DE102018206561A1 - Leistungsumsetzer mit verbesserter Antwort auf transiente Lasten - Google Patents

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Abstract

Das vorliegende Dokument beschreibt einen Leistungsumsetzer (100), der dazu ausgelegt ist, zwischen einer ersten Stromstärke (IIN) bei einer ersten Spannung (VIN), die an einem ersten Knoten bereitgestellt sind, und einer zweiten Stromstärke (IOUT) bei einer zweiten Spannung (VOUT), die an einem zweiten Knoten bereitgestellt sind, umzusetzen. Der Leistungsumsetzer (100) umfasst einen Flying-Kondensator (CF), einen Induktor (L), einen ersten Schalter (S1), einen zweiten Schalter (S2), einen dritten Schalter (S3), einen vierten Schalter (S4) und einen Umgehungsschalter (S5). Ferner umfasst der Leistungsumsetzer (100) eine Steuereinheit (105), die dazu ausgelegt ist, den ersten, zweiten, dritten und vierten Schalter (S1, S2, S3, S4) während des stationären Betriebs in einer Folge unterschiedlicher Betriebszustände zu steuern, um die zweite Spannung oder die zweite Stromstärke auf einen Zielpegel einzustellen. Zusätzlich ist die Steuereinheit (105) dazu ausgelegt, ein Auftreten einer Lasttransiente an dem zweiten Knoten zu detektieren und als Antwort auf das Detektieren eines Auftretens einer Lasttransiente den Überbrückungsschalter (S5) zumindest teilweise zu schließen, um zusätzlichen Strom von dem Flying-Kondensator (CF) zu dem zweiten Knoten zu liefern oder um Strom von dem Induktor (L) in Richtung des Referenzpotentials abzuleiten.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Das vorliegende Dokument bezieht sich auf Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltleistungsumsetzer. Insbesondere betrifft das vorliegende Dokument das Verbessern der Antwort auf transiente Lasten eines Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltleistungsumsetzers.
  • Hintergrund
  • Gleichstrom-Gleichstrom-Schaltleistungsumsetzer werden entwickelt, um immer kompliziertere und hochintegrierte Ein-Chip-System-Entwürfe (SoC-Entwürfe) zu versorgen, wobei eine schnelle Antwort auf transiente Lasten für einen effizienten Betrieb und ein optimale Leistungsvermögen entscheidend ist. Verschiedene Techniken wurden vorgeschlagen, um die Transientenantwort durch Erhöhen der Geschwindigkeit der Controllerantwort zu verbessern. Eine schnelle nichtlineare (Hysterese-) Steuerung liefert eine nahezu ideale Antwort, bleibt jedoch typischerweise durch die Induktor-Anstiegsrate begrenzt. Mehrphasen-Topologien können verwendet werden, um die Anstiegsrate des (effektiven) Induktors zu erhöhen, allerdings auf Kosten des Einsatzes mehrerer relativ sperriger Induktoren, die sowohl das Volumen als auch die Kosten erhöhen.
  • Eine andere Möglichkeit, die Antwort auf transiente Lasten (bei einer gegebenen Induktor-Stromwelligkeit) zu verbessern, ist die Verwendung erhöhter Schaltfrequenzen. Ein akzeptabler Umsetzerwirkungsgrad bei erhöhten Schaltfrequenzen erfordert die Verwendung von Schaltern mit einer verbesserten Gütezahl (FOM - Figure of merit, die von der Kapazität Cg und dem Widerstand Rsp des Schalters abhängt), da der Schaltverlust mit der Frequenz skaliert, was zu Schaltern mit verringerter Nennspannung führt. Die reduzierte Nennspannung der Schalter macht die direkte Versorgung aus einem Lithium-Ionen-Batteriepaket (Lilon-Batteriepaket) oder einem standardmäßigen 5V- oder 12V-Leistungsversorgungsbus typischerweise unmöglich. Daher wird typischerweise eine kaskadierte Umsetzung über eine Spannungsvorregelung auf einen Zwischen-Bus-Pegel (z. B. 1,8 V) verwendet. Eine solche zweifache Leistungsumsetzung reduziert typischerweise den Gesamtumsetzungswirkungsgrad und erhöht die Lösungskosten.
  • Eine erhöhte Induktor-Anstiegsrate (über eine reduzierte effektive Induktivität) kann auch durch eine mehrstufige Umsetzung erreicht werden. Die Stromwelligkeit des Induktors während des stationären Betriebs wird durch Verteilen des Eingangs-zu-Ausgangsspannungs-Abfalls über die Reihenschaltung beispielsweise eines Kondensators und eines Induktors verringert, wodurch eine im Vergleich zu einem reinen induktorbasierten Abwärtsumsetzer reduzierte Induktivität ermöglicht wird. Während transienter Lastbedingungen kann der volle Eingangs-zu-Ausgangsspannungs-Abfall auf die reduzierte Induktivität angewendet werden, was zu einer erhöhten Induktor-Anstiegsrate führt.
  • Hybride Schemata, die den Parallelbetrieb eines Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzers und eines linearen Reglers umfassen, können die Antwort auf transiente Lasten weiter verbessern, indem zusätzlicher Ladestrom injiziert wird. In Abhängigkeit von dem Eingangs-zu-Ausgangsspannungs-Umsetzungsverhältnis kann der lineare Regler jedoch einer relativ großen Deltaspannung ausgesetzt sein, insbesondere wenn eine relativ hohe Stromstärke bereitgestellt wird. Dies kann relativ große Spannung-mal-Stromstärke-Produkte auslösen, die bei häufigen Laständerungen die Zuverlässigkeit des Umsetzers, den Gesamtumsetzungswirkungsgrad und die Anwendungsaufheizung beeinträchtigen können.
  • Das vorliegende Dokument befasst sich mit dem technischen Problem, einen kosten-, flächen- und leistungseffizienten Leistungsumsetzer mit einer verbesserten, insbesondere einer optimalen, Antwort auf transiente Lasten bereitzustellen.
  • Zusammenfassung
  • In einem Aspekt wird ein Leistungsumsetzer beschrieben, der dazu ausgelegt ist, zwischen einer ersten Stromstärke bei einer ersten Spannung, die an einem ersten Knoten bereitgestellt wird, und einer zweiten Stromstärke bei einer zweiten Spannung, die an einem zweiten Knoten bereitgestellt wird, umzusetzen. Die erste Spannung und die zweite Spannung sind relativ zu einer Referenzspannung. Der Leistungsumsetzer umfasst einen Flying-Kondensator und einen Induktor, wobei ein zweiter Port des Induktors mit dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers gekoppelt ist. Ferner umfasst der Leistungsumsetzer einen ersten Schalter, der dazu ausgelegt ist, einen ersten Anschluss des Flying-Kondensators mit dem ersten Knoten des Leistungsumsetzers zu koppeln oder von diesem zu entkoppeln.
  • Zusätzlich weist der Leistungsumsetzer einen zweiten Schalter auf, der dazu ausgelegt ist, den ersten Anschluss des Flying-Kondensators mit einem ersten Anschluss des Induktors zu koppeln oder von diesem zu entkoppeln. Der Leistungsumsetzer umfasst ferner einen dritten Schalter, der dazu ausgelegt ist, einen zweiten Anschluss des Flying-Kondensators mit dem ersten Anschluss des Induktors zu koppeln oder von diesem zu entkoppeln. Zusätzlich umfasst der Leistungsumsetzer einen vierten Schalter, der dazu ausgelegt ist, den zweiten Anschluss des Flying-Kondensators mit dem Referenzpotential zu koppeln oder von diesem zu entkoppeln. Ferner umfasst der Leistungsumsetzer einen Umgehungsschalter, der dazu ausgelegt ist, den zweiten Anschluss des Flying-Kondensators mit dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers zu koppeln oder von diesem zu entkoppeln.
  • Zudem umfasst der Leistungsumsetzer eine Steuereinheit, die dazu ausgelegt ist, den ersten, zweiten, dritten und vierten Schalter während des stationären Betriebs des Leistungsumsetzers in einer Folge unterschiedlicher Betriebszustände zu steuern, um die zweite Spannung oder die zweite Stromstärke auf einen Zielpegel einzustellen. Die Steuereinheit ist ferner dazu ausgelegt, das Auftreten einer Lasttransiente an dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers zu detektieren. Ferner ist die Steuereinheit dazu ausgelegt, als Antwort auf das Detektieren des Auftretens einer Lasttransiente den Umgehungsschalter zumindest teilweise zu schließen, um zusätzlichen Strom von dem Flying-Kondensator an den zweiten Knoten des Leistungsumsetzers zu liefern oder Strom von dem Induktor zu dem Referenzpotential umzuleiten.
  • In einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungsumsetzers beschrieben. Das Verfahren umfasst ein Steuern des ersten, zweiten, dritten und vierten Schalters des Leistungsumsetzers während des stationären Betriebs in einer Folge von verschiedenen Betriebszuständen, um die zweite Spannung oder die zweite Stromstärke an dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers auf einen Zielpegel einzustellen. Ferner umfasst das Verfahren ein Detektieren eines Auftretens einer Lasttransiente an dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers. Darüber hinaus umfasst das Verfahren als Antwort auf das Detektieren des Auftretens einer Lasttransiente ein zumindest teilweises Schließen des Umgehungsschalters, um zusätzlichen Strom aus dem Flying-Kondensator an den zweiten Knoten des Leistungsumsetzers zu liefern oder Strom von dem Induktor zu dem Referenzpotential umzuleiten.
  • In einem weiteren Aspekt wird ein Softwareprogramm beschrieben. Das Softwareprogramm kann zur Ausführung auf einem Prozessor und zur Durchführung der in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Verfahrensschritte, wenn es auf dem Prozessor ausgeführt wird, ausgelegt sein.
  • In einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein Softwareprogramm umfassen, das zur Ausführung auf einem Prozessor und zur Durchführung der in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Verfahrensschritte, wenn es auf dem Prozessor ausgeführt wird, ausgelegt ist.
  • In einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt beschrieben. Das Computerprogramm kann ausführbare Befehle zum Ausführen der in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Verfahrensschritte, wenn es auf einem Computer ausgeführt wird, umfassen.
  • Es ist zu beachten, dass die Verfahren und Systeme einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsformen, wie sie in dem vorliegenden Dokument dargelegt sind, alleine oder in Kombination mit den anderen in diesem Dokument offenbarten Verfahren und Systemen verwendet werden können. Darüber hinaus sind die im Zusammenhang mit einem System dargelegten Merkmale auch auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Darüber hinaus können alle Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren und Systeme beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche beliebig miteinander kombiniert werden.
  • In dem vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff „koppeln“ oder „gekoppelt“ auf Elemente, die miteinander in elektrischer Kommunikation sind, ungeachtet dessen, ob sie direkt, z. B. über Drähte oder auf andere Weise, verbunden sind.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erläutert; es zeigen:
    • 1a und 1b beispielhafte Leistungsumsetzer;
    • 2a bis 3c beispielhafte Betriebsphasen des Leistungsumsetzers von 1a; und
    • 4 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben eines Leistungsumsetzers.
  • Genaue Beschreibung
  • Wie oben dargelegt worden ist, ist das vorliegende Dokument darauf gerichtet, einen kosten-, flächen- und leistungseffizienten Gleichstrom-Gleichstrom-Leistungsumsetzer (insbesondere einen Tiefsetzsteller) mit verbesserter Antwort auf transiente Lasten bereitzustellen. 1a zeigt einen Mehrpegel-Leistungsumsetzer 100, der die Schalter S1, S2, S3 und S4 umfasst, um den Flying-Kondensator CF und den Induktor L in verschiedenen Betriebsphasen anzuordnen, um ein definiertes Umsetzungsverhältnis zwischen der Eingangsspannung VIN und der Ausgangsspannung VOUT einzustellen. Ferner zeigt 1a das Leistungsverteilungsnetz (PDN) zwischen dem Leistungsumsetzer 100 und einer Last, sowie die Eingangskapazität CIN , die Ausgangs- oder Lastkapazität CPOL und die EMI-Kapazität CEMI (EMI für elektromagnetische Interferenz),
  • Um einen Spannungsfehler zu entfernen, der durch das Leistungsverteilungsnetz (PDN) verursacht wird, wird die Ausgangsspannung VOUT typischerweise an dem Lastpunkt (POL) gemessen, z. B. über differenzielle Kelvin-Kontakte VOUT_P und VOUT_N (siehe Bezugszeichen 101, 102 in 1a).
  • Ferner umfasst der Leistungsumsetzer 100 einen Umgehungsschalter S5, der dazu verwendet werden kann, während einer Lasttransiente Strom von dem Flying-Kondensator CF direkt an den Ausgangsknoten des Leistungsumsetzers 100 zu liefern, um die zusätzlich benötigte Laststromstärke schnell bereitzustellen.
  • Daher zeigt 1a einen abgewandelten Mehrpegel-Umsetzer 100, der in dem einen oder den mehreren Flying-Kondensatoren CF gespeicherte Ladung für eine unmittelbare Stromstärkebereitstellung während schneller transienter Lastschritte verwendet, bis die durchschnittliche Induktorstromstärke durch den Induktor L auf den neuen Stromstärkewert angehoben worden ist.
  • Während des stationären Betriebs umfasst der Mehrpegel-Umsetzer-Schaltzyklus typischerweise die zwei Hauptphasen, die in 2A und 2B gezeigt sind, oder besteht daraus. Während der Betriebsphase von 2a wird der Induktor L über den Flying-Kondensator CF magnetisiert und während der Betriebsphase von 2b wird der Induktor L über den Flying-Kondensator CF entmagnetisiert.
  • Eine relative Tastgrad-Steuerung der Betriebsphasen, die in 2A und 2B gezeigt ist, kann verwendet werden, um die Spannung über dem Flying-Kondensator CF in Richtung eines Zielpegels (der hier als der Kondensatorzielpegel bezeichnet ist) zu regeln. Abhängig von dem Zielpegel der Ausgangsspannung kann entweder eine Magnetisierungsphase wie in 2C gezeigt oder eine Demagnetisierungsphase wie in 2D gezeigt zwischen den Betriebsphasen von 2A und 2B eingefügt werden, wobei die Dauer der Betriebsphasen von 2C oder von 2D zum Regeln der Ausgangsspannung oder der Ausgangsstromstärke in Richtung eines gegebenen Zielwerts verwendet werden kann.
  • Während des stationären Betriebs wird der Ausgangsstrom entlang der in 2a bis 2d gezeigten gestrichelten Linie mit einem Pfeil geliefert. Der Schalter S5 bleibt während des stationären Betriebs typischerweise offen und die Spannung über dem Flying-Kondensator CF wird typischerweise auf einen Spannungspegel geregelt, der geringfügig kleiner ist als VIN - VOUT . Das Delta zwischen der Kondensatorspannung über dem Flying-Kondensator und VIN - VOUT kann als die Deltaspannung VD bezeichnet werden und kann hoch genug eingestellt sein, um die Bereitstellung der während transienter Lastbedingungen erforderlichen Stromstärke (über einen geschlossenen Schalter S5) zu ermöglichen, und/oder niedrig genug eingestellt sein, um einen Stromfluss durch die Bodydiode des Schalters S5 während des stationären Betriebs zu vermeiden. Es ist zu beachten, dass eine unbeabsichtigte Bodydiodenleitung des Umgehungsschalters S5 (insbesondere für relativ große VD ) vermieden werden kann, indem antiserielle -Schalter Rücken an Rücken für den Umgehungsschalter S5 verwendet werden oder eine dynamische Konfiguration der FET-Substrat-Spannungspegels verwendet werden).
  • In dem Fall, in dem die Ausgangsspannung VOUT aufgrund eines transienten Laststroms unter eine vorbestimmte untere Schwelle fällt, kann die Steuereinheit 105 des Leistungsumsetzers 100 die Schalter dazu veranlassen, sofort in eine Magnetisierungsphase überzugehen, wie sie in 3A gezeigt ist (was als Stromzufuhr-Betriebszustand bezeichnet werden kann). Während der Betriebsphase, die in 3A gezeigt ist, wird der Laststrom über den Induktor L (durch die gestrichelte Linie gezeigt) und über den Flying-Kondensator CF (durch die gepunktete Linie gezeigt) geliefert. Aufgrund der Tatsache, dass die Spannung an dem Eingang (linke Seite) des Schalters S5. höher ist als die Ausgangsspannung VOUT (um den (relativ kleinen) Wert der Deltaspannung VD ), kann der Schalter S5 vollständig geschlossen sein, um den zusätzlichen Strom, der an dem POL und an dem Entkopplungskondensator CPOL benötigt wird, bereitzustellen, bis sich die Ausgangsspannung von der Lasttransienten erholt hat. Eine solche PWM-Steuerung (Pulsbreitenmodulations-Steuerung) des Schalters S5 minimiert den Regelungsverlust. Für sanftere Übergänge kann die PWM-Steuerung jedoch durch eine lineare Regelung innerhalb des Schalters S5 (z. B. unter Verwendung eines LDO) ersetzt werden.
  • In dem Fall, in dem die Ausgangsspannung VOUT über einen vorbestimmten oberen Schwellenwert (der höher als der Zielpegel für die Ausgangsspannung ist) ansteigt, kann der stationäre Schaltzyklus sofort in Richtung einer Entmagnetisierungsphase verlassen werden, wie sie in 3B gezeigt ist (die als Stromsenken-Betriebszustand bezeichnet werden kann). Während der Betriebsphase von 3B wird die in dem Induktor L gespeicherte Energie (siehe gestrichelte Linie) über S5 in Richtung Masse entladen (siehe gepunktete Linie). Eine lineare Regelung innerhalb des Schalters S5 kann verwendet werden, um einen relativ großen Stoßstrom zu vermeiden, der durch einen vollständig geschlossenen Schalter S5 verursacht werden könnte (was die Spannung über CPOL zu Masse kurz schließen würde).
  • Eine abgewandelte Entmagnetisierungsphase, wie sie in 3c gezeigt ist, macht die Notwendigkeit einer linearen Regelung innerhalb des Schalters S5 (unter Verwendung der Bodydiodenleitung) überflüssig. Die Reihenschaltung von Bodydioden der Schalter S3 und S4 senkt die Spannung auf der linken Seite des Induktors L auf ca. 1,4 V unter Masse, so dass die Stromstärke innerhalb des Induktors relativ schnell heruntergefahren werden kann, selbst wenn die Ausgangsspannung VOUT niedrig ist. Es hat sich jedoch gezeigt, dass diese Betriebsphase im Vergleich zu der Betriebsphase von 3b ein schlechteres Klemmen des Überschwingens der Ausgangsspannung bietet.
  • Das Prinzip, zusätzlichen Strom aus einem oder mehreren entsprechend vorgeladenen Kondensatoren (unter Umgehung der begrenzten Stromanstiegsrate eines oder mehreren Induktoren innerhalb des Umsetzungswegs des Leistungsumsetzers 100 zu VOUT ) in Richtung des Ausgangsknotens eines Leistungsumsetzers 100 zu leiten, kann in verschiedenen Topologien angewendet werden. Insbesondere kann das Prinzip auf Umsetzertopologien mit mehr als einem einzelnen Flying-Kondensator und/oder mit mehreren Induktoren angewendet werden. 1b zeigt einen Umsetzer 100, der zwei Flying-Kondensatoren C1 und C2 umfasst und die Umgehungsschalter S5 und S7 umfasst. Daher kann ein Leistungsumsetzer 100 mehr als einen Flying-Kondensator und/oder mehr als einen Umgehungsschalter umfassen.
  • Zusammengefasst ist ein Mehrpegel-Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzer 100 mit einer verbesserten Induktor-Anstiegsrate (abgeleitet aus einem seriellen Kondensator während des stationären Betriebs) beschrieben. Der Umsetzer 100 umfasst mindestens einen Umgehungsschalter S5 zum schnellen Liefern von zusätzlichem Strom unter Umgehung des Induktors L. Zu diesem Zweck kann die Spannung über einem Flying-Kondensator des Umsetzers 100 auf einen vorbestimmten Spannungspegel geregelt werden, was eine zuverlässige Lieferung von zusätzlichem Strom aus dem Flying-Kondensator in Richtung des Ausgangsknoten des Leistungsumsetzers 100 ermöglicht.
  • Mit anderen Worten, es wird ein Leistungsumsetzer 100 beschrieben, der dazu ausgelegt ist, zwischen einer ersten Stromstärke IIN oder Eingangsstromstärke bei einer ersten Spannung oder Eingangsspannung VIN , die an einem ersten Knoten oder Eingangsknoten des Leistungsumsetzers 100 bereitgestellt ist, und einer zweiten Stromstärke oder Ausgangsstromstärke IOUT bei einer zweiten Spannung oder Ausgangsspannung VOUT , die an einem zweiten Knoten oder Ausgangsknoten des Leistungsumsetzers 100 bereitgestellt ist, umzusetzen. Die erste Spannung VIN und die zweite Spannung VOUT sind typischerweise relativ zu einer Bezugsspannung (z. B. relativ zu Masse). Der Leistungsumsetzer 100 kann dazu ausgelegt sein, eine Tiefstellumsetzung durchzuführen, so dass die zweite Spannung kleiner oder gleich der ersten Spannung ist.
  • Der Leistungsumsetzer 100 umfasst mindestens einen Flying-Kondensator CF . Ferner umfasst der Leistungsumsetzer 100 einen Induktor L. Ein zweiter Anschluss des Induktors L kann (direkt) mit dem zweiten Knoten (d. h. Ausgangsknoten) des Leistungsumsetzers 100 gekoppelt sein. Der Flying-Kondensator umfasst einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss, wobei eine Kondensatorspannung über dem Flying-Kondensator als die Spannung zwischen dem ersten und dem zweiten Anschluss des Flying-Kondensators definiert sein kann. Ferner umfasst der Induktor einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss, wobei ein Strom durch den Induktor als der Strom von dem ersten Anschluss zu dem zweiten Anschluss (oder umgekehrt) des Induktors L definiert sein kann.
  • Zusätzlich umfasst der Leistungsumsetzer 100 einen Satz von Schaltern, die dazu verwendet werden können, den Flying-Kondensator und den Induktor während des Betriebs des Leistungsumsetzers 100 in verschiedenen Betriebsarten anzuordnen. Insbesondere kann der Leistungsumsetzer 100 einen ersten Schalter S1 umfassen, der dazu ausgelegt ist, um den ersten Anschluss des Flying-Kondensators CF (direkt) mit dem ersten Knoten des Leistungsumsetzers 100 zu koppeln oder davon zu entkoppeln. Zusätzlich kann der Leistungsumsetzer 100 einen zweiten Schalter S2 umfassen, der dazu ausgelegt ist, den ersten Anschluss des Flying-Kondensators CF (direkt) mit dem ersten Anschluss des Induktors L zu koppeln oder davon zu entkoppeln. Ferner kann der Leistungsumsetzer 100 einen dritten Schalter S3 umfassen, der dazu ausgelegt ist, den zweiten Anschluss des Flying-Kondensators CF (direkt) mit dem ersten Anschluss des Induktors L zu koppeln oder davon zu entkoppeln. Zusätzlich kann der Leistungsumsetzer 100 einen vierten Schalter S4 umfassen, der dazu ausgelegt ist, den zweiten Anschluss des Flying-Kondensators CF (direkt) mit dem Bezugspotential zu koppeln oder davon zu entkoppeln.
  • Der erste, zweite, dritte und vierte Schalter können während des stationären Betriebs des Leistungsumsetzers 100 verwendet werden, um eine Umsetzung zwischen der an dem ersten Knoten bereitgestellten elektrischen Leistung und der an dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 bereitgestellten elektrischen Leistung bereitzustellen. Insbesondere kann der Leistungsumsetzer 100 eine Steuereinheit 105 (z. B. einen Mikroprozessor und/oder eine analoge Steuerschaltung) umfassen, die dazu ausgelegt ist, um den ersten, zweiten, dritten und vierten Schalter S1, S2, S3, S4 während des stationären Betriebs in einer Folge unterschiedlicher Betriebszustände zu steuern, um die zweite Spannung oder die zweite Stromstärke (an dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100) auf einen Zielpegel einzustellen. Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 105 dazu ausgelegt sein, die Folge von Betriebszuständen während des stationären Betriebs mit einer Zyklusrate (z. B. 10 MHz, 100 MHz oder mehr) zu wiederholen.
  • Der erste, der zweite, der dritte und der vierte Schalter S1, S2, S3, S4 können in einem PWM-Modus betrieben werden, d. h. die Schalter können entweder vollständig geschlossen oder vollständig offen sein. Ferner können der erste, zweite, dritte und vierte Schalter S1, S2, S3, S4 jeweils Transistoren (Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren) sein oder umfassen.
  • Die Folge von Betriebszuständen kann einen ersten Betriebszustand (wie beispielsweise in 2a gezeigt) umfassen, in dem der erste Schalter S1 (vollständig) geschlossen ist, der zweite Schalter S2 (vollständig) offen ist, der dritte Schalter S3 (vollständig) geschlossen ist und der vierte Schalter S4 (vollständig) geöffnet ist. Ferner kann die Folge von Betriebszuständen einen zweiten Betriebszustand (wie beispielsweise in 2b gezeigt) umfassen, in dem der erste Schalter S1 (vollständig) geöffnet ist, der zweite Schalter S2 (vollständig) geschlossen ist, der dritte Schalter S3 (vollständig) geöffnet ist und der vierte Schalter S4 (vollständig) geschlossen ist. Die Steuereinheit 105 kann dazu ausgelegt sein, den Tastgrad des ersten und/oder zweiten Betriebszustands anzupassen, um die Kondensatorspannung über dem Flying-Kondensator CF auf einen Zielpegel (hierin als der Kondensatorzielpegel bezeichnet) zu regeln.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Folge von Betriebszuständen einen dritten Betriebszustand (wie beispielsweise in 2c gezeigt) umfassen, in dem der erste Schalter S1 (vollständig) geschlossen ist, der zweite Schalter S2 (vollständig) geschlossen ist, der dritte Schalter S3 (vollständig) offen ist und der vierte Schalter S4 (vollständig) offen ist. Ferner kann die Folge von Betriebszuständen einen vierten Betriebszustand (wie beispielsweise in 2d gezeigt) umfassen, in dem der erste Schalter S1 (vollständig) offen ist, der zweite Schalter S2 (vollständig) offen ist, der dritte Schalter S3 (vollständig) geschlossen ist und der vierte Schalter S4 (vollständig) geschlossen ist. Die Steuereinheit 105 kann dazu ausgelegt sein, den Tastgrad des dritten und/oder vierten Betriebszustands anzupassen, um die zweite Spannung oder die zweite Stromstärker auf den Zielpegel zu regeln.
  • Somit kann der Leistungsumsetzer 100 dazu ausgelegt sein, elektrische Leistung zwischen einem Eingangsknoten (d. h. ersten Knoten) und einem Ausgangsknoten (d. h. zweiten Knoten) in einer energieeffizienten Weise umzusetzen.
  • Der Leistungsumsetzer 100 umfasst ferner mindestens einen Umgehungsschalter S5 (z. B. mit einem oder mehreren Transistoren (Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren), der dazu ausgelegt ist, den zweiten Anschluss des Flying-Kondensators CF (direkt) mit dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 zu koppeln oder davon zu entkoppeln. Der Umgehungsschalter S5 kann verwendet werden, um den Induktor L zu umgehen, um Strom von dem Flying-Kondensator direkt zu dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 zu liefern (ohne den Induktor L zu durchlaufen). Alternativ oder zusätzlich kann der Umgehungsschalter S5 verwendet werden, um Strom von dem Induktor L zu dem Referenzpotential (insbesondere zu Masse) abzuführen. Somit kann der Umgehungsschalter S5 verwendet werden, um die Leistung des Leistungsumsetzers 100 im Falle einer Lasttransiente einer Last, die mit dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 gekoppelt ist, zu verbessern.
  • Insbesondere kann die Steuereinheit 105 dazu ausgelegt sein, ein Auftreten einer Lasttransiente an dem zweiten Knoten zu detektieren. Die Lasttransiente an dem zweiten Knoten kann basierend auf einer Angabe des Pegels der zweiten Spannung und/oder basierend auf einer Angabe des Pegels der zweiten Stromstärke detektiert werden. Die Steuereinheit 105 kann dazu ausgelegt sein, die Angabe des Pegels der zweiten Spannung unter Verwendung von differenziellen Kelvin-Kontakten an der Last, die von dem Leistungsumsetzer 100 versorgt wird, zu bestimmen.
  • Ferner kann die Steuereinheit 105 als Antwort auf das Detektieren des Auftretens einer Lasttransiente dazu ausgelegt sein, den Umgehungsschalter S5 zumindest teilweise zu schließen, um zusätzlichen Strom von dem Flying-Kondensator CF (direkt) zu dem zweiten Knoten zu liefern oder um Strom von dem Induktor L zu dem Referenzpotential abzuleiten. Als Ergebnis davon wird es dem Leistungsumsetzer 100 ermöglicht, schnell auf eine Lasttransiente zu reagieren, wodurch das Lasttransientenverhalten des Leistungsumsetzers 100 verbessert wird.
  • Wie oben angegeben kann die Steuereinheit 105 dazu ausgelegt sein, um die Kondensatorspannung über dem Flying-Kondensator während des stationären Betriebs auf einen Kondensatorzielpegel einzustellen. Ferner kann die Steuereinheit 105 dazu ausgelegt sein, die zweite Spannung während des stationären Betriebs auf einen Zielwert einzustellen. Insbesondere kann die Steuereinheit 105 dazu ausgelegt sein, die Kondensatorspannung so einzustellen, dass Strom von dem Flying-Kondensator zuverlässig zu dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 fließt, in Abhängigkeit von dem (zumindest teilweise) Schließen des Umgehungsschalters S5.
  • Zu diesem Zweck kann die Steuereinheit 105 dazu ausgelegt sein, den ersten, zweiten, dritten und vierten Schalter S1, S2, S3, S4 während des stationären Betriebs zu steuern, um die zweite Spannung VOUT . auf den Zielpegel einzustellen. Ferner kann die Steuereinheit 105 dazu ausgelegt sein, den ersten, zweiten, dritten und vierten Schalter S1, S2, S3, S4 während des stationären Betriebs zu steuern, um die Kondensatorspannung über dem Flying-Kondensator CF auf die Differenz zwischen der ersten Spannung VIN und dem Zielpegel für die zweite Spannung minus einer Deltaspannung einzustellen. Mit anderen Worten, der Kondensatorzielpegel kann der Differenz zwischen der ersten Spannung VIN und dem Zielpegel für die zweite Spannung minus einer Deltaspannung VD entsprechen oder gleich dieser sein (d h. VIN - VOUT,target - VD ). Dadurch ist der Spannungspegel an dem zweiten Anschluss des Flying-Kondensators höher als der Zielpegel VOUT,target für die zweite Spannung VOUT . Insbesondere kann der Spannungspegel an dem zweiten Anschluss des Flying-Kondensators gleich dem Zielpegel VOUT,target für die zweite Spannung VOUT plus der Deltaspannung VD sein. Dadurch kann ein sicherer Stromfluss vom Flying-Kondensator zu dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 gewährleistet werden, wenn der Umgehungsschalter S5 geschlossen ist.
  • Die Deltaspannung VD kann 20 %, 10 % oder weniger der Differenz zwischen der ersten Spannung VIN und dem Zielpegel VOUT,target für die zweite Spannung VOUT sein (wobei die erste Spannung typischerweise höher als der Zielpegel VOUT,target für die zweite Spannung ist). Mit anderen Worten, die Deltaspannung VD kann im Vergleich zu (VIN -VOUT,target ) relativ klein sein, um den Pegel der Stoßstromstärke in den Umgehungsschalter S5 beim Schließen des Umgehungsschalters S5 zu begrenzen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Deltaspannung 1 %, 2 %, 5 % oder mehr der Differenz zwischen der ersten Spannung VIN und dem Zielpegel für die zweite Spannung VOUT betragen, um einen zuverlässigen Stromfluss aus dem Flying-Kondensator zu dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 zu gewährleisten, wenn der Umgehungsschalter S5 geschlossen ist.
  • Mit anderen Worten, die Steuereinheit 105 kann dazu ausgelegt sein, den ersten, zweiten, dritten und vierten Schalter S1, S2, S3, S4 während des stationären Betriebs so zu steuern, dass die Kondensatorspannung über dem Flying-Kondensator CF in Kombination mit der ersten Spannung VIN höher ist als der Zielpegel für die zweite Spannung VOUT . Ferner können die Schalter so gesteuert werden, dass die Kondensatorspannung über dem Flying-Kondensator CF in Kombination mit der ersten Spannung VIN hoch genug ist, um zu ermöglichen, dass Strom von dem Flying-Kondensator CF zu dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 fließt, wenn der Umgehungsschalter S5 zumindest teilweise geschlossen ist. Ferner können die Schalter so gesteuert werden, dass die Kondensatorspannung über dem Flying-Kondensator CF in Kombination mit der ersten Spannung VIN ausreichend niedrig ist, um eine Leitung einer Bodydiode des Umgehungsschalters S5 zu vermeiden.
  • Der Umgehungsschalter S5 wird während des stationären Betriebs typischerweise (vollständig) offen gehalten. Dies hat zur Folge, dass der Leistungswirkungsgrad des Leistungsumsetzers 100 durch den Umgehungsschalter S5 nicht beeinträchtigt wird.
  • Die Steuereinheit 105 kann dazu ausgelegt sein, zu detektieren, dass die zweite Spannung bei oder unter einer niedrigeren Spannungsschwelle liegt (basierend auf einer gemessenen Angabe der zweiten Spannung) und/oder dass die zweite Stromstärke bei oder über einer höheren Schwelle liegt (basierend auf einer gemessenen Angabe der zweiten Stromstärke). Ferner kann die Steuereinheit 105 dazu ausgelegt sein, als Antwort darauf den Umgehungsschalter S5 zumindest teilweise zu schließen, um dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 zusätzlichen Strom aus dem Flying-Kondensator (CF ) zu liefern. Die Steuereinheit 105 kann ferner den ersten Schalter S1 so steuern, dass er (vollständig) geschlossen ist (um zu ermöglichen, dass der Flying-Kondensator entladen wird). Zusätzlich kann die Steuereinheit 105 den zweiten Schalter S2 so steuern, dass er (vollständig) geschlossen ist (um zu ermöglichen, dass Strom durch den Induktor L fließt, wodurch die zweite Stromstärke an dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 weiter erhöht wird). Zusätzlich kann die Steuereinheit 105 den dritten Schalter S3 und den vierten Schalter S4 so steuern, dass sie (vollständig) offen sind. Als Ergebnis eines derartigen Betriebs des Leistungsumsetzers 100 kann das Leistungsvermögen des Leistungsumsetzers 100 bei einem Lastanstieg verbessert werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit 105 dazu ausgelegt sein, zu detektieren, dass die zweite Spannung bei oder über einer höheren Spannungsschwelle liegt (basierend auf einer gemessenen Angabe der zweiten Spannung) und/oder dass die zweite Stromstärke bei oder unter einer niedrigeren Stromstärkeschwelle liegt (basierend auf einer gemessenen Angabe der zweiten Stromstärke). Darüber hinaus kann die Steuereinheit 105 dazu ausgelegt sein, als Antwort darauf den Umgehungsschalter S5 zumindest teilweise zu schließen, um Strom von dem Induktor L zu dem Referenzpotential abzuleiten. Zu diesem Zweck kann der vierte Schalter S4 (vollständig) geschlossen sein. Andererseits können der erste Schalter S1 und der zweite Schalter S2 (vollständig) offen sein. Der dritte Schalter S3 kann offen gehalten werden und der Stromfluss kann über die Bodydiode des dritten Schalters S3 erfolgen. Als Ergebnis eines derartigen Betriebs des Leistungsumsetzers 100 kann das Leistungsvermögen des Leistungsumsetzers 100, der einem Lastabfall unterliegt, verbessert werden.
  • Mit anderen Worten, die Steuereinheit 105 kann dazu ausgelegt sein, bei Detektieren eines Lastanstiegs (insbesondere basierend auf einer Angabe der zweiten Stromstärke und/oder der zweiten Spannung) (von dem stationären Betrieb) in einen Stromzufuhr-Betriebszustand überzugehen. Während des Stromzufuhr-Betriebszustand (wie beispielsweise in 3a gezeigt) kann der erste Schalter S1 (vollständig) geschlossen sein, der zweite Schalter S2 (vollständig) geschlossen sein, der dritte Schalter S3 (vollständig) geöffnet sein, der vierte Schalter S4 (vollständig) offen sein und der Umgehungsschalter S5 zumindest teilweise geschlossen sein.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit 105 dazu ausgelegt sein beim Detektieren einer Lastabnahme (insbesondere basierend auf einer Angabe der zweiten Stromstärke und/oder der zweiten Spannung) in einen Stromsenken-Betriebszustand (wie z. B. in 3b gezeigt) überzugehen. Während des Stromsenken-Betriebszustands kann der erste Schalter S1 (vollständig) offen sein, der zweite Schalter S2 (vollständig) offen sein, der dritte Schalter S3 (vollständig) offen sein, der vierte Schalter S4 (vollständig) geschlossen sein und der Umgehungsschalter S5 zumindest teilweise geschlossen sein.
  • Die Steuereinheit 105 kann dazu ausgelegt sein, den Leistungsumsetzer 100 in dem Stromzufuhr-Betriebszustand oder in dem Stromsenken-Betriebszustand zu halten, bis (insbesondere basierend auf einer Angabe der zweiten Stromstärke und/oder der zweiten Spannung) detektiert wird, dass die Lasttransiente an dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 überwunden worden ist. Insbesondere kann detektiert werden, dass die zweite Spannung bei oder über einer unteren Spannungsschwelle und bei oder unter einer höheren Spannungsschwelle liegt, um zu detektieren, dass die Lasttransiente an dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 überwunden worden ist.
  • Mit anderen Worten, die Steuereinheit 105 kann dazu ausgelegt sein, zu detektieren, dass die Lasttransiente an dem zweiten Knoten überwunden worden ist (insbesondere basierend auf einer Angabe der zweiten Stromstärke und/oder der zweiten Spannung). Als Antwort darauf kann der stationäre Betrieb wiederaufgenommen werden. Daher kann ein energieeffizienter Leistungsumsetzer 100 mit einem verbesserten Lasttransientenverhalten bereitgestellt werden.
  • Die Steuereinheit 105 kann dazu ausgelegt sein, den Umgehungsschalter S5 in einem linearen Modus mit einem variablen Durchlasswiderstand zu betreiben, insbesondere in Abhängigkeit von einem Pegel der zweiten Spannung und/oder in Abhängigkeit von einem Pegel einer Stromstärke durch den Umgehungsschalter S5 . Dadurch kann eine gesteuerte Lieferung von zusätzlichem Strom für den zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 bereitgestellt werden.
  • Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit 105 dazu ausgelegt sein, den Umgehungsschalter S5 in einem Pulsbreitenmodulation-Modus (PWM-Modus) zu betreiben, wobei der Umgehungsschalter S5 entweder vollständig geschlossen oder vollständig offen ist. Dadurch kann zusätzlicher Strom in einer besonders energieeffizienten Weise zu dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 geliefert werden.
  • 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 400 zum Betreiben eines Mehrpegel-Leistungsumsetzers 100. Wie oben dargelegt kann der Leistungsumsetzer 100 dazu ausgelegt sein, zwischen einer ersten Stromstärke IIN bei einer ersten Spannung VIN , die an einem ersten Knoten des Leistungsumsetzers 100 bereitgestellt sind, und einer zweiten Stromstärke IOUT bei einer zweiten Spannung VOUT , die an einem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 bereitgestellt sind, umzusetzen. Der Leistungsumsetzer 100 kann dazu ausgelegt sein, eine Abwärtsumsetzung von der ersten Spannung auf die zweite Spannung durchzuführen (so dass die zweite Spannung kleiner oder gleich der ersten Spannung ist).
  • Der Leistungsumsetzer 100 kann einen Flying-Kondensator CF und einen Induktor L umfassen, wobei der zweite Anschluss des Induktors L mit dem zweiten Knoten gekoppelt sein kann. Ferner kann der Leistungsumsetzer 100 umfassen: einen ersten Schalter S1, der dazu ausgelegt ist, einen ersten Anschluss des Flying-Kondensators CF mit dem ersten Knoten zu koppeln oder davon zu entkoppeln; einen zweiten Schalter S2, der dazu ausgelegt ist, den ersten Anschluss des Flying-Kondensators CF mit einem ersten Anschluss des Induktors L zu koppeln oder davon zu entkoppeln; einen dritten Schalter S3, der dazu ausgelegt ist, einen zweiten Anschluss des Flying-Kondensators CF mit dem ersten Anschluss des Induktors L zu koppeln oder davon zu entkoppeln; einen vierten Schalter S4, der dazu ausgelegt ist, den zweiten Anschluss des Flying-Kondensators CF mit dem Referenzpotential zu koppeln oder davon zu entkoppeln; und einen Umgehungsschalter S5, der dazu ausgelegt ist, den zweiten Anschluss des Flying-Kondensators CF mit dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 zu koppeln oder davon zu entkoppeln.
  • Das Verfahren 400 umfasst ein Steuern 401 des ersten, zweiten, dritten und vierten Schalters S1, S2, S3, S4 während des stationären Betriebs in einer Folge von verschiedenen Betriebszuständen, um die zweite Spannung oder die zweite Stromstärke auf einen Zielpegel einzustellen. Ferner umfasst das Verfahren 400 ein Detektieren 402 eines Auftretens einer Lasttransienten an dem zweiten Knoten. Zusätzlich umfasst das Verfahren 400 als Antwort auf das Detektieren des Auftretens einer Lasttransiente 402 ein Schließen des Überbrückungsschalters S5, um zusätzlichen Strom von dem Flying-Kondensator CF zu dem zweiten Knoten des Leistungsumsetzers 100 zu liefern oder um Strom von dem Induktor L in Richtung des Bezugspotentials abzuleiten.
  • Der beschriebene Umsetzer 100 bietet einen hohen Wirkungsgrad über einen weiten Ausgabestromstärkenbereich unter Verwendung einer einzelnen Mehrpegel-Umsetzungsstufe. Der Umsetzer 100 minimiert die Flächen-/Platzanforderungen und verwendet eine reduzierte Anzahl von (parallelen) Induktoren. Darüber hinaus bietet der Umsetzer 100 eine optimale Antwort auf transiente Lasten unter Verwendung einer relativ niedrigen Induktivität und einer Hybridtopologie. Strom kann mit relativ hoher Regelungsbandbreite bereitgestellt werden. Darüber hinaus kann der Spannungsabfall über den Induktor- Umgehungsschalter S5 minimiert werden, um den Wirkungsgrad zu erhöhen.
  • Es ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme veranschaulichen. Fachleute werden in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, obwohl sie hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt sind, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Gedanken und Umfang enthalten sind. Darüber hinaus sollen alle Beispiele und Ausführungsformen, die in dem vorliegenden Dokument beschrieben sind, ausdrücklich nur Erläuterungszwecken dienen, um dem Leser beim Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu helfen. Darüber hinaus sollen alle hierin enthaltenen Aussagen, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung sowie spezifische Beispiele davon bereitstellen, Äquivalente davon umfassen.

Claims (16)

  1. Leistungsumsetzer (100), der dazu ausgelegt ist, zwischen einer ersten Stromstärke (IIN) bei einer ersten Spannung (VIN), die an einem ersten Knoten bereitgestellt werden, und einer zweiten Stromstärke (IOUT) bei einer zweiten Spannung (VOUT), die an einem zweiten Knoten bereitgestellt werden, umzusetzen; wobei die erste Spannung (VIN) und die zweite Spannung (VOUT) auf eine Referenzspannung bezogen sind; wobei der Leistungsumsetzer (100) Folgendes umfasst: - einen Flying-Kondensator (CF); - einen Induktor (L); wobei ein zweiter Anschluss des Induktors (L) mit dem zweiten Knoten gekoppelt ist; - einen ersten Schalter (S1), der dazu ausgelegt ist, einen ersten Anschluss des Flying-Kondensators (CF) mit dem ersten Knoten zu koppeln oder davon zu entkoppeln; - einen zweiten Schalter (S2), der dazu ausgelegt ist, den ersten Anschluss des Flying-Kondensators (CF) mit einem ersten Anschluss des Induktors (L) zu koppeln oder davon zu entkoppeln; - einen dritten Schalter (S3), der dazu ausgelegt ist, einen zweiten Anschluss des Flying-Kondensators (CF) mit dem ersten Anschluss des Induktors (L) zu koppeln oder davon zu entkoppeln; - einen vierten Schalter (S4), der dazu ausgelegt ist, den zweiten Anschluss des Flying-Kondensators (CF) mit dem Referenzpotential zu koppeln oder davon zu entkoppeln; - einen Umgehungsschalter (S5), der dazu ausgelegt ist, den zweiten Anschluss des Flying-Kondensators (CF) mit dem zweiten Knoten zu koppeln oder davon zu entkoppeln; und - eine Steuereinheit (105), die ausgelegt ist zum - Steuern des ersten, zweiten, dritten und vierten Schalters (S1, S2, S3, S4) während des stationären Betriebs in einer Folge von verschiedenen Betriebszuständen, um die zweite Spannung oder die zweite Stromstärke auf einen Zielpegel einzustellen; - Detektieren eines Auftretens einer Lasttransienten an dem zweiten Knoten; und - als Antwort auf das Detektieren des Auftretens einer Lasttransiente, zumindest teilweisen Schließen des Umgehungsschalters (S5), um zusätzlichen Strom von dem Flying-Kondensator (CF) zu dem zweiten Knoten zu liefern oder Strom von dem Induktor (L) in Richtung des Referenzpotentials abzuleiten.
  2. Leistungsumsetzer (100) nach Anspruch 1, wobei die Steuereinheit (105) dazu ausgelegt ist, den ersten, zweiten, dritten und vierten Schalter (S1, S2, S3, S4) während des stationären Betriebs für Folgendes zu steuern: - Einstellen der zweiten Spannung (VOUT) auf den Zielpegel; und - Einstellen einer Kondensatorspannung über dem Flying-Kondensator (CF) auf die Differenz zwischen der ersten Spannung (VIN) und dem Zielpegel für die zweite Spannung (VOUT) minus einer Deltaspannung.
  3. Leistungsumsetzer (100) nach Anspruch 2, wobei - die Deltaspannung 20 %, 10 % oder weniger der Differenz zwischen der ersten Spannung (VIN) und dem Zielpegel für die zweite Spannung (VOUT) beträgt und/oder - die Delta-Spannung ist 1 %, 2 %, 5 % oder mehr der Differenz zwischen der ersten Spannung (VIN) und dem Zielpegel für die zweite Spannung (VOUT) beträgt.
  4. Leistungsumsetzer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (105) dazu ausgelegt ist, den ersten, zweiten, dritten und vierten Schalter (S1, S2, S3, S4) während eines stationären Betriebs so zu steuern, dass eine Kondensatorspannung über dem Flying-Kondensator (CF) in Kombination mit der ersten Spannung Folgendes ist: - höher als der Zielpegel für die zweite Spannung (VOUT); - hoch genug, um zu ermöglichen, dass Strom von dem Flying-Kondensator (CF) zu dem zweiten Knoten fließt, wenn der Umgehungsschalter (S5) zumindest teilweise geschlossen ist; und/oder - ausreichend niedrig, um die Leitung einer Bodydiode des Umgehungsschalters (S5) zu vermeiden.
  5. Leistungsumsetzer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Umgehungsschalter (S5) während des stationären Betriebs offen gehalten wird.
  6. Leistungsumsetzer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (105) ausgelegt ist zum - Detektieren, dass die zweite Spannung bei oder unter einer niedrigeren Spannungsschwelle liegt und/oder dass die zweite Stromstärke bei oder über einer höheren Stromstärkeschwelle liegt; und - als Antwort darauf zumindest teilweisen Schließen des Umgehungsschalters (S5), um zusätzlichen Strom von dem Flying-Kondensator (CF) zu dem zweiten Knoten zu liefern; und/oder - Detektieren, dass die zweite Spannung bei oder über einer höheren Spannungsschwelle liegt und/oder dass die zweite Spannung bei oder unter einer niedrigeren Stromstärkeschwelle liegt; und - als Antwort darauf zumindest teilweisen Schließen des Umgehungsschalters (S5), um Strom von dem Induktor (L) in Richtung des Referenzpotentials abzuleiten.
  7. Leistungsumsetzer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Steuereinheit (105) dazu ausgelegt ist, beim Detektieren eines Lastanstiegs in einen Stromzufuhr-Betriebszustand überzugehen; und - während des Stromzufuhr-Betriebszustands der erste Schalter (S1) geschlossen, der zweite Schalter (S2) geschlossen, der dritte Schalter (S3) offen, der vierte Schalter (S4) offen und der Umgehungsschalter (S5) zumindest teilweise geschlossen ist; und/oder - die Steuereinheit (105) dazu ausgelegt ist, bei dem Detektieren einer Lastabnahme in einen Stromsenken-Betriebszustand überzugehen; und - während des Stromsenken-Betriebszustands der erste Schalter (S1) offen, der zweite Schalter (S2) offen, der dritte Schalter (S3) offen, der vierte Schalter (S4) geschlossen und der Umgehungsschalter (S5) zumindest teilweise geschlossen ist.
  8. Leistungsumsetzer (100) nach Anspruch 7, wobei die Steuereinheit (105) dazu ausgelegt ist, den Leistungsumsetzer (100) in dem Stromzufuhr-Betriebszustand oder in dem Stromsenken-Betriebszustand zu halten, bis detektiert wird, dass die Lasttransiente an dem zweiten Knoten überwunden worden ist, insbesondere bis detektiert wird, dass die zweite Spannung bei oder über einer niedrigeren Spannungsschwelle und bei oder unter einer höheren Spannungsschwelle liegt.
  9. Leistungsumsetzer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (105) ausgelegt ist zum - Detektieren, dass die Lasttransiente an dem zweiten Knoten überwunden worden ist; und - als Antwort darauf Wiederaufnehmen des stationären Betriebs.
  10. Leistungsumsetzer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (105) ausgelegt ist zum - Betreiben des Umgehungsschalters (S5) in einem linearen Modus mit einem variablen Durchlasswiderstand, insbesondere in Abhängigkeit von einem Pegel der zweiten Spannung und/oder in Abhängigkeit von einem Pegel eines Stroms durch den Umgehungsschalter (S5); oder - Betreiben des Umgehungsschalters (S5) in einem Pulsbreitenmodulationsmodus, wobei der Umgehungsschalter (S5) entweder vollständig geschlossen oder vollständig offen ist.
  11. Leistungsumsetzer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Folge von Betriebszuständen umfasst: - einen ersten Betriebszustand, in dem der erste Schalter (S1) geschlossen ist, der zweite Schalter (S2) geöffnet ist, der dritte Schalter (S3) geschlossen ist und der vierte Schalter (S4) geöffnet ist; und - einen zweiten Betriebszustand, in dem der erste Schalter (S1) geöffnet ist, der zweite Schalter (S2) geschlossen ist, der dritte Schalter (S3) offen ist und der vierte Schalter (S4) geschlossen ist.
  12. Leistungsumsetzer (100) nach Anspruch 11, wobei die Steuereinheit (105) dazu ausgelegt ist, einen Tastgrad des ersten und/oder zweiten Betriebszustands anzupassen, um eine Kondensatorspannung über dem Flying-Kondensator (CF) auf einen Kondensatorzielpegel zu regeln.
  13. Leistungsumsetzer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Folge von Betriebszuständen Folgendes umfasst: - einen dritten Betriebszustand, in dem der erste Schalter (S1) geschlossen ist, der zweite Schalter (S2) geschlossen ist, der dritte Schalter (S3) offen ist und der vierte Schalter (S4) offen ist; und/oder - einen vierten Betriebszustand, in dem der erste Schalter (S1) offen ist, der zweite Schalter (S2) offen ist, der dritte Schalter (S3) geschlossen ist und der vierte Schalter (S4) geschlossen ist.
  14. Leistungsumsetzer (100) nach Anspruch 13, wobei die Steuereinheit (105) dazu ausgelegt ist, einen Tastgrad des dritten und/oder vierten Betriebszustands anzupassen, um die zweite Spannung oder die zweiten Stromstärke auf den Zielpegel zu regeln.
  15. Leistungsumsetzer (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuereinheit (105) ausgelegt ist zum - Wiederholen der Folge von Betriebszuständen während des stationären Betriebs mit einer Zyklusrate; und/oder - Bestimmen einer Angabe eines Pegels der zweiten Spannung unter Verwendung von differenziellen Kelvin-Kontakten an einer Last, die von dem Leistungsumsetzer (100) versorgt wird; und/oder - Detektieren eines Auftretens einer Lasttransienten an dem zweiten Knoten basierend auf einer Angabe eines Pegels der zweiten Spannung.
  16. Verfahren (400) zum Betreiben eines Leistungsumsetzers (100), wobei der Leistungsumsetzer (100) dazu ausgelegt ist, zwischen einer ersten Stromstärke (IIN) bei einer ersten Spannung (VIN), die an einem ersten Knoten bereitgestellt sind, und einer zweiten Stromstärke (IOUT) bei einer zweiten Spannung (VOUT), die an einem zweiten Knoten bereitgestellt sind, umzusetzen; wobei die erste Spannung (VIN) und die zweite Spannung (VOUT) relativ zu einer Referenzspannung sind; wobei der Leistungsumsetzer (100) einen Flying-Kondensator (CF) und einen Induktor (L) umfasst; wobei ein zweiter Anschluss des Induktors (L) mit dem zweiten Knoten gekoppelt ist; wobei der Leistungsumsetzer (100) umfasst einen ersten Schalter (S1), der dazu ausgelegt ist, einen ersten Anschluss des Flying-Kondensators (CF) mit dem ersten Knoten zu koppeln oder davon zu entkoppeln; einen zweiten Schalter (S2), der dazu ausgelegt ist, den ersten Anschluss des Flying-Kondensators (CF) mit einem ersten Anschluss des Induktors (L) zu koppeln oder davon zu entkoppeln; einen dritten Schalter (S3), der dazu ausgelegt ist, einen zweiten Anschluss des Flying-Kondensators (CF) mit dem ersten Anschluss des Induktors (L) zu koppeln oder davon zu entkoppeln; einen vierten Schalter (S4), der dazu ausgelegt ist, den zweiten Anschluss des Flying-Kondensators (CF) mit dem Referenzpotential zu koppeln oder davon zu entkoppeln; und einen Umgehungsschalter (S5), der dazu ausgelegt ist, den zweiten Anschluss des Flying-Kondensators (CF) mit dem zweiten Knoten zu koppeln oder davon zu entkoppeln; wobei das Verfahren (400) Folgendes umfasst: - Steuern (401) des ersten, zweiten, dritten und vierten Schalters (S1, S2, S3, S4) während des stationären Betriebs in einer Folge von verschiedenen Betriebszuständen, um die zweite Spannung oder die zweite Stromstärke auf einen Zielpegel einzustellen; - Detektieren (402) eines Auftretens einer Lasttransienten an dem zweiten Knoten; und - als Antwort auf das Detektieren (402) des Auftretens einer Lasttransiente, zumindest teilweises Schließen (403) des Umgehungsschalters (S5), um zusätzlichen Strom von dem Flying-Kondensator (CF) zu dem zweiten Knoten zu liefern oder Strom von dem Induktor (L) in Richtung des Referenzpotentials abzuleiten.
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