ist besonders für Ausführungsformen geeignet, bei denen die Steuerschaltung 610 gesamte Phasen abwirft, wie oben hinsichtlich der Ausführungsform von 5 beschrieben. Die SR-Schalter können denselben Typ und dieselbe Größe aufweisen oder die SR-Schaltergrößen können variieren, um den effektiven Ein-Widerstand (Rdson) jeder der SR-Schaltstufen 538, 588, 598 besser auszugleichen. Zum Beispiel kann der SR-Schalter QSR1,1 der ersten SR-Schaltstufe 538 groß gewählt werden und einen niedrigen Rdson (aber relativ hohen Gatewiderstand) aufweisen, während der Rdson der Schalter der N-ten SR-Schaltstufe 598 mit relativ niedrigen Gatewiderständen (aber höherem individuellem Rdson) gewählt werden kann. Wenn die Last des Spannungswandlers abnimmt, was dadurch angegeben wird, dass die Stromschätzung unter eine Schwelle fällt, wird die erste Phase durch Deaktivieren der Leistungsstufe für die erste Phase und des SR-Schalters QSR1,1 der ersten SR-Schaltstufe 538 abgeworfen. Wenn die Last weiter abnimmt, wird die zweite Phase durch Deaktivieren der Leistungsstufe und der SR-Schalter QSR2,1 QSR2,2 der zweiten SR-Schaltstufe 588 abgeworfen. Wenn die Last weiter abnimmt, wird diese Operation fortgesetzt, bis nur die N-te Phase übrig ist. An diesem Punkt kann die Steuerschaltung 510 weiter aktive Schalter verringern, indem einzelne Schalter, z.B. QSRN,2, QSRN,3, deaktiviert werden, bis nur ein einziger SR-Schalter, z.B. QSRN,1, bleibt. Wenn die Last des Spannungswandlers zunimmt, werden die SR-Schalter und Leistungsstufen in umgekehrter Reihenfolge wieder aktiviert.
  • 7 zeigt eine weitere Schaltung 700, die besonders für das Abwerfen gesamter Phasen eines Mehrphasen-Spannungswandlers geeignet ist, wenn die Last abnimmt. Bei dieser Ausführungsform weisen alle Phasen einen einzigen SR-Schalter, z.B. QSR2 ...QSRN, auf, mit Ausnahme der ersten Phase, wobei die erste SR-Schaltstufe 738 mehrere Schalter enthält. Bei mäßigen Lasten unter einem Volllastzustand können die Phasen 2 bis N sukzessive durch Deaktivieren ihrer zugeordneten SR-Schalter QSR2 ...QSRN und Leistungsstufen abgeworfen werden. Bei geringen Lasten sind nur SR-Schalter in der ersten SR-Schaltstufe 238 aktiv. Die Anzahl aktiver SR-Schalter in der ersten SR-Schaltstufe 238 kann gemäß dem geschätzten Strom variiert werden. Zum Beispiel kann bei sehr geringen Lasten nur ein einziger SR-Schalter, z.B. QSR1,1, in der Schaltung 700 aktiv durch die Steuerschaltung 710 benutzt werden.
  • 8–11 zeigt Ausführungsformen von Verfahren, die bei der Steuerung von SR-Schaltern in Spannungswandlern, wie etwa den in 1, 2A und 3–7 gezeigten, verwendet werden können. Die Verfahren von 8–10 gelten sowohl für ein- als auch mehrstufige resonante und semiresonante Spannungswandler, wie etwa die zuvor beschriebenen. Das Verfahren von 11 gilt nur für mehrstufige Spannungswandler.
  • 8 zeigt auf hohem Niveau eine Ausführungsform eines Verfahrens 800 zum Bestimmen der in einem Spannungswandler, wie etwa dem in 1 oder 2A dargestellten, zu aktivierenden SR-Schalter. Als erstes wird ein Ausgangsstrom IOUT geschätzt 820. Dieser Strom kann durch direktes Messen des Ausgangsstroms IOUT geschätzt werden oder kann auf der Basis anderer Strommessungen in einem Spannungswandler, z.B. der durch die SR-Schalter einzelner Stufen in einem mehrstufigen Spannungswandler fließenden Ströme, geschätzt werden, Als nächstes wird bestimmt, welche und/oder wie viele SR-Schalter zu aktivieren sind 840. Diese Bestimmung basiert auf dem geschätzten Strom IOUT. Als Letztes werden Steuersignale den SR-Schaltern zugeführt, die als aktiv bestimmt werden 880.
  • 9 und 10 zeigen spezifischere Verfahren zum Bestimmen, welche und/oder wie viele SR-Schalter zu aktivieren sind 840, wie in 8 beschrieben. Die Techniken von 9 und 10 können zusammen oder getrennt verwendet werden.
  • Man beachte, dass auch andere Alternativen zu den spezifischen Techniken von 9 und 10 innerhalb des Verfahrens von 8 möglich sind.
  • 9 zeigt ein Verfahren 940, das durch Vergleichen 942 des geschätzten Stroms IOUT mit einer Schwelle IHIGH_THRESH, die einem Volllastzustand eines Spannungswandlers zugeordnet ist, beginnt. Wenn die Stromschätzung höher als diese Schwelle IHIGH_THRESH ist, werden alle SR-Schalter in dem Spannungswandler aktiviert 946. Andernfalls wird eine Teilmenge der SR-Schalter in dem Spannungswandler aktiviert 944.
  • 10 zeigt ein Verfahren 1040, das mit Vergleichen 1043 des geschätzten Stroms IOUT mit einer Schwelle ILIGHT_LOAD, die einem Leichtlastzustand eines Spannungswandlers zugeordnet ist, beginnt. Wenn die Stromschätzung kleiner als diese Schwelle ILIGHT_LOAD ist, wird ein einziger der SR-Schalter in dem Spannungswandler aktiviert 1047. (Alle anderen SR-Schalter werden nicht aktiviert). Andernfalls werden mehrere SR-Schalter in dem Spannungswandler aktiviert 1045.
  • 11 zeigt eine Ausführungsform eines beispielhaften Verfahrens 1100 zum Bestimmen der in einem Spannungswandler, wie etwa dem in 1 dargestellten, zu aktivierenden SR-Schalter. Dieses Verfahren gilt nur für einen mehrstufigen Spannungswandler. Zur leichteren Veranschaulichung und Beschreibung wird das Verfahren unter der Annahme eines Dreiphasen-Spannungs-wandlers gezeigt, bei dem eine der Phasen drei SR-Schalter aufweist. 6 zeigt einen Spannungswandler dieser Art, wenn es sich um N = 3 (Phasen) handelt, wie auch 7, wenn es sich um N = 3 (Phasen) und M = 3 (SR-Schalter in ihrer Phase 1) handelt. Man beachte jedoch, dass dieses Verfahren ohne Weiteres auf Spannungs-wandler extrapoliert wird, die andere Anzahlen von Phasen aufweisen, z.B. 2 oder mehr als 3. Außerdem kann das Verfahren auf Spannungswandler extrapoliert werden, die eine erste Phase mit etwas anderem als 3 SR-Schaltern aufweist. Das Verfahren erfordert, dass der Spannungswandler mehrere Phasen umfasst und dass mindestens eine der Phasen mehrere SR-Schalter umfasst.
  • Das Verfahren von 11 beginnt mit Vergleichen 1110 des geschätzten Stroms IOUT mit einer Schwelle IHIGH_THRESH. Wenn die Stromschätzung höher als diese Schwelle IHIGH_THRESH ist, werden alle SR-Schalter in allen drei Phasen des Spannungswandlers aktiviert 1112. Andernfalls geht das Verfahren zu einem Vergleich 1120 des geschätzten Stroms IOUT mit einer zweiten Schwelle ITHRESH2 über. Wenn die Stromschätzung höher als diese Schwelle ITHRESH2 ist, werden alle SR-Schalter in zwei der Phasen des Spannungswandlers aktiviert 1122. (Eine dritte Phase des Spannungswandlers wird effektiv gesperrt, da ihre SR-Schalter nicht aktiviert werden). Andernfalls sind nur SR-Schalter in einer einzigen Phase aktiv 1130. (Effektiv sind zwei der Phasen des Spannungswandlers gesperrt, da ihre SR-Schalter nicht aktiviert sind.).
  • Als Nächstes wird der geschätzte Strom IOUT mit einer dritten Schwelle ITHRESH3 verglichen 1140. Wenn die Stromschätzung höher als diese Schwelle ITHRESH3 ist, werden alle drei SR-Schalter in einer ersten Phase des Spannungswandlers aktiviert 1142. Andernfalls geht das Verfahren zu einem Vergleich 1150 des geschätzten Stroms IOUT mit einer vierten Schwelle ITHRESH4 über. Wenn die Stromschätzung höher als diese Schwelle ITHRESH4 ist, werden zwei der SR-Schalter in der ersten Phase des Spannungswandlers aktiviert 1152. (Effektiv wird einer der SR-Schalter der ersten Phase gesperrt, da er nicht aktiviert wird.) Andernfalls wird ein einziger SR-Schalter in der ersten Phase des Spannungswandlers aktiviert 1154. (Die anderen zwei SR-Schalter der ersten Phase werden effektiv gesperrt, da sie nicht aktiviert sind.)
  • Der Einfachheit halber zeigt das in 11 dargestellte Verfahren, dass alle außer der ersten Phase durch Aktivieren aller SR-Schalter in einer Phase des Spannungswandlers aktiviert werden. Man beachte, dass Phasen mit SR-Schaltstufen mit mehreren SR-Schaltern aktiviert werden können, indem nur eine Teilmenge der SR-Schalter in einer gegebenen SR-Schaltstufe aktiviert wird.
  • Außerdem wendet sich das Verfahren der Einfachheit halber nur an die Steuerung von SR-Schaltstufen, und wendet sich nicht an die Steuerung irgendeiner anderen Leistungsstufe. Es versteht sich, dass bei typischem Betrieb mit dem Sperren einer Phase auch Sperren einer etwaigen dieser Phase zugeordneten Leistungsstufe einhergehen würde.
  • Im vorliegenden Gebrauch sind die Ausdrücke „aufweisen“, „enthalten“, „beinhalten“, „umfassend“ und dergleichen Ausdrücke mit offenem Ende, die die Anwesenheit angegebener Elemente oder Merkmale angeben, aber nicht zusätzliche Elemente oder Merkmale ausschließen. Die Artikel „ein“, „eine“ und „der/die/das“ sollen den Plural wie auch den Singular einschließen, sofern es der Kontext nicht deutlich anders angibt.
  • Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen Ausführungsformen, die hier beschrieben werden, miteinander kombiniert werden können, sofern es nicht spezifisch anders angemerkt wird.

Claims (23)

  1. Spannungswandler, der aufweist: eine Leistungsstufe mit einem High-Side-Schalter, der mit einer Eingangsleistungsquelle gekoppelt ist, und einem Low-Side-Schalter, der mit dem High-Side-Schalter an einem Schaltknoten der Leistungsstufe gekoppelt ist; eine passive Schaltung, die den Schaltknoten mit einem Ausgangsknoten des Spannungswandlers koppelt; eine Synchrongleichrichtungs-(SR)-Schaltstufe, die dazu ausgebildet ist, die passive Schaltung mit Masse oder einem anderen Bezugspotential zu koppeln, wobei die SR-Schaltstufe mehrere parallel zueinander geschaltete SR-Schalter aufweist; und eine Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, auf Basis einer Schätzung des ausgegebenen Stroms des Spannungswandlers zu steuern, welche der SR-Schalter ein- und welche der SR-Schalter ausgeschaltet sind.
  2. Spannungswandler nach Anspruch 1, bei dem die Steuerschaltung ferner dazu ausgebildet ist, zu bestimmen, dass alle SR-Schalter eingeschaltet sein sollen, wenn der geschätzte ausgegebene Strom einen Volllastzustand angibt, und dass ein oder mehrere der SR-Schalter ausgeschaltet sein sollen, wenn der geschätzte ausgegebene Strom einen Leichtlastzustand angibt, so dass während des Leichtlastzustands weniger der SR-Schalter eingeschaltet sind als während des Volllastzustands.
  3. Spannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, der weiterhin aufweist: eine Treiberschaltung mit mehreren Treibern, wobei die Treiberschaltung ein gemeinsames Steuersignal, das allen Treibern zugeführt wird, erhält, wobei jeder der Treiber ein Treibersteuersignal bereitstellt, das mit einem Steueranschluss eines SR-Schalters oder Steueranschlüssen einer Gruppe von SR-Schaltern gekoppelt ist, um einen Ein- oder Aus-Zustand des SR-Schalters oder der Gruppe von SR-Schaltern zu steuern, wobei ein Freigabesignal in die Treiberschaltung eingegeben wird, um zu bestimmen, welche Treiber freigegeben sind und welche Treiber gesperrt sind, und wobei die Steuerschaltung ferner dazu ausgebildet ist, auf Basis der Stromausgabeschätzung das gemeinsame Steuersignal zu erzeugen und das Freigabesignal zu programmieren, um so jeden mit einem SR-Schalter oder einer Gruppe von SR-Schaltern gekoppelten Treiber, der einzuschalten ist, freizugeben und jeden mit einem SR-Schalter oder einer Gruppe von SR-Schaltern gekoppelten Treiber, der auszuschalten ist, zu sperren.
  4. Spannungswandler nach Anspruch 3, bei der die SR-Schalter denselben Typ und dieselbe Größe aufweisen und bei der das Freigabesignal eine Anzahl der zu aktivierenden SR-Schalter angibt.
  5. Spannungswandler nach Anspruch 3 oder 4, bei dem Leistungseffizienzen der SR-Schalter wesentlich unterschiedlich sind und das Freigabesignal einen bestimmten oder bestimmte der SR-Schalter, der bzw. die zu aktivieren sind, angibt.
  6. Spannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, der ferner aufweist: eine Treiberschaltung mit einem Treiber für jeden der SR-Schalter, wobei jeder der Treiber ein Steuersignal aus der Steuerschaltung mit einem Steueranschluss eines SR-Schalters koppelt, wobei die Steuerschaltung ferner dazu ausgebildet ist, Steuersignale für jeden der SR-Schalter, der einzuschalten ist, zu aktivieren und Steuersignale für jeden der SR-Schalter, der auszuschalten ist, zu deaktivieren.
  7. Mehrphasen-Spannungswandler, die betreibbar ist, Leistung aus einer Eingangsleistungsquelle zu erhalten und Leistung an einen Ausgangsknoten auszugeben, wobei der Mehrphasen-Spannungswandler aufweist: mehrere Leistungsstrangschaltungen, wobei jede Leistungsstrangschaltung aufweist: eine Leistungsstufe mit einem High-Side-Schalter, der mit einer Eingangsleistungsquelle gekoppelt ist, und einem Low-Side-Schalter, der mit dem High-Side-Schalter an einem Schaltknoten der Leistungsstufe gekoppelt ist; eine passive Schaltung, die den Schaltknoten mit dem Ausgangsknoten des Mehrphasen-Spannungswandlers koppelt; und eine Synchrongleichrichtungs-(SR)-Schaltstufe, die dazu ausgebildet ist, die passive Schaltung mit Masse oder einem anderen Bezugspotential schaltbar zu koppeln, wobei die SR-Schaltstufe mindestens einen SR-Schalter aufweist, wobei die SR-Schaltstufe für mindestens eine der Leistungsstrangschaltungen mehrere miteinander parallel geschaltete SR-Schalter aufweist, und eine Steuerschaltung, die dazu ausgebildet ist, auf Basis einer Schätzung des ausgegebenen Stroms des Mehrphasen-Spannungswandlers zu steuern, welche der SR-Schalter eingeschaltet sind und welche der SR-Schalter ausgeschaltet sind.
  8. Mehrphasen-Spannungswandler nach Anspruch 7, bei dem die Steuerschaltung ferner dazu ausgebildet ist, zu bestimmen, dass alle SR-Schalter eingeschaltet sein sollen, wenn der geschätzte ausgegebene Strom einen Volllastzustand angibt, und dass ein oder mehrere der SR-Schalter ausgeschaltet sein sollen, wenn der geschätzte ausgegebene Strom einen Leichtlastzustand angibt, so dass während des Leichtlastzustands weniger der SR-Schalter eingeschaltet sind als während des Volllastzustands.
  9. Mehrphasen-Spannungswandler nach Anspruch 7 oder 8, bei dem jede der Leistungsstrangschaltungen ferner aufweist: eine Treiberschaltung mit mehreren Treibern, wobei die Treiberschaltung ein gemeinsames Steuersignal, das allen Treibern zugeführt wird, erhält, wobei jeder der Treiber ein Treibersteuersignal bereitstellt, das mit einem Steueranschluss eines SR-Schalters oder Steueranschlüssen einer Gruppe von SR-Schaltern gekoppelt ist, um einen Ein- oder Aus-Zustand des SR-Schalters oder der Gruppe von SR-Schaltern zu steuern, wobei ein Freigabesignal in die Treiberschaltung eingegeben wird, um zu bestimmen, welche Treiber freigegeben sind und welche Treiber gesperrt sind, und wobei die Steuerschaltung ferner dazu ausgebildet ist, auf Basis der Stromausgabeschätzung das gemeinsame Steuersignal zu erzeugen und das Freigabesignal zu programmieren, um so jeden mit einem SR-Schalter oder einer Gruppe von SR-Schaltern gekoppelten Treiber, der einzuschalten ist, freizugeben und jeden mit einem SR-Schalter oder einer Gruppe von SR-Schaltern gekoppelten Treiber, der auszuschalten ist, zu sperren.
  10. Mehrphasen-Spannungswandler nach Anspruch 9, bei dem die SR-Schalter denselben Typ und dieselbe Größe aufweisen und wobei das Freigabesignal für jede Leistungsstrangschaltung eine Anzahl der SR-Schalter angibt, die in dieser Leistungsstrangschaltung zu aktivieren sind.
  11. Mehrphasen-Spannungswandler nach Anspruch 9 oder 10, bei dem Leistungseffizienzen der SR-Schalter wesentlich unterschiedlich sind und das Freigabesignal für jede Leistungsstrangschaltung einen bestimmten oder bestimmte der SR-Schalter angibt, die in dieser Leistungsstrangschaltung zu aktivieren sind.
  12. Mehrphasen-Spannungswandler nach Anspruch 7 oder 8, bei dem jede der Leistungsstrangschaltungen ferner aufweist: eine Treiberschaltung mit einem Treiber für jeden der SR-Schalter der Leistungsstrangschaltung, wobei jeder der Treiber ein unterschiedliches Steuersignal aus der Steuerschaltung mit einem Steueranschluss eines SR-Schalters koppelt, wobei die Steuerschaltung ferner dazu ausgebildet ist, Steuersignale für jeden der SR-Schalter, der einzuschalten ist, zu aktivieren und Steuersignale für jeden der SR-Schalter, der auszuschalten ist, zu deaktivieren.
  13. Mehrphasen-Spannungswandler nach einem der Ansprüche 7 bis 12, bei dem jede der Leistungsstrangschaltungen dieselbe Anzahl von SR-Schaltern umfasst und die Steuerschaltung in jeder der Leistungsstrangschaltungen dieselbe Anzahl von Schaltern einschaltet.
  14. Mehrphasen-Spannungswandler nach einem der Ansprüche 7 bis 13, bei dem die Steuerschaltung ferner dazu ausgebildet ist, alle SR-Schalter für alle Leistungsstrangschaltungen einzuschalten, wenn bestimmt wird, dass die geschätzte Stromausgabe über einer ersten vorbestimmten Schwelle liegt, und andernfalls einen oder mehrere SR-Schalter in einer ersten der Leistungsstrangschaltungen einzuschalten und alle SR-Schalter in allen mit Ausnahme der ersten der Leistungsstrangschaltungen auszuschalten.
  15. Mehrphasen-Spannungswandler nach Anspruch 14, bei dem die Steuerschaltung, wenn bestimmt wird, dass die geschätzte Stromausgabe unter einem zweiten vorbestimmten Wert liegt, einen einzigen SR-Schalter in der ersten Leistungsstrangschaltung einschaltet und alle übrigen SR-Schalter in der ersten Leistungsstrangschaltung ausschaltet.
  16. Mehrphasen-Spannungswandler nach einem der Ansprüche 7 bis 15, bei dem die SR-Schaltstufen der mehreren Leistungsstrangschaltungen nicht alle dieselbe Anzahl von SR-Schaltern umfassen.
  17. Mehrphasen-Spannungswandler nach einem der Ansprüche 7 bis 16, bei dem die SR-Schalter, die in einer ersten der Leistungsstrangschaltungen enthalten sind, verschieden bemessen sind, so dass die SR-Schalter der ersten Leistungsstrangschaltung in ihren jeweiligen Leitungszuständen nicht denselben Widerstand aufweisen.
  18. Mehrphasen-Spannungswandler nach einem der Ansprüche 7 bis 17, bei dem die Steuerschaltung ferner dazu ausgebildet ist, die Stromausgabe des Mehrphasen-Spannungswandlers auf der Basis von Stromschätzungen für die SR-Schaltstufen von jeder der Leistungsstrangschaltungen zu schätzen.
  19. Verfahren in einem Spannungswandler zum Steuern von Synchrongleichrichtungs-(SR)-Schaltern, wobei der Spannungswandler eine Leistungsstufe mit einem High-Side-Schalter, der mit einer Eingangsleistungsquelle gekoppelt ist, und einem Low-Side-Schalter, der mit dem High-Side-Schalter an einem Schaltknoten gekoppelt ist, eine passive Schaltung, die den Schaltknoten mit einem Ausgangsknoten des Leistungswandlers koppelt, und eine SR-Schaltstufe, die dazu ausgebildet ist, die passive Schaltung mit Masse oder einem anderen Bezugspotential schaltbar zu koppeln, aufweist, wobei die SR-Schaltstufe mehrere SR-Schalter aufweist, die parallel zueinander geschaltet sind, wobei die parallelen SR-Schalter unabhängig steuerbar sind, wobei das Verfahren aufweist: Schätzen einer Stromausgabe des Spannungswandlers, Bestimmen auf Basis der geschätzten Stromausgabe, welche SR-Schalter zu aktivieren sind, und Bereitstellen von Steuersignalen zum Einschalten der SR-Schalter, die als zu aktivieren bestimmt werden.
  20. Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das Bestimmen, welche SR-Schalter zu aktivieren sind, aufweist: Bestimmen, dass alle SR-Schalter zu aktivieren sind, wenn die geschätzte Stromausgabe über einer ersten vorbestimmten Schwelle liegt; und Bestimmen, dass nur einer der SR-Schalter zu aktivieren ist, wenn die geschätzte Stromausgabe unter einer zweiten vorbestimmten Schwelle liegt.
  21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, bei dem der Spannungswandler mehrere Stufen umfasst, wobei jede Stufe eine SR-Schaltstufe aufweist, die aus mehreren SR-Schaltern besteht, wobei das Bestimmen, welche SR-Schalter zu aktivieren sind, durchgeführt wird, indem eine Anzahl von zu aktivierenden SR-Schaltern in jeder der SR-Schaltstufen bestimmt wird.
  22. Verfahren nach Anspruch 21, bei dem die Anzahl der zu aktivierenden SR-Schalter für jede der SR-Schaltstufen dieselbe ist.
  23. Verfahren nach einem der Ansprüche 19 bis 22, bei dem der Spannungswandler mehrere Stufen umfasst und wobei das Bestimmen, welche SR-Schalter zu aktivieren sind, durchgeführt wird, indem bestimmt wird, dass alle SR-Schalter in mindestens einer SR-Schaltstufe nicht aktiviert werden.
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