DE102018222905A1 - Single Inductor Multiple Output-Regler mit hybrider Negativ- und Positivschienen-Generierung - Google Patents

Single Inductor Multiple Output-Regler mit hybrider Negativ- und Positivschienen-Generierung Download PDF

Info

Publication number
DE102018222905A1
DE102018222905A1 DE102018222905.8A DE102018222905A DE102018222905A1 DE 102018222905 A1 DE102018222905 A1 DE 102018222905A1 DE 102018222905 A DE102018222905 A DE 102018222905A DE 102018222905 A1 DE102018222905 A1 DE 102018222905A1
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
switching device
coupled
port
intermediate node
output
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
DE102018222905.8A
Other languages
English (en)
Inventor
Pier Cavallini
Nicola Macri
Kemal Ozanoglu
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Dialog Semiconductor UK Ltd
Original Assignee
Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Dialog Semiconductor UK Ltd filed Critical Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority to DE102018222905.8A priority Critical patent/DE102018222905A1/de
Priority to US16/528,914 priority patent/US10910947B2/en
Publication of DE102018222905A1 publication Critical patent/DE102018222905A1/de
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0083—Converters characterised by their input or output configuration
    • H02M1/009—Converters characterised by their input or output configuration having two or more independently controlled outputs
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0095—Hybrid converter topologies, e.g. NPC mixed with flying capacitor, thyristor converter mixed with MMC or charge pump mixed with buck

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Abstract

Es werden Gleichspannung-Gleichspannung-Regler zum Umwandeln einer Eingangsspannung an einem Eingangsport in eine oder mehrere Ausgangsspannungen an jeweiligen Ausgangsports und Verfahren für Betreiben solcher Spannungsregler beschrieben. Der Spannungsregler kann eine „high“-seitige Schaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem Eingangsport und einem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist. Der Spannungsregler kann ein induktives Element umfassen, das an einem Port mit dem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist. Der Spannungsregler kann auch ein kapazitives Element umfassen, das zwei Ports aufweist, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem zweiten Zwischenknoten gekoppelt sind, wobei einer seiner Ports mit dem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine negative Ausgangsschiene umfassen, die zwischen dem zweiten Zwischenknoten und einem der Ausgangsports gekoppelt ist, wobei die negative Ausgangsschiene eine „low“-seitige Schaltvorrichtung umfasst. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine Ladeschaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem anderen Port des kapazitiven Elements und einem vorgegebenen Spannungspegel gekoppelt ist, um das kapazitive Element zu laden, wenn die „high“-seitige Schaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung beide in einem EIN-Zustand sind.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Diese Offenbarung betrifft das Schalten von Gleichspannung-Gleichspannung-Reglern. Insbesondere betrifft die Offenbarung Single Inductor Multiple Output (SIMO)-Regler, die sowohl positive als auch negative Spannungsschienen haben.
  • Hintergrund
  • Aufgrund der zunehmenden Notwendigkeit, überflüssige Platinenkomponenten sowohl im Hinblick auf ihre Anzahl als auch auf ihre Größe zu reduzieren, damit die Hersteller intelligenter mobiler Lösungen zusätzliche Merkmale integrieren und die Materialkosten senken können, hat sich in der jüngeren Vergangenheit auf dem Markt für mobile Anwendungen eine erhöhte Nachfrage nach kompakten Spannungsreglern herausgebildet.
  • SIMO-Strukturen ziehen ein großes Interesse auf sich, weil eine einzelne Induktionsspule in einer kompakten Umgebung und unter einem variablen Schaltsteuerungsregime den Nutzen reduzierter Elektromagnetischer Interferenzen (EMI) und reduzierter Platinenfläche bietet. Jedoch bestehen Einschränkungen hinsichtlich der kleinstmöglichen Spulengröße, was hauptsächlich der maximalen Nennstromstärke der Spule geschuldet ist. Große Spulen vergrößern und verteuern eine bestimmte Anwendung.
  • Somit besteht Bedarf an Schalt-Gleichspannung-Gleichspannung-Reglern mit verbesserter Leistung, die kleinere Spulengrößen erlauben, aber auch eine Reduzierung der Spannungsbelastung der aktiven Schaltkomponenten ermöglichen, so dass weniger widerstandsfähige Vorrichtungen, die hinsichtlich der Siliziumfläche effizienter sind, verwendet werden können. Es besteht des Weiteren Bedarf an Verfahren zum Betreiben solcher Schalt-Gleichspannung-Gleichspannung-Regler.
  • Kurzdarstellung
  • In Anbetracht einiger oder aller dieser Erfordernisse schlägt die vorliegende Offenbarung einen Gleichspannung-Gleichspannung-Regler und ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers vor, der die Merkmale der jeweiligen unabhängigen Ansprüche aufweist.
  • Ein Aspekt der Offenbarung betrifft einen Gleichspannung-Gleichspannung-Regler zum Umwandeln einer Eingangsspannung an einem Eingangsport in eine oder mehrere Ausgangsspannungen an jeweiligen Ausgangsports. Der Spannungsregler kann eine „high“ - seitige Schaltvorrichtung umfassen. Der „high“-seitige Schalter kann zwischen dem Eingangsport und einem ersten Zwischenknoten gekoppelt sein. Der Spannungsregler kann des Weiteren ein induktives Element (zum Beispiel eine Induktionsspule) umfassen. Ein Port des induktiven Elements kann mit dem ersten Zwischenknoten gekoppelt sein. Der Spannungsregler kann des Weiteren ein kapazitives Element (zum Beispiel einen Kondensator) umfassen, der zwei Ports aufweist. Das kapazitive Element (Kondensator) kann als ein fliegender Kondensator oder ein schwimmender Kondensator bezeichnet werden. Das kapazitive Element kann zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem zweiten Zwischenknoten gekoppelt sein, wobei einer seiner Ports mit dem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine negative Ausgangsschiene umfassen, die zwischen dem zweiten Zwischenknoten und einem der Ausgangsports gekoppelt ist. Die negative Ausgangsschiene kann eine negative Spannung an dem jeweiligen Ausgangsport generieren. Die negative Spannung braucht zum Beispiel nur -23 V zu betragen, oder kann zum Beispiel in einem Bereich von -5 V bis -9 V liegen. Die negative Ausgangsschiene kann eine „low“-seitige Schaltvorrichtung umfassen. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine Ladeschaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem anderen Port des kapazitiven Elements und einem vorgegebenen Spannungspegel gekoppelt ist. Der vorgegebene Spannungspegel kann zum Beispiel VSS oder Erde (GND) sein. Allgemein ausgedrückt, kann die Ladeschaltvorrichtung dafür verwendet werden, das kapazitive Element zu laden, wenn die „high“-seitige Schaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung beide in einem EIN-Zustand (leitfähigen Zustand) sind. Alle in dieser Offenbarung angesprochenen Schaltvorrichtungen können Transistorvorrichtungen sein, wie zum Beispiel MOSFETs.
  • Erfolgt die Konfiguration in der vorgeschlagenen Weise, so kann der Spannungsabfall an dem induktiven Element während des Schaltens reduziert werden. Dementsprechend wird das Stromgefälle des Entladens an dem induktiven Element ebenfalls verringert. Es ist anzumerken, dass dies nicht nur für eine SIMO-Topologie (mit mehreren Ausgangsschienen) gilt, sondern im Allgemeinen auch für eine einzelne Ausgangsschiene. Folglich hilft dies, die Verwendung kleinerer Spulen zu ermöglichen und die Leistungswandlungseffizienz zu steigern. Darüber hinaus hilft die vorgeschlagene Struktur durch Reduzieren des Spannungsabfalls an der Schaltvorrichtung der negativen Schiene, die Notwendigkeit von Kaskadenvorrichtungen zu beseitigen, was normalerweise zu steigender Leistungseffizienz und mehr Siliziumfläche führt, und die Körperdiodenleitung der Schaltvorrichtung der Ausgangsschiene zu beseitigen (oder zu verringern), wodurch die Verluste vermieden werden, die im Zusammenhang mit der Erholungsladung stehen, um die Leistungswandlungseffizienz zu beeinflussen. Durch Reduzieren des Spannungsabfalls an der Schaltvorrichtung der (negativen) Ausgangsschiene erlaubt es die vorgeschlagene Struktur außerdem, den Ausgangsspannungsbereich weiter auf Werte auszudehnen, die jenseits der typischen Prozessgrenzen liegen.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Spannungsregler eine oder mehrere weitere negative Ausgangsschienen umfassen. Jede der einen oder der mehreren weiteren negativen Ausgangsschienen kann eine jeweilige „low“-seitige Schaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem zweiten Zwischenknoten und einem jeweiligen Ausgangsport gekoppelt ist. Die eine oder die mehreren negativen Ausgangsschienen können jeweilige negative Spannungen an den jeweiligen Ausgangsport generieren.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Spannungsregler des Weiteren ein oder mehrere zweite kapazitive Elemente (zum Beispiel Kondensatoren) umfassen. Des Weiteren kann der Spannungsregler für jedes des einen oder der mehreren zweiten kapazitiven Elemente eine jeweilige Zwischenschaltvorrichtung, eine jeweilige Umgehungsschaltvorrichtung und eine jeweilige zweite Ladeschaltvorrichtung umfassen. Insbesondere können die Zwischenschaltvorrichtungen und die zweiten kapazitiven Elemente abwechselnd zwischen dem anderen Port des kapazitiven Elements und dem zweiten Zwischenknoten in Reihe geschaltet sein. Des Weiteren kann jede der Umgehungsschaltvorrichtungen zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem Port des jeweiligen zweiten kapazitiven Elements, der mit der jeweiligen Zwischenschaltvorrichtung gekoppelt ist, gekoppelt sein. Des Weiteren kann jede der zweiten Ladeschaltvorrichtungen zwischen dem anderen Port des jeweiligen zweiten kapazitiven Elements und dem vorgegebenen Spannungspegel gekoppelt sein. Erfolgt die Konfiguration in dieser Weise, so kann das jeweilige zweite kapazitive Element geladen werden, wenn die „high“-seitige Schaltvorrichtung, die jeweilige Umgehungsschaltvorrichtung und die jeweilige zweite Ladevorrichtung alle im EIN-Zustand (leitfähigen Zustand) sind.
  • Durch die Verwendung mehrerer (fliegender) Kondensatoren, die in Reihe geschaltet sind, kann der Spannungsabfall an der Spule des induktiven Elements während der Entmagnetisierungsphase weiter reduziert werden, wenn die (negative) Ausgangsspannung generiert wird. Die tatsächliche Konfiguration des Spannungsreglers (zum Beispiel die Anzahl von Stufen von Kondensatoren, Umgehungsschaltvorrichtungen, Zwischenschaltvorrichtungen und Ladeschaltvorrichtungen) kann in Abhängigkeit von verschiedenen Implementierungsumständen bestimmt werden, wie der Fachmann weiß.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Spannungsregler des Weiteren einen Zwischen-Ausgangsport umfassen, der mit dem anderen Port eines des einen oder der mehreren zweiten kapazitiven Elemente gekoppelt ist. Erfolgt die Konfiguration in dieser Weise, so kann eine Zwischen-Ausgangsspannung an dem Zwischen-Ausgangsport bereitgestellt werden. Oder anders ausgedrückt: Die Zwischenspannung kann durch Abgreifen des Zwischen-Ausgangsports (der mit einem Port jedes kapazitiven Elements gekoppelt sein kann) bereitgestellt werden. Die Zwischen-Ausgangsspannung kann eine andere sein als die Ausgangsspannungen an jeweiligen Ausgangsschienen. Insbesondere ist der absolute Wert (d. h. Modul) der (negativen) Zwischen-Ausgangsspannung niedriger als der absolute Wert der maximalen negativen Ausgangsspannung unter den mehreren negativen Ausgangsschienen.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Spannungsregler des Weiteren eine „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfassen die zwischen dem anderen Port des induktiven Elements und dem vorgegebenen Spannungspegel (zum Beispiel VSS oder GND) gekoppelt ist. Des Weiteren kann der Spannungsregler eine positive Ausgangsschiene umfassen, die zwischen einem jeweiligen Ausgangsport und einem dritten Zwischenknoten gekoppelt ist. Der dritte Zwischenknoten kann zwischen dem anderen Port des induktiven Elements und der „low“-seitigen Verstärkungsschaltvorrichtung angeordnet sein. Die positive Ausgangsschiene kann eine „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfassen. Insbesondere kann die positive Ausgangsschiene eine positive Ausgangsspannung an dem jeweiligen Ausgangsport generieren.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Spannungsregler eine oder mehrere weitere positive Ausgangsschienen umfassen. Jede der einen oder der mehreren weiteren positiven Ausgangsschienen kann eine jeweilige „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem dritten Zwischenknoten und einem jeweiligen Ausgangsport gekoppelt ist. Die eine oder die mehreren positiven Ausgangsschienen können jeweilige positive Spannungen an den jeweiligen Ausgangsport generieren.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Spannungsregler des Weiteren eine erste Schaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem einen Port des kapazitiven Elements und dem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist. Die erste Schaltvorrichtung kann dafür verwendet werden, den einen Port des kapazitiven Elements schaltfähig mit dem ersten Zwischenknoten zu verbinden. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine zweite Schaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem einen Port des kapazitiven Elements und dem Ausgangsport der positiven Ausgangsschiene gekoppelt ist. Die zweite Schaltvorrichtung kann dafür verwendet werden, den einen Port des kapazitiven Elements schaltfähig mit dem Ausgangsport der positiven Ausgangsschiene zu verbinden.
  • In einigen Ausführungsformen kann die „low“-seitige Schaltvorrichtung der jeweiligen negativen Ausgangsschiene durch zwei Transistoren (zum Beispiel MOSFETs) gebildet werden, die in einer Back-to-Back-Konfiguration in Reihe geschaltet sind. In den Beispielen des MOSFET kann sich die Back-to-Back-Konfiguration auf die Konfiguration beziehen, bei der der Drain-Anschluss eines MOSFET (direkt) mit dem Source-Anschluss des anderen MOSFET verbunden ist, oder umgekehrt. Erfolgt die Konfiguration in dieser Weise, so kann der Kreuzleitungseffekt zwischen (negativen) mehreren Ausgangsschienen vermieden (reduziert) werden. Eine ähnliche Back-to-Back-Konfiguration kann auch auf die positiven Ausgangsschienen angewendet werden. Das heißt, die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung der jeweiligen positiven Ausgangsschiene kann auch durch zwei Transistoren in der Back-to-Back-Konfiguration gebildet werden, um die Kreuzleitung zwischen mehreren (positiven) Ausgangsschienen zu vermeiden (zu reduzieren).
  • Ein weiterer Aspekt der Offenbarung betrifft einen Gleichspannung-Gleichspannung-Regler zum Umwandeln einer Eingangsspannung an einem Eingangsport in eine oder mehrere Ausgangsspannungen an jeweiligen Ausgangsports. Der Spannungsregler kann eine „high“-seitige Schaltvorrichtung umfassen. Die „high“-seitige Schaltvorrichtung kann zwischen dem Eingangsport und einem ersten Zwischenknoten gekoppelt sein. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine erste Schaltvorrichtung, ein kapazitives Element (zum Beispiel einen Kondensator) und eine Ladeschaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem ersten vorgegebenen Spannungspegel in Reihe geschaltet sind. Das kapazitive Element (Kondensator) kann als ein fliegender Kondensator oder ein schwimmender Kondensator bezeichnet werden. Der vorgegebene Spannungspegel kann zum Beispiel VSS oder Erde (GND) sein. Der Spannungsregler kann des Weiteren ein induktives Element (zum Beispiel eine Induktionsspule) und eine „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und dem ersten vorgegebenen Spannungspegel in Reihe geschaltet sind. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine negative Ausgangsschiene umfassen. Die negative Ausgangsschiene kann zwischen einem ersten Ausgangsport und einem zweiten Zwischenknoten gekoppelt sein. Der zweite Zwischenknoten kann zwischen einem Port des kapazitiven Elements und der Ladeschaltvorrichtung angeordnet sein. Die negative Ausgangsschiene kann eine „low“-seitige Schaltvorrichtung umfassen. Die negative Ausgangsschiene kann eine negative Spannung an dem jeweiligen Ausgangsport generieren. Die negative Spannung braucht zum Beispiel nur -23 V zu betragen, oder kann zum Beispiel in einem Bereich von -5 V bis -9 V liegen. Außerdem kann der Spannungsregler des Weiteren eine positive Ausgangsschiene umfassen. Die positive Ausgangsschiene kann zwischen einem zweiten Ausgangsport und einem dritten Zwischenknoten gekoppelt sein. Der dritte Zwischenknoten kann zwischen dem induktiven Element und der „low“-seitigen Verstärkungsschaltvorrichtung angeordnet sein. Die positive Ausgangsschiene kann eine „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfassen. Die positive Ausgangsschiene kann eine positive Ausgangsspannung an dem jeweiligen Ausgangsport generieren. Des Weiteren kann der Spannungsregler eine zweite Schaltvorrichtung umfassen. Die zweite Schaltvorrichtung kann zwischen einem zweiten Spannungspegel und dem anderen Port des kapazitiven Elements gekoppelt sein. Insbesondere kann der zweite Spannungspegel höher sein als der erste vorgegebene Spannungspegel.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Spannungsregler des Weiteren ein zweites kapazitives Element (zum Beispiel einen zweiten Kondensator) umfassen. Das zweite kapazitive Element (Kondensator) kann als ein zweiter fliegender Kondensator oder ein zweiter schwimmender Kondensator bezeichnet werden. Das zweite kapazitive Element kann zwischen dem dritten Zwischenknoten und der positiven Ausgangsschiene gekoppelt sein. Ein vierter Zwischenknoten kann zwischen dem zweiten kapazitiven Element und der positiven Ausgangsschiene angeordnet sein. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine dritte Schaltvorrichtung umfassen. Die dritte Schaltvorrichtung kann zwischen dem Eingangsport und dem vierten Zwischenknoten gekoppelt sein.
  • In einigen Ausführungsformen ist der zweite Spannungspegel die jeweilige Ausgangsspannung an dem Ausgangsport der positiven Ausgangsschiene. In diesem Fall kann die zweite Schaltvorrichtung zwischen dem Ausgangsport der jeweiligen Ausgangsschiene und dem anderen Port des kapazitiven Elements gekoppelt sein.
  • In einigen Ausführungsformen kann der zweite Spannungspegel eine externe (Hilfs-) Versorgungsspannung sein. Die externe Versorgungsspannung kann eine andere sein als die Eingangsspannung und die positive Ausgangsspannung. Insbesondere ist der zweite Spannungspegel niedriger als der absolute Wert der maximalen negativen Ausgangsspannung, die generiert werden muss.
  • Erfolgt die Konfiguration in der vorgeschlagenen Weise, so kann ein geringerer Spannungsabfall an der Spule des induktiven Elements während der Entmagnetisierungsphase verwendet werden, wenn die (negative) Ausgangsspannung generiert wird, wodurch die Systemleistung weiter verbessert wird.
  • In einigen Ausführungsformen kann die „low“-seitige Schaltvorrichtung der jeweiligen negativen Ausgangsschiene durch zwei Transistoren (zum Beispiel MOSFETs) gebildet werden, die in einer Back-to-Back-Konfiguration in Reihe geschaltet sind. In den Beispielen des MOSFET kann sich die Back-to-Back-Konfiguration auf die Konfiguration beziehen, bei der der Drain-Anschluss eines MOSFET (direkt) mit dem Source-Anschluss des anderen MOSFET verbunden ist, oder umgekehrt. Erfolgt die Konfiguration in dieser Weise, so kann der Kreuzleitungseffekt zwischen (negativen) mehreren Ausgangsschienen vermieden (reduziert) werden. Eine ähnliche Back-to-Back-Konfiguration kann auch auf die positiven Ausgangsschienen angewendet werden. Das heißt, die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung der jeweiligen positiven Ausgangsschiene kann auch durch zwei Transistoren in der Back-to-Back-Konfiguration gebildet werden, um die Kreuzleitung zwischen mehreren (positiven) Ausgangsschienen zu vermeiden (zu reduzieren).
  • Ein weiterer Aspekt der Offenbarung betrifft einen Gleichspannung-Gleichspannung-Regler zum Umwandeln einer Eingangsspannung an einem Eingangsport in eine oder mehrere Ausgangsspannungen an jeweiligen Ausgangsports. Der Spannungsregler kann eine „high“-seitige Schaltvorrichtung umfassen. Die „high“-seitige Schaltvorrichtung kann zwischen dem Eingangsport und einem ersten Zwischenknoten gekoppelt sein. Der Spannungsregler kann des Weiteren ein induktives Element (zum Beispiel eine Induktionsspule) und ein kapazitives Element (zum Beispiel einen Kondensator) umfassen, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem zweiten Zwischenknoten in Reihe geschaltet sind. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine oder mehrere positive Ausgangsschienen umfassen. Jede der einen oder der mehreren positiven Ausgangsschienen kann zwischen dem zweiten Zwischenknoten und einem jeweiligen Ausgangsport gekoppelt sein und kann eine jeweilige „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfassen. Die eine oder die mehreren positiven Ausgangsschienen können jeweilige positive Ausgangsspannungen an jeweiligen Ausgangsports generieren. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine Schaltvorrichtung umfassen. Die Schaltvorrichtung kann zwischen dem Eingangsport und dem zweiten Zwischenknoten gekoppelt sein. Des Weiteren kann der Spannungsregler eine Ladeschaltvorrichtung umfassen. Die Ladeschaltvorrichtung kann zwischen einem ersten vorgegebenen Spannungspegel und einem dritten Zwischenknoten gekoppelt sein. Der dritte Zwischenknoten kann zwischen dem induktiven Element und dem kapazitiven Element angeordnet sein. Der (erste) vorgegebene Spannungspegel kann zum Beispiel VSS oder Erde (GND) sein. Insbesondere kann die Ladeschaltvorrichtung dafür verwendet werden, das kapazitive Element zu laden, wenn die Schaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung beide in einem EIN-Zustand sind.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Spannungsregler des Weiteren eine zweite Schaltvorrichtung, ein zweites kapazitives Element (zum Beispiel einen Kondensator) und eine zweite Ladeschaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und dem ersten vorgegebenen Spannungspegel in Reihe geschaltet sind. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine dritte Schaltvorrichtung umfassen, die zwischen einem zweiten Spannungspegel und einem vierten Zwischenknoten gekoppelt ist. Der vierte Zwischenknoten kann zwischen der zweiten Schaltvorrichtung und einem Port des zweiten kapazitiven Elements angeordnet sein. Der zweite Spannungspegel kann höher sein als der (erste) vorgegebene Spannungspegel. Außerdem kann der Spannungsregler des Weiteren eine oder mehrere negative Ausgangsschienen umfassen, die zwischen dem anderen Port des zweiten kapazitiven Elements und den jeweiligen Ausgangsport gekoppelt sind, wobei jede eine jeweilige „low“-seitige Schaltvorrichtung umfasst. Die eine oder die mehreren negativen Ausgangsschienen können jeweilige negative Ausgangsspannungen an jeweiligen Ausgangsports generieren.
  • In einigen Ausführungsformen ist der zweite Spannungspegel die jeweilige Ausgangsspannung an dem Ausgangsport der positiven Ausgangsschiene. In diesem Fall kann die zweite Schaltvorrichtung zwischen dem Ausgangsport der jeweiligen Ausgangsschiene und dem anderen Port des kapazitiven Elements gekoppelt sein.
  • In einigen Ausführungsformen kann der zweite Spannungspegel eine externe (Hilfs-) Versorgungsspannung sein. Die externe Versorgungsspannung kann eine andere sein als die Eingangsspannung. Insbesondere ist der zweite Spannungspegel niedriger als der absolute Wert der maximalen negativen Ausgangsspannung, die generiert werden muss.
  • In einigen Ausführungsformen kann die „low“-seitige Schaltvorrichtung der jeweiligen negativen Ausgangsschiene durch zwei Transistoren (zum Beispiel MOSFETs) gebildet werden, die in einer Back-to-Back-Konfiguration in Reihe geschaltet sind. In den Beispielen des MOSFET kann sich die Back-to-Back-Konfiguration auf die Konfiguration beziehen, bei der der Drain-Anschluss eines MOSFET (direkt) mit dem Source-Anschluss des anderen MOSFET verbunden ist, oder umgekehrt. Erfolgt die Konfiguration in dieser Weise, so kann der Kreuzleitungseffekt zwischen (negativen) mehreren Ausgangsschienen vermieden (reduziert) werden. Eine ähnliche Back-to-Back-Konfiguration kann auch auf die positiven Ausgangsschienen angewendet werden. Das heißt, die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung der jeweiligen positiven Ausgangsschiene kann auch durch zwei Transistoren in der Back-to-Back-Konfiguration gebildet werden, um die Kreuzleitung zwischen mehreren (positiven) Ausgangsschienen zu vermeiden (zu reduzieren).
  • Ein weiterer Aspekt der Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers zum Umwandeln einer Eingangsspannung an einem Eingangsport in eine oder mehrere Ausgangsspannungen jeweils an jeweiligen Ausgangsports. Der Spannungsregler kann eine „high“-seitige Schaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem Eingangsport und einem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist. Der Spannungsregler kann des Weiteren ein induktives Element (zum Beispiel eine Induktionsspule) umfassen, das an einem Port mit dem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist. Der Spannungsregler kann des Weiteren ein kapazitives Element (zum Beispiel einen Kondensator) umfassen, das zwei Ports aufweist, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem zweiten Zwischenknoten gekoppelt sind, wobei einer seiner Ports mit dem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine negative Ausgangsschiene umfassen, die zwischen dem zweiten Zwischenknoten und einem der Ausgangsports gekoppelt ist. Die negative Ausgangsschiene kann eine „low“-seitige Schaltvorrichtung umfassen und kann eine negative Spannung an dem jeweiligen Ausgangsport generieren. Des Weiteren kann der Spannungsregler auch eine Ladeschaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem anderen Port des kapazitiven Elements und einem vorgegebenen Spannungspegel gekoppelt ist. Der vorgegebene Spannungspegel kann zum Beispiel VSS oder Erde (GND) sein. Erfolgt die Konfiguration in dieser Weise, so kann das Verfahren eine erste Betriebsphase und eine zweite Betriebsphase umfassen. In der ersten Betriebsphase können die „high“-seitige Schaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung beide in einen EIN-Zustand (leitfähigen Zustand) geschaltet werden, und die „low“-seitige Schaltvorrichtung kann in einen AUS-Zustand (Nichtleitfähigen Zustand) geschaltet werden. Während der ersten Betriebsphase kann das kapazitive Element geladen werden. In der zweiten Betriebsphase können die „high“-seitige und die Ladeschaltvorrichtung beide in den AUS-Zustand geschaltet werden, und die „low“-seitige Schaltvorrichtung kann in den EIN-Zustand geschaltet werden. Während der zweiten Betriebsphase kann eine Ausgangsspannung an dem Ausgangsport der jeweiligen (negativen) Ausgangsschiene generiert werden. Die generierte Ausgangsspannung kann eine negative Ausgangsspannung sein.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Spannungsregler eine oder mehrere weitere negative Ausgangsschienen umfassen. Jede der einen oder der mehreren weiteren negativen Ausgangsschienen kann eine jeweilige „low“-seitige Schaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem zweiten Zwischenknoten und einem jeweiligen Ausgangsport gekoppelt ist. Die eine oder die mehreren negativen Ausgangsschienen können jeweilige negative Spannungen an den jeweiligen Ausgangsport generieren. Erfolgt die Konfiguration in dieser Weise, so kann das Verfahren des Weiteren in der zweiten Betriebsphase umfassen, die „high“-seitige und die Ladeschaltvorrichtung in den AUS-Zustand zu schalten und eine der „low“-seitigen Schaltvorrichtungen in den EIN-Zustand zu schalten. Auf diese Weise kann eine Ausgangsspannung an dem jeweiligen Ausgangsport der negativen Ausgangsschiene der einen der „low“-seitigen Schaltvorrichtungen während der zweiten Betriebsphase generiert werden. Die generierte Ausgangsspannung kann eine negative Ausgangsspannung sein.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Spannungsregler des Weiteren ein oder mehrere zweite kapazitive Elemente (zum Beispiel Kondensatoren) umfassen. Des Weiteren kann er für jedes des einen oder der mehreren zweiten kapazitiven Elemente eine jeweilige Zwischenschaltvorrichtung, eine jeweilige Umgehungsschaltvorrichtung und eine jeweilige zweite Ladeschaltvorrichtung umfassen. Insbesondere können die Zwischenschaltvorrichtungen und die zweiten kapazitiven Elemente zwischen dem anderen Port des kapazitiven Elements und dem zweiten Zwischenknoten abwechselnd in Reihe geschaltet sein. Des Weiteren kann jede der Umgehungsschaltvorrichtungen zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem Port des jeweiligen zweiten kapazitiven Elements, der mit der jeweiligen Zwischenschaltvorrichtung gekoppelt ist, gekoppelt sein. Des Weiteren kann jede der zweiten Ladeschaltvorrichtungen zwischen dem anderen Port des jeweiligen zweiten kapazitiven Elements und dem vorgegebenen Spannungspegel gekoppelt sein. Erfolgt die Konfiguration in dieser Weise, so kann das Verfahren des Weiteren umfassen, für ein bestimmtes unter dem einen oder den mehreren zweiten kapazitiven Elementen, die jeweilige zweite Ladeschaltvorrichtung und die jeweilige Umgehungsschaltvorrichtung in der ersten Betriebsphase in den EIN-Zustand zu schalten. Auf diese Weise kann das bestimmte zweite kapazitive Element während der ersten Betriebsphase geladen werden. Das Verfahren kann des Weiteren umfassen, die jeweilige Zwischenschaltvorrichtung, die mit dem bestimmten zweiten kapazitiven Element gekoppelt ist, in der zweiten Betriebsphase in den EIN-Zustand zu schalten und die jeweilige zweite Ladeschaltvorrichtung und die jeweilige Umgehungsschaltvorrichtung in den AUS-Zustand zu schalten. Während der zweiten Betriebsphase kann eine Ausgangsspannung an dem Ausgangsport der jeweiligen (negativen) Ausgangsschiene generiert werden. Die generierte Ausgangsspannung kann eine negative Ausgangsspannung sein.
  • Durch die Verwendung mehrerer (fliegender) Kondensatoren, die in Reihe geschaltet sind, kann der Spannungsabfall an der Spule des induktiven Elements während der zweiten Betriebsphase (Entmagnetisierungsphase) weiter reduziert werden, wenn die (negative) Ausgangsspannung generiert wird. Wie in der detaillierten Beschreibung veranschaulicht wird, kann die tatsächliche Konfiguration des Spannungsreglers (zum Beispiel die Anzahl der Stufen von Kondensatoren, Umgehungsschaltvorrichtungen, Zwischenschaltvorrichtungen und Ladeschaltvorrichtungen) in Abhängigkeit von verschiedenen Implementierungsumständen bestimmt werden, wie der Fachmann weiß.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Spannungsregler des Weiteren einen Zwischen-Ausgangsport umfassen, der mit dem anderen Port eines des einen oder der mehreren zweiten kapazitiven Elemente gekoppelt ist. Erfolgt die Konfiguration in dieser Weise, so kann das Verfahren des Weiteren das Bereitstellen einer Zwischen-Ausgangsspannung an dem Zwischen-Ausgangsport umfassen. Die Zwischen-Ausgangsspannung kann eine andere sein als die Ausgangsspannungen an jeweiligen Ausgangsschienen. Insbesondere der absolute Wert (d. h. Modul) der (negativen) Zwischen-Ausgangsspannung ist niedriger als der absolute Wert der maximalen negativen Ausgangsspannung unter den mehreren negativen Ausgangsschienen.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Spannungsregler des Weiteren eine „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem anderen Port des induktiven Elements und dem vorgegebenen Spannungspegel (zum Beispiel VSS oder GND) gekoppelt ist. Des Weiteren kann der Spannungsregler eine positive Ausgangsschiene umfassen, die zwischen einem jeweiligen Ausgangsport und einem dritten Zwischenknoten gekoppelt ist. Der dritte Zwischenknoten kann zwischen dem anderen Port des induktiven Elements und der „low“-seitigen Verstärkungsschaltvorrichtung angeordnet sein. Die positive Ausgangsschiene kann eine „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfassen. Erfolgt die Konfiguration in dieser Weise, so kann das Verfahren des Weiteren umfassen, die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung in den EIN-Zustand zu schalten und die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung in den AUS-Zustand zu schalten, und zwar sowohl in der ersten als auch in der zweiten Betriebsphase.
  • In einigen Ausführungsformen kann das Verfahren des Weiteren eine dritte Betriebsphase und eine vierte Betriebsphase umfassen. Insbesondere können die „high“-seitige Schaltvorrichtung und die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung in der dritten Betriebsphase in den EIN-Zustand geschaltet werden, und die „low“-seitige Schaltvorrichtung, die Ladeschaltvorrichtung und die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung können in den AUS-Zustand geschaltet werden. Des Weiteren kann in der vierten Betriebsphase die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung in den AUS-Zustand geschaltet werden, und die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung kann in den EIN-Zustand geschaltet werden. Auf diese Weise kann eine positive Ausgangsspannung an dem jeweiligen Ausgangsport der jeweiligen (positiven) Ausgangsschiene generiert werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers zum Umwandeln einer Eingangsspannung an einem Eingangsport in eine oder mehrere Ausgangsspannungen jeweils an jeweiligen Ausgangsports. Der Spannungsregler kann eine „high“-seitige Schaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem Eingangsport und einem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine erste Schaltvorrichtung, ein kapazitives Element (zum Beispiel einen Kondensator) und eine Ladeschaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem ersten vorgegebenen Spannungspegel in Reihe geschaltet sind. Das kapazitive Element (Kondensator) kann als ein (erster) fliegender Kondensator oder ein schwimmender Kondensator bezeichnet werden. Der vorgegebene Spannungspegel kann zum Beispiel VSS oder Erde (GND) sein. Der Spannungsregler kann des Weiteren ein induktives Element (zum Beispiel eine Induktionsspule) und eine „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und dem ersten vorgegebenen Spannungspegel in Reihe geschaltet sind. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine negative Ausgangsschiene umfassen, die zwischen einem ersten Ausgangsport und einem zweiten Zwischenknoten gekoppelt ist, der zwischen einem Port des kapazitiven Elements und der Ladeschaltvorrichtung angeordnet. Die negative Ausgangsschiene kann eine „low“-seitige Schaltvorrichtung umfassen. Außerdem kann der Spannungsregler des Weiteren eine positive Ausgangsschiene umfassen, die zwischen einem zweiten Ausgangsport und einem dritten Zwischenknoten gekoppelt ist, der zwischen dem induktiven Element und der „low“-seitigen Verstärkungsschaltvorrichtung angeordnet ist. Die positive Ausgangsschiene kann eine „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfassen. Des Weiteren kann der Spannungsregler eine zweite Schaltvorrichtung umfassen, die zwischen einem zweiten Spannungspegel und dem anderen Port des kapazitiven Elements gekoppelt ist. Insbesondere kann der zweite Spannungspegel höher sein als der erste vorgegebene Spannungspegel. Erfolgt die Konfiguration in dieser Weise, so kann das Verfahren eine erste Betriebsphase und eine zweite Betriebsphase umfassen. In der ersten Betriebsphase können die „high“-seitige Schaltvorrichtung, die zweite Schaltvorrichtung, die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung in einen EIN-Zustand geschaltet werden, und die erste Schaltvorrichtung, die „low“-seitige Schaltvorrichtung und die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung können in einen AUS-Zustand geschaltet werden. Des Weiteren können in der zweiten Betriebsphase die erste Schaltvorrichtung, die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung und die „low“-seitige Schaltvorrichtung in den EIN-Zustand geschaltet werden, und die „high“-seitige Schaltvorrichtung, die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung, die zweite Schaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung können in den AUS-Zustand geschaltet werden. Auf diese Weise kann die negative Ausgangsschiene eine negative Spannung an dem jeweiligen Ausgangsport generieren. Die negative Spannung braucht zum Beispiel nur -23 V zu betragen, oder kann zum Beispiel in einem Bereich von -5 V bis -9 V liegen.
  • Erfolgt die Konfiguration in der vorgeschlagenen Weise, so kann ein geringerer Spannungsabfall an der Spule des induktiven Elements während der Entmagnetisierungsphase verwendet werden, wenn die (negative) Ausgangsspannung generiert wird, wodurch die Systemleistung weiter verbessert wird.
  • Ein weiterer Aspekt der Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers zum Umwandeln einer Eingangsspannung an einem Eingangsport in eine oder mehrere Ausgangsspannungen jeweils an jeweiligen Ausgangsports. Der Spannungsregler kann eine „high“-seitige Schaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem Eingangsport und einem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist. Der Spannungsregler kann des Weiteren ein induktives Element (zum Beispiel eine Induktionsspule) und ein kapazitives Element (zum Beispiel einen Kondensator) umfassen, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem zweiten Zwischenknoten in Reihe geschaltet sind. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine oder mehrere positive Ausgangsschienen umfassen, die jeweils zwischen dem zweiten Zwischenknoten und einem jeweiligen Ausgangsport gekoppelt sind und eine jeweilige „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfassen. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine Schaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem Eingangsport und dem zweiten Zwischenknoten gekoppelt ist. Des Weiteren kann der Spannungsregler eine Ladeschaltvorrichtung umfassen, die zwischen einem ersten vorgegebenen Spannungspegel und einem dritten Zwischenknoten gekoppelt ist, der zwischen dem induktiven Element und dem kapazitiven Element angeordnet. Der erste vorgegebene Spannungspegel kann zum Beispiel VSS oder Erde (GND) sein. Erfolgt die Konfiguration in dieser Weise, so kann das Verfahren eine erste Betriebsphase und eine zweite Betriebsphase umfassen. In der ersten Betriebsphase können die Schaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung in einen EIN-Zustand geschaltet werden, und alle „high“-seitigen Verstärkungsschaltvorrichtungen können in einen AUS-Zustand geschaltet werden. Des Weiteren können in der zweiten Betriebsphase die „high“-seitige und eine ausgewählte „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung der einen oder der mehreren positiven Ausgangsschienen in den EIN-Zustand geschaltet werden, und die Schaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung können in den AUS-Zustand geschaltet werden. Auf diese Weise kann die positive Ausgangsschiene eine positive Spannung an dem jeweiligen Ausgangsport generieren.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Spannungsregler des Weiteren eine zweite Schaltvorrichtung, ein zweites kapazitives Element (zum Beispiel einen Kondensator) und eine zweite Ladeschaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und dem ersten vorgegebenen Spannungspegel in Reihe geschaltet sind. Der Spannungsregler kann des Weiteren eine dritte Schaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem jeweiligen Ausgangsport einer der positiven Ausgangsschienen und einem vierten Zwischenknoten gekoppelt ist, der zwischen der zweiten Schaltvorrichtung und einem Port des zweiten kapazitiven Elements angeordnet ist. Außerdem kann der Spannungsregler des Weiteren eine oder mehrere negative Ausgangsschienen umfassen, die zwischen dem anderen Port des zweiten kapazitiven Elements und den jeweiligen Ausgangsport gekoppelt sind, wobei jede eine jeweilige „low“-seitige Schaltvorrichtung umfasst. Erfolgt die Konfiguration in dieser Weise, so kann das Verfahren des Weiteren eine dritte Betriebsphase und eine vierte Betriebsphase umfassen. Insbesondere können in der dritten Betriebsphase die „high“-seitige Schaltvorrichtung, die dritte Schaltvorrichtung, die erste Ladeschaltvorrichtung und die zweite Ladeschaltvorrichtung in den EIN-Zustand geschaltet werden, und alle anderen Schaltvorrichtungen können in den AUS-Zustand geschaltet werden. Des Weiteren können in der vierten Betriebsphase die zweite Schaltvorrichtung, die erste Ladeschaltvorrichtung und eine der „low“-seitigen Schaltvorrichtungen in den EIN-Zustand geschaltet werden, und alle anderen Schaltvorrichtungen können in den AUS-Zustand geschaltet werden. Auf diese Weise kann eine negative Ausgangsspannung an dem jeweiligen Ausgangsport der jeweiligen (negativen) Ausgangsschiene generiert werden.
  • Erfolgt die Konfiguration in der vorgeschlagenen Weise, so kann ein geringerer Spannungsabfall an der Spule des induktiven Elements während der Entmagnetisierungsphase verwendet werden, wenn die (negative) Ausgangsspannung generiert wird, wodurch die Systemleistung weiter verbessert wird.
  • Die Details des offenbarten Verfahrens können als eine Vorrichtung implementiert werden, die dafür ausgelegt ist, einige oder alle der Schritte des Verfahrens auszuführen, und umgekehrt, wie der Fachmann weiß. Insbesondere versteht es sich, dass Verfahren gemäß der Offenbarung Verfahren zum Betreiben der Schaltkreise gemäß den obigen Ausführungsformen und Variationen davon betreffen, und dass jeweilige Aussagen, die mit Bezug auf die Schaltkreise getroffen werden, gleichermaßen für die entsprechenden Verfahren gelten.
  • Es versteht sich außerdem, dass sich im vorliegenden Dokument der Begriff „koppeln“ oder „gekoppelt“ auf Elemente bezieht, die in elektrischer Verbindung miteinander stehen, sei es direkt beispielsweise über Drähte verbunden oder in einer anderen Weise (zum Beispiel indirekt). Genauer gesagt, ist ein Beispiel für „Gekoppeltsein“ eine Verbindung.
  • Figurenliste
  • Beispielhafte Ausführungsformen der Offenbarung werden unten mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, wobei gleiche Bezugszahlen gleiche oder ähnliche Elemente bezeichnen, und wobei Folgendes zu sehen ist:
    • 1 veranschaulicht schematisch ein Beispiel eines SIMO-Reglers mit einer positiven und einer negativen Ausgangsspannungsschiene,
    • 2 veranschaulicht schematisch ein Beispiel von Steuersignal-Wellenformen des SIMO-Reglers von 1,
    • 3 veranschaulicht schematisch ein Beispiel eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers mit einer negativen Ausgangsschiene und einer positiven Ausgangsschiene gemäß Ausführungsformen der Offenbarung,
    • 4 veranschaulicht schematisch ein Beispiel von Simulationsergebnissen des Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers von 3,
    • 5 veranschaulicht schematisch ein Beispiel eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers mit einer einzelnen negativen Ausgangsschiene gemäß Ausführungsformen der Offenbarung,
    • 6 veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer Erweiterung des Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers von 5 auf mehrere Stufen,
    • 7 veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer Erweiterung des Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers von 3 auf mehrere Stufen, mehrere negative Ausgangsschienen und mehrere positive Ausgangsschienen,
    • 8 veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer Erweiterung des Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers von 5 auf mehrere negative Ausgangsschienen,
    • 9 veranschaulicht schematisch ein Beispiel von Wellenformen des Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers von 8,
    • 10 veranschaulicht schematisch ein weiteres Beispiel eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers mit einer negativen Ausgangsschiene und einer positiven Ausgangsschiene gemäß Ausführungsformen der Offenbarung,
    • 11 veranschaulicht schematisch ein Beispiel eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers mit mehreren positiven Ausgangsschienen gemäß Ausführungsformen der Offenbarung,
    • 12 veranschaulicht schematisch ein weiteres Beispiel eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers mit einer negativen Ausgangsschiene und einer positiven Ausgangsschiene gemäß Ausführungsformen der Offenbarung,
    • 13 veranschaulicht schematisch ein weiteres Beispiel eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers mit einer negativen Ausgangsschiene und einer positiven Ausgangsschiene gemäß Ausführungsformen der Offenbarung,
    • 14 ist ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers gemäß Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulicht,
    • 15 ist ein Flussdiagramm, das schematisch ein weiteres Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers gemäß Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulicht, und
    • 16 ist ein Flussdiagramm, das schematisch ein weiteres Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers gemäß Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulicht.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Wie oben angedeutet, bezeichnen identische oder gleiche Bezugszahlen in der Offenbarung identische oder gleiche Elemente, und im Interesse der Kürze kann auf ihre wiederholte Beschreibung verzichtet werden. Alle in dieser Offenbarung angesprochenen Schaltvorrichtungen können Transistorvorrichtungen sein, wie zum Beispiel MOSFETs. In einigen Figuren können die Schaltvorrichtungen vereinfacht sein, aber sie sind als die gleichen oder ähnliche Schaltvorrichtungen zu verstehen, wie sie in den anderen Figuren gezeigt sind.
  • 1 veranschaulicht schematisch ein Beispiel eines SIMO-Reglers 100 mit einer positiven Ausgangsspannungsschiene und einer negativen Ausgangsspannungsschiene. Mitunter kann ein solcher SIMO-Regler (d. h. mit einer positiven Ausgangsschiene und einer negativen Ausgangsschiene) als ein Single Inductor Dual Output (SIDO)-Regler bezeichnet werden.
  • Insbesondere umfasst der Regler 100 eine „high“-seitige Schaltvorrichtung (zum Beispiel eine Transistorvorrichtung) 110, ein induktives Element (zum Beispiel eine Induktionsspule) 130, und eine „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung (zum Beispiel eine Transistorvorrichtung) 180, die zwischen einem Eingangsspannungspegel (VIN) und einem vorgegebenen Spannungspegel in Reihe geschaltet sind. Der vorgegebene Spannungspegel kann zum Beispiel VSS oder Erde (GND) oder jeder sonstige geeignete Referenzspannungspegel sein. Der Regler 100 umfasst des Weiteren eine negative Ausgangsschiene und eine positive Ausgangsschiene. Die negative Ausgangsschiene umfasst eine „low“-seitige Schaltvorrichtung (zum Beispiel eine Transistorvorrichtung) 120 und ist zwischen einem ersten Zwischenknoten 101 und einem (negativen) Ausgangsknoten (Port) 111 gekoppelt. Ein negativer Ausgangsspannungspegel (VNEG) wird an dem negativen Ausgangsknoten 111 generiert. Der erste Zwischenknoten 101 ist zwischen der „high“-seitigen Schaltvorrichtung 110 und dem induktiven Element 130 angeordnet. In ähnlicher Weise umfasst die positive Ausgangsschiene eine „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung (zum Beispiel eine Transistorvorrichtung) 190 und ist zwischen einem zweiten Zwischenknoten 103 und einem (positiven) Ausgangsknoten 121 gekoppelt. Ein positiver Ausgangsspannungspegel (VPOS) wird an dem positiven Ausgangsknoten 121 generiert. Der zweite Zwischenknoten 103 ist zwischen dem induktiven Element 130 und der „low“-seitigen Verstärkungsschaltvorrichtung 180 angeordnet. Dem Fachmann ist klar, dass der Spannungsregler jeweilige Kondensatoren umfassen kann, und zwar Kondensatoren 112 und 122, die zwischen den jeweiligen Ausgangsports 111, 121 und Erde gekoppelt sind. Und schließlich kann der Regler, um die Schaltvorrichtungen zu betreiben, des Weiteren eine Steuereinheit 105 zum Generieren der entsprechenden Steuersignale umfassen.
  • Um die negative Spannung VNEG an dem negativen Ausgangsport 111 zu generieren, wird dieser SIMO-Regler 100 in zwei Betriebsphasen betrieben, und zwar einer ersten Betriebsphase und einer zweiten Betriebsphase. In der ersten Betriebsphase können die „high“-seitige Schaltvorrichtung 110 und die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung 180 in einen EIN-Zustand (einen leitenden Zustand) geschaltet werden. Die anderen Schaltvorrichtungen werden in einen AUS-Zustand (einen nicht-leitenden Zustand) geschaltet. Durch Einschalten lediglich der „high“-seitigen Schaltvorrichtung 110 und der „low“-seitigen Verstärkungsschaltvorrichtung 180 wird Strom in dem induktiven Element 130 gespeichert, bis der Strom in der Spule des induktiven Elements 130 einen Soll-Spitzenwert (Ipk) erreicht hat. Somit kann diese Phase auch als eine Magnetisierungsphase (ein Magnetisierungszeitraum) bezeichnet werden. Insbesondere ist die Dauer des Magnetisierungszeitraums proportional zu LxIpk/VIN. Anschließend können, in der zweiten Betriebsphase, die „low“-seitige Schaltvorrichtung 120 und die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung 180 in den EIN-Zustand geschaltet werden, während die anderen Schaltvorrichtungen in den AUS-Zustand geschaltet werden. Durch Einschalten der „low“-seitigen Schaltvorrichtung 120 und der „low“-seitigen Verstärkungsschaltvorrichtung 180 fließt Strom in dem induktiven Element 130 durch die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung 180 auf den vorgegebenen Spannungspegel (zum Beispiel VSS). Folglich wird die Spannung an dem Kondensator 112 durch die „low“-seitige Schaltvorrichtung 120 reduziert, wodurch ein negativer Spannungspegel auf VNEG generiert wird, bis der Strom, der in der Spule des induktiven Elements 130 gespeichert wird, (vollständig oder teilweise) entladen ist. Diese Phase kann auch als eine Entmagnetisierungsphase bezeichnet werden. Die Dauer des Entmagnetisierungszeitraums kann proportional zu L×Ipk/(VIN+|VNEG|) sein.
  • Andererseits wird, um die positive Spannung VPOS an dem positiven Ausgangsport 121 zu generieren, der SIMO-Regler 100 in weiteren zwei Betriebsphasen betrieben, und zwar einer dritten Betriebsphase und einer vierten Betriebsphase (um eine Unterscheidung von der ersten und der zweiten Betriebsphase bei der Generierung der negativen Ausgangsspannung zu haben). In der dritten Betriebsphase können die „high“ - seitige Schaltvorrichtung 110 und die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung 180 in den EIN-Zustand geschaltet werden. Die anderen Schaltvorrichtungen können in den AUS-Zustand geschaltet werden. Genauer gesagt, ist die Konfiguration der Schaltvorrichtungen in der dritten Betriebsphase die gleiche wie die Konfiguration der Schaltvorrichtungen in der ersten Betriebsphase. Somit wird in der dritten Betriebsphase (Magnetisierungsphase) Strom in dem induktiven Element 130 gespeichert, bis der Strom in der Spule des induktiven Elements 130 einen Soll-Spitzenwert erreicht hat. Anschließend werden, in der vierten Betriebsphase (Entmagnetisierungsphase), die „high“-seitige Schaltvorrichtung 110 und die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung 190 in den EIN-Zustand geschaltet, während die anderen Schaltvorrichtungen in den AUS-Zustand geschaltet werden. In dieser Phase fließt Strom in der Induktionsspule 130 durch die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung 190 zu VPOS, und gleichzeitig wird der Kondensator 122 geladen. Somit wird eine positive Spannung an VPOS generiert.
  • Insbesondere wird die Generierung der VPOS- und VNEG-Ausgangssignale über unabhängige Über- oder Unterspannungsereignisse gesteuert und stoppt, sobald die jeweilige angegebene Zielspannung erreicht ist. Es ist keine Überlappung zwischen den Betriebsphasen (d. h. der ersten bis vierten Betriebsphase) zulässig.
  • 2 veranschaulicht schematisch ein Beispiel von Steuersignal-Wellenformen des konventionellen SIMO-Reglers von 1. Insbesondere zeigt die Kurve 230 ein Beispiel des Steuersignals der ersten Betriebsphase (Magnetisierungsphase). Wie oben veranschaulicht, werden sowohl die „high“-seitige Schaltvorrichtung 110 als auch die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung 180 in den EIN-Zustand geschaltet, wobei die Spule des induktiven Elements 130 magnetisiert wird. Die Kurve 240 zeigt ein Beispiel des Steuersignals der zweiten Betriebsphase (Entmagnetisierungsphase), wobei sowohl die „low“-seitige Schaltvorrichtung 120 als auch die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung 180 in den EIN-Zustand geschaltet werden. In dieser Phase wird die Spule des induktiven Elements 130 entmagnetisiert. Die Kurve 250 zeigt ein Beispiel des Spulenstroms während der ersten und der zweiten Betriebsphase (d. h. der Magnetisierungs- bzw. der Entmagnetisierungsphase). Die Kurve 210 zeigt ein Beispiel der negativen Ausgangsspannung VNEG, und die Kurve 220 bezeichnet die Zeiträume, in denen die negative Ausgangsspannung über einem vorgegebenen Spannungspegel liegt. Die in der Kurve 220 gezeigten Überspannungsereignisse (oder Unterspannungsereignisse, falls der absolute Wert der negativen Spannung in Betracht gezogen wird) können auch als Auslöser für die in der Kurve 230 gezeigte Magnetisierungsphase angesehen werden.
  • 3 veranschaulicht schematisch ein Beispiel eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers 300 mit einer negativen Ausgangsschiene und einer positiven Ausgangsschiene gemäß Ausführungsformen der Offenbarung. Identische oder gleiche Bezugszahlen in 3 bezeichnen identische oder gleiche Elemente in dem in 1 gezeigten konventionellen SIMO-Regler, und im Interesse der Kürze kann auf ihre wiederholte Beschreibung verzichtet werden. Zusätzlich zu den Elementen des konventionellen SIDO-Reglers von 1 sind ein kapazitives Element (zum Beispiel ein fliegender Kondensator) 340 und eine Ladeschaltvorrichtung 350 vorhanden, um den Spannungsabfall an der Spule des induktiven Elements 330 und der „low“-seitigen Schaltvorrichtung 320 zu reduzieren. Insbesondere sind das kapazitive Element 340 und das Ladeschaltelement 350 zwischen einem ersten Zwischenknoten 301 und dem vorgegebenen Spannungspegel (zum Beispiel VSS) in Reihe geschaltet. Der erste Zwischenknoten 301 ist zwischen einer „high“-seitigen Schaltvorrichtung 310 und dem induktiven Element (zum Beispiel einer Induktionsspule) 330 angeordnet, ähnlich dem ersten Zwischenknoten 101, wie in 1 gezeigt.
  • Für ein besseres Verständnis der Betriebsphasen des vorgeschlagenen SIDO-Reglers 300 betrachten wir uns ebenfalls die Simulationsergebnisse, die in 4 gezeigt sind. In diesem Beispiel wird angenommen, dass VIN = 5V, VNEG = -10 V und L = 0,47 µH.
  • In einer ersten Betriebsphase (Magnetisierungsphase, zwischen 54,5 µs und 54,7 µs, wie in Kurve 410 von 4 gezeigt) werden die „high“-seitige Schaltvorrichtung 310, die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung 380 und die Ladeschaltvorrichtung 350 alle in den EIN-Zustand geschaltet. In dieser Phase nimmt der Induktionsspulenstrom zu, wie in Kurve 420 gezeigt. Gleichzeitig wird das kapazitive Element (der fliegende Kondensator) 340 durch die Ladeschaltvorrichtung 350 auf VIN geladen. Kurve 430 zeigt den Spannungspegel an dem ersten Zwischenknoten 301, der mit einem Port des Kondensatorelements 340 gekoppelt ist, und Kurve 440 zeigt den Spannungspegel an dem zweiten Zwischenknoten 302, der mit dem anderen Port des Kondensatorelements 340 gekoppelt ist. Genauer gesagt, sieht die „low“-seitige Schaltvorrichtung 320 während dieses Zeitraums eine VDS (Drain-Source-Spannung) gleich |VNEG| zwischen dem Drain (der mit dem zweiten Zwischenknoten 302 gekoppelt) und der Source (die mit dem Ausgangsknoten bei VNEG gekoppelt ist). Folglich gibt es eine ΔVDS-Verbesserung von etwa VIN verglichen mit dem VDS-Wert von VIN+|VNEG| in dem in 1 gezeigten konventionellen SIDO-Regler.
  • In einer zweiten Betriebsphase (Entmagnetisierungsphase, zwischen 54,7 µs und 54,9 µs, wie in 4 gezeigt) werden die „low“-seitige Schaltvorrichtung 320 und die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung 380 in den EIN-Zustand geschaltet, während die anderen Schaltvorrichtungen in den AUS-Zustand geschaltet werden. In diesem Fall liegt die Spannung an dem ersten Zwischenknoten 301 aufgrund des fliegenden Kondensators 340 bei -5 V. Somit ist der Spannungsabfall an der Induktionsspule 330 |VNEG| -VIN. Folglich wird im vorliegenden Beispiel die Zeitdauer, die der Induktionsspulenstrom negativen Strom liefert, um einen Faktor von zwei erhöht. Der resultierende VNEG ist in Kurve 450 von 4 gezeigt.
  • Durch Reduzieren des Spannungsabfalls an der „low“-seitigen Schaltvorrichtung 320 der negativen Schiene erlaubt der Gleichspannung-Gleichspannung-Regler 300 die Möglichkeit, den Ausgangsspannungsbereich auf Werte auszudehnen, die in der Regel jenseits der Prozessbeschränkungen liegen. Des Weiteren ermöglicht der Regler 300 von 3 - verglichen mit dem konventionellen SIMO-Regler 100, der in 1 gezeigt - auch die Verwendung einer Spule von geringerer Größe. Wenn zum Beispiel die Ausgangsspannung VNEG das Doppelte der Eingangsspannung VIN beträgt (d. h. VNEG = - 2xVIN), so kann eine Spule von halber Größe (verglichen mit der klassischen nicht-hybriden Anordnung) verwendet werden, da der Spannungsabfall an der Induktionsspule halbiert wird.
  • Außerdem ist anzumerken, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Zwischenknoten 301, 302 immer ungefähr gleich VIN ist, was im Grunde bedeutet, dass der Kondensator 340 keine hohen Spannungsdifferenzen sieht. Somit ist die Leistungsabstufung an dem Kondensator minimal, was seinerseits die Verwendung von Kondensatoren mit geringerer Größe erlaubt.
  • Obgleich sich die in 3 gezeigte Topologie auf einen SIDO-Regler bezieht, kann das gleiche Konzept in jedem Kontext angewendet werden, der die Regelung eines negativen Ausgangssignals beinhaltet, bei der die Notwendigkeit einer kleinen Spule und einer hocheffizienten Leistung kombiniert werden.
  • Insbesondere kann die vorliegende Offenbarung als ein Gleichspannung-Gleichspannung-Regler 500 mit (nur) einer einzigen negativen Ausgangsschiene verkörpert sein, wie in 5 gezeigt. Der Spannungsregler 500 ist im Wesentlichen der gleiche wie der SIDO-Regler 300 von 3, außer dass ein Port des induktiven Elements 530, der in 3 mit der positiven Ausgangsschiene gekoppelt war, nun (direkt) mit Erde gekoppelt ist. Folglich gelten analoge oder ähnliche Betriebsphasen zum Generieren der negativen Ausgangsspannung VNEG, wie oben für den SIDO-Regler 300 von 3 veranschaulicht, auch hier.
  • Diese Art von Signalausgabegenerierung kann zum Beispiel für die Fälle alter OLED-Treiber vorteilhaft sein, die möglicherweise zwei separate Hochstrominduktionswandler benötigen, um eine positive und eine negative Ausgangsschiene individuell für das Display zu generieren. In diesen Fällen braucht die negative Spannung nur -9 V für eine Last von ungefähr 1 A zu betragen. Um diese Hochleistungsanwendung zu unterstützen (insbesondere bei einem tragbaren Gerät wie einem Smartphone), würde man entweder eine große Spule oder mehrere Phasen mit kleineren Spulen benötigen. Das liegt daran, dass die maximale Spannung/Leistung, die negativ verstärkt werden kann, von dem maximalen Strom, der zugeführt werden soll, und von dem Reihenwiderstand in dem Leistungspfad abhängig ist. Das Reduzieren der effektiven Spannung um einen zu verstärkenden Faktor VIN beeinflusst positiv das Design des Leistungswandlers und entlastet die Designbeschränkungen für die Spule. Das heißt, in dem Beispiel einer negativen Signalausgangsschiene (zum Beispiel für OLED-Treiber) kann dies in die Verwendung einer einzelnen Phase anstelle von zwei oder mehr Phasen oder in die Verwendung einer kleineren Spule umgemünzt werden.
  • Darüber hinaus ist die vorliegende Offenbarung nicht auf Schaltkreise mit einem einzelnen fliegenden Kondensator (zum Beispiel das kapazitive Element 540 von 5) beschränkt. Mehrere (fliegende) Kondensatoren können verwendet werden, um die Spannung an der Spule (weiter) während der Entmagnetisierungsphase zu reduzieren. 6 veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer solchen Erweiterung des Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers von 5 auf mehrere Stufen.
  • Insbesondere zusätzlich zu dem kapazitiven Element 640-1, das zwischen dem ersten Zwischenknoten 601 und dem zweiten Zwischenknoten 602 gekoppelt ist, sind eine Anzahl N-1 weiterer kapazitiver Elemente (zum Beispiel fliegender Kondensatoren) 640-2 bis 640-N zwischen dem ersten Zwischenknoten 601 und dem zweiten Zwischenknoten 602 angeordnet. Eine jeweilige Zwischenschaltvorrichtung (zum Beispiel die Zwischenschaltvorrichtung 670-3) ist vorhanden, um das jeweilige weitere kapazitive Element (zum Beispiel das kapazitive Element 640-3) mit dem vorherigen kapazitiven Element (zum Beispiel dem kapazitiven Element 640-2) in Reihe zu schalten. Oder anders ausgedrückt: Die Zwischenschaltvorrichtungen 670-2 bis 670-N und das kapazitive Elemente 640-1 bis 640-N sind zwischen dem ersten Zwischenknoten 601 und dem zweiten Zwischenknoten 602 abwechselnd in Reihe geschaltet. Außerdem ist eine jeweilige Umgehungsschaltvorrichtung (zum Beispiel die Umgehungsschaltvorrichtung 660-3) vorhanden, um das jeweilige weitere kapazitive Element (zum Beispiel das kapazitive Element 640-3) schaltbar (direkt) mit dem ersten Zwischenknoten 601 zu koppeln. Natürlich ist außerdem eine jeweilige Ladeschaltvorrichtung (zum Beispiel die Ladeschaltvorrichtung 650-3) vorhanden, um das kapazitive Element (zum Beispiel das kapazitive Element 640-3) während der Magnetisierungsphase (d. h. der ersten Betriebsphase) durch die „high“-seitige Schaltvorrichtung 610 und die jeweilige Umgehungsschaltvorrichtung (zum Beispiel die Umgehungsschaltvorrichtung 660-3) auf VON zu laden.
  • Die Verwendung mehrerer fliegender Kondensatoren 640-1 bis 640-N erlaubt es, den Spannungsabfall an der Spule des induktiven Elements 630 während der Entmagnetisierungsphase um eine Quantität von NxVIN weiter zu reduzieren. Jedoch kann dies den Preis zusätzlicher Schalter in dem Schaltkreis und zusätzlicher Pins fordern.
  • Allgemeiner ausgedrückt, kann die Architektur von 6 als eine Teilmenge einer zusätzlich erweiterten SIMO-Topologie gesehen werden, wobei zusätzlich zu einer einzelnen negativen Schiene noch eine oder mehrere negative und positive Schienen unter Verwendung derselben einzelnen Spule (desselben induktiven Elements), wie in 7 gezeigt, generiert werden.
  • Wie in der SIMO-Topologie von 7 gezeigt, gibt es bis zu K positive Ausgangsschienen und bis zu M negative Ausgangsschienen, die entweder mit dem kapazitiven Element 740-N oder einem der kapazitiven Elemente 740-1, 740-2, ..., 740-(N-1) verbunden werden können, wodurch eine komplexe mehrdimensionale Matrix entsteht. Das heißt, durch Abgreifen eines einzelnen Ports eines bestimmten kapazitiven Elements (zum Beispiel ein Zwischenknoten 709 an einem einzelnen Port des kapazitiven Elements 740-1) kann eine entsprechende negative Zwischenspannung als ein Spannungsausgang bereitgestellt werden.
  • 8 veranschaulicht schematisch ein Beispiel einer Erweiterung des Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers von 5 auf mehrere negative Ausgangsschienen. Eine solche Erweiterung kann viele praktische Verwendungen haben. Im vorliegenden Beispiel, wie in 8 gezeigt, wo der Einfachheit halber nur zwei Ausgänge in Betracht gezogen sind, bedient die gleiche Kombination einer Induktionsspule s830 und eines Kondensator 840 zwei unabhängig geregelte negative Ausgänge (d. h. VNEG1 und VNEG2). Genauer gesagt, können die Zielspannungspegel für VNEG1 und VNEG2 voneinander verschieden sein, weshalb die „low“-seitigen Schalter (d. h. die „low“-seitigen Schaltvorrichtungen 820-1A, 820-1B und 820-2A, 820-2B) als eine Reihe von jeweils zwei Vorrichtungen ausgebildet sind, um die Kreuzleitung zwischen den zwei Ausgangsschienen zu blockieren. Das heißt, die „low“-seitige Schaltvorrichtung 820-1 wird durch zwei Schaltvorrichtungen (zum Beispiel MOSFETs) 820-1A und 820-1B gebildet, die in einer Back-to-Back-Konfiguration in Reihe geschaltet sind.
  • Während des Betriebes, wenn die Spule (des induktiven Elements 830) den Ausgang VNEG1 bedient, wird die Spannung an dem ersten Zwischenknoten 801 (der mit einem Port des kapazitiven Elements gekoppelt ist) zwischen VIN und - VNEG1+VIN geschaltet. Wenn die Spule den Ausgang VNEG2 bedient, so wird die Spannung an dem ersten Zwischenknoten 801 (der mit einem Port des kapazitiven Elements gekoppelt ist), zwischen VIN und -VNEG2+VIN geschaltet.
  • 9 veranschaulicht schematisch ein Beispiel von Signalwellenformen des Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers von 8. Im vorliegenden Beispiel wird angenommen, dass |VNEG2| größer ist als |VNEG1|. Wie in 9 gezeigt, beziehen sich die Kurven 910-930 das die (erste) negative Ausgangsspannung VNEG1, und die Kurven 950 970 beziehen sich auf die zweite negative Ausgangsspannung VNEG2. Insbesondere zeigen die Kurven 920 und 960 die jeweiligen Magnetisierungsphasen (d. h. die „high“-seitige Schaltvorrichtung 810 und die Ladeschaltvorrichtung 850 sind EIN), während die Kurven 930 und 970 die jeweiligen Entmagnetisierungsphasen zeigen (die jeweiligen „low“-seitige Schaltvorrichtungen 820-1, 820-2 und die Ladeschaltvorrichtung 850 sind EIN). Dementsprechend zeigen die Kurven 910 und 950 jeweilige negative Spannungen VNEG1 und VNEG2 (die unterhalb jeweiliger vorgegebener Spannungspegel liegen). Ähnlich der Kurve 220 von 2 können die Überspannungsereignisse (oder Unterspannungsereignisse, falls der absolute Wert der negativen Spannung in Betracht gezogen wird) in den Kurven 910 und 950 als Auslöser für die jeweiligen Magnetisierungsphasen von die Kurven 920 und 960 angesehen werden. Die Kurve 940 zeigt den Strom an der Spule des induktiven Elements 830. Da angenommen wird, dass |VNEG2| größer ist als |VNEG1|, ist anhand der Kurven 930 und 970 zu erkennen, dass die Dauer der Entmagnetisierungsphase der „low“-seitigen Schaltvorrichtungen 820-2 (für VNEG2) kürzer ist als die der „low“-seitigen Schaltvorrichtungen 820-1 (für VNEG1).
  • 10 veranschaulicht schematisch eine weitere Ausführungsform eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers 1000 mit einer negativen Ausgangsschiene und einer positiven Ausgangsschiene (SIDO). Im Allgemeinen nutzt diese Topologie die positive Ausgangsspannung VPOS zu ihrem Vorteil, um die Welligkeit auf der Spule des induktiven Elements 1030 zu reduzieren. Um das kapazitive Element (den fliegenden Kondensator) 1040 korrekt laden zu können, wird allgemein angenommen, dass VPOS kleiner ist als |VNEG|.
  • Wie in 10 gezeigt, umfasst der SIDO-Regler 1000 eine „high“-seitige Schaltvorrichtung 1010, die zwischen dem Eingangsport VIN und einem ersten Zwischenknoten 1001 gekoppelt ist. Eine erste Schaltvorrichtung 1015, das kapazitive Element (zum Beispiel der fliegende Kondensator) 1040 und eine Ladeschaltvorrichtung 1050 sind zwischen dem ersten Zwischenknoten 1001 und einem ersten vorgegebenen Spannungspegel (zum Beispiel VSS) in Reihe geschaltet. Das induktive Element 1030 und eine „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung 1080 sind zwischen dem ersten Zwischenknoten 1001 und dem ersten vorgegebenen Spannungspegel (zum Beispiel VSS) in Reihe geschaltet. Des Weiteren umfasst der Regler 1000 auch eine negative Ausgangsschiene, die zwischen einem ersten (negativen) Ausgangsport 1011 und einem zweiten Zwischenknoten 1002 gekoppelt ist, der zwischen einem Port des kapazitiven Elements 1040 und der Ladeschaltvorrichtung 1050 angeordnet ist. Die negative Ausgangsschiene umfasst eine „low“-seitige Schaltvorrichtung 1020 und generiert eine negative Ausgangsspannung VNEG an dem Ausgangsport 1011. Der Regler 1000 umfasst des Weiteren eine positive Ausgangsschiene, die zwischen einem zweiten (positiven) Ausgangsport 1021 und einem dritten Zwischenknoten 1003 gekoppelt ist, der zwischen dem induktiven Element 1030 und der „low“-seitigen Verstärkungsschaltvorrichtung 1080 angeordnet ist. Die positive Ausgangsschiene umfasst eine „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung 1090 und generiert eine positive Ausgangsspannung VPOS an dem Ausgangsport 1021. Eine zweite Schaltvorrichtung 1025 ist zwischen dem positiven Ausgangsport VPOS und dem kapazitiven Element 1040 gekoppelt.
  • Während Betriebes der SIDO-Regler 1000 wird das kapazitive Element 1040 auf VPOS anstatt auf VIN geladen, wie in 3 oder 5 definiert. Da die (positive) Ausgangsspannung VPOS in der Regel höher ist als die Eingangsspannung VIN, wird ein höherer ΔV verwendet, wodurch eine bessere Systemleistung erreicht werden kann.
  • Mit Blick auf die Topologie, wie in 3 gezeigt, ist anzumerken, dass der Regler 300 von 3 als eine Teilmenge des Reglers 1000 von 10 gesehen werden kann, falls die erste Schaltvorrichtung 1015 immer EIN ist und die zweite Schaltvorrichtung 1025 immer AUS ist.
  • 11 veranschaulicht schematisch eine weitere Ausführungsform eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers 1100 mit mehreren positiven Ausgangsschienen. Insbesondere ist anzumerken, dass der Regler 1100 von 11 als eine Duplizierung des Reglers 800 von 8 angesehen werden kann (der mehrere negative Ausgangsschienen umfasst). Das heißt, anstatt zum Generieren der negativen Ausgangsspannung(en) verwendet zu werden, wie in 8 (oder 5) gezeigt, sind das kapazitive Element 1141 und die Ladeschaltvorrichtung 1150 vorhanden, um die positiven Spannungen mit verbesserter Systemleistung effizient zu generieren.
  • Dementsprechend sind die Betriebsphasen auch ähnlich. Insbesondere wird während einer ersten Betriebsphase (der Magnetisierungsphase des induktiven Elements 1130) das kapazitive Element 1141 zuerst durch eine Schaltvorrichtung 1135 und eine Ladeschaltvorrichtung 1180 auf VIN geladen. Anschließend wird während der zweiten Betriebsphase (der Entmagnetisierungsphase des induktiven Elements 1130) das kapazitive Element 1141 mit VIN, der Spule (d. h. dem induktiven Element) und einer ausgewählten Ausgangsspannung VPOSk durch eine jeweilige „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung 1190-k in Reihe geschaltet. Verglichen mit dem konventionellen SIMO-Regler erfordert diese Ausführungsform nur ein zusätzliches kapazitives Element 1141 und eine Schaltvorrichtung 1135.
  • 12 veranschaulicht schematisch ein weiteres Beispiel eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers 1200 mit einer negativen Ausgangsschiene und einer positiven Ausgangsschiene (SIDO). Genauer gesagt, kann dieses Beispiel als eine Kombination aus einem Regler 1000 von 10 und dem Regler 1100 von 11 gesehen werden. Durch eine solche Kombination (aus mehreren fliegenden Kondensatoren 1240 und 1241) kann die Leistung zum Generieren sowohl der positiven Ausgangsspannung als auch der negativen Ausgangsspannung verbessert werden.
  • 13 veranschaulicht schematisch ein weiteres Beispiel eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers 1300 mit einer negativen Ausgangsschiene und einer positiven Ausgangsschiene (SIDO). Hier wird ein ähnliches Konzept des SIDO-Spannungsreglers 1200 verwendet, wie es in 12 gezeigt ist. Der Hauptunterschied (verglichen mit dem SIDO-Spannungsregler 1200 von 12) ist, dass das kapazitive Element 1340 zum Generieren der negativen Ausgangsspannung nun mit einem externen (Hilfs-) Spannungspegel VAUX durch eine Schaltvorrichtung 1325 gekoppelt ist, anstatt mit der positiven Ausgangsspannung VPOS durch die Schaltvorrichtung 1225 gekoppelt zu werden, wie in 12 gezeigt. Durch die Verwendung einer Hilfsspannung VAUX kann das kapazitive Element 1340 während der Magnetisierungsphase auf VAUX (anstatt VPOS) geladen werden. Unter der Annahme, dass VAUX größer ist als VIN, kann eine höhere ΔV erreicht werden, wenn das kapazitive Element 1340 geladen wird, was letzten Endes bedeutet, dass - verglichen mit dem in 5 gezeigten SIDO-Spannungsregler 500 - eine bessere Systemleistung erreicht werden kann. Insbesondere ist anzumerken, dass der Hilfsspannungspegel niedriger ist als der absolute Wert der maximalen negativen Ausgangsspannung, die generiert werden muss.
  • Es ist anzumerken, dass die Topologie von Regler 1000, 1200 oder 1300 ohne Weiteres auf mehrere Stufen und mehrere Dimensionen (zum Beispiel mehrere positive Ausgangsschienen und/oder mehrere negative Ausgangsschienen) ausgeweitet werden kann, wie in 7 gezeigt. Insbesondere beziehen sich die in den Reglern 1000, 1200 und 1300 gezeigten Strichlinien auf die mögliche Mehrstufenerweiterung, wie in 6 (oder 7) gezeigt.
  • 14 ist ein Flussdiagramm, das schematisch ein Verfahren 1400 zum Betreiben eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers veranschaulicht. Die Schaltkreistopologie kann dem Spannungsregler 500 entsprechen, wie in 5 gezeigt. Das Verfahren 1400 umfasst, bei Schritt S1410, in einer ersten Betriebsphase, das Schalten der „high“-seitigen Schaltvorrichtung und der Ladeschaltvorrichtung in einen EIN-Zustand (leitenden Zustand) und das Schalten der „low“-seitigen Schaltvorrichtung in einen AUS-Zustand (nicht-leitenden Zustand), um das kapazitive Element zu laden. Das Verfahren 1400 umfasst des Weiteren, bei Schritt S1420, in einer zweiten Betriebsphase, die „high“-seitige und die Ladeschaltvorrichtung in den AUS-Zustand zu schalten und die „low“-seitige Schaltvorrichtung in den EIN-Zustand zu schalten, um eine Ausgangsspannung an dem Ausgangsport zu generieren.
  • 15 ist ein Flussdiagramm, das schematisch ein weiteres Verfahren 1500 zum Betreiben eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers veranschaulicht. Die Schaltkreistopologie kann dem Spannungsregler 1000 entsprechen, wie in 10 gezeigt. Das Verfahren 1500 umfasst, bei Schritt S1510, in einer ersten Betriebsphase, die „high“-seitige Schaltvorrichtung, die zweite Schaltvorrichtung, die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung in einen EIN-Zustand zu schalten und die erste Schaltvorrichtung, die „low“-seitige Schaltvorrichtung und die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung in einen AUS-Zustand zu schalten, um das kapazitive Element zu laden. Das Verfahren 1500 umfasst des Weiteren, bei Schritt S1520, in einer zweiten Betriebsphase, die erste Schaltvorrichtung, die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung und die „low“-seitige Schaltvorrichtung in den EIN-Zustand zu schalten und die „high“ - seitige Schaltvorrichtung, die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung, die zweite Schaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung in den AUS-Zustand zu schalten.
  • 16 ist ein Flussdiagramm, das schematisch ein weiteres Verfahren 1600 zum Betreiben eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers veranschaulicht. Die Schaltkreistopologie kann dem Spannungsregler 1100 entsprechen, wie in 11 gezeigt. Das Verfahren 1600 umfasst, bei Schritt S1610, in einer ersten Betriebsphase, die Schaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung in einen EIN-Zustand zu schalten und die „high“-seitige Schaltvorrichtung und alle „high“-seitigen Verstärkungsschaltvorrichtungen in einen AUS-Zustand zu schalten, um das kapazitive Element zu laden. Das Verfahren 1600 umfasst des Weiteren, bei Schritt S1620, in einer zweiten Betriebsphase, die „high“-seitige und eine ausgewählte „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung der einen oder der mehreren positiven Ausgangsschienen in den EIN-Zustand zu schalten und die Schaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung in den AUS-Zustand zu schalten, um die Ausgangsspannung an dem jeweiligen ausgewählten Ausgangsport zu generieren.
  • Es ist anzumerken, dass die oben beschriebenen Vorrichtungsmerkmale jeweiligen Verfahrensmerkmalen entsprechen, auf die jedoch aus Gründen der Kürze möglicherweise nicht ausdrücklich eingegangen wird. Es wird in Betracht gezogen, dass sich die Offenbarung des vorliegenden Dokuments auch auf solche Verfahrensmerkmale erstreckt. Insbesondere versteht es sich, dass die vorliegende Offenbarung auf Verfahren zum Betreiben der oben beschriebenen Schaltkreise und/oder auf das Bereitstellen und/oder Anordnen jeweiliger Elemente dieser Schaltkreise bezieht.
  • Es ist des Weiteren anzumerken, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Schaltkreise und Verfahren veranschaulichen. Der Fachmann ist in der Lage, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, auch wenn sie im vorliegenden Text nicht explizit beschrieben oder gezeigt sind, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und innerhalb ihres Wesens und Schutzumfangs enthalten sind. Des Weiteren sollen alle Beispiele und Ausführungsformen, die im vorliegenden Dokument umrissen sind, prinzipiell ausdrücklich lediglich erklärenden Zwecken dienen, um dem Leser das Verständnis der Prinzipien des vorgeschlagenen Verfahrens zu erleichtern. Des Weiteren sollen alle Aussagen im vorliegenden Text, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung sowie spezielle Beispiele davon darlegen, auch deren Äquivalente umfassen.

Claims (21)

  1. Gleichspannung-Gleichspannung-Regler zum Umwandeln einer Eingangsspannung an einem Eingangsport in eine oder mehrere Ausgangsspannungen an jeweiligen Ausgangsports, wobei der Spannungsregler Folgendes umfasst: eine „high“-seitige Schaltvorrichtung, die zwischen dem Eingangsport und einem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist, ein induktives Element, das an einem Port mit dem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist, ein kapazitives Element, das zwei Ports aufweist, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem zweiten Zwischenknoten gekoppelt sind, wobei einer seiner Ports mit dem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist, eine negative Ausgangsschiene, die zwischen dem zweiten Zwischenknoten und einem der Ausgangsports gekoppelt ist, wobei die negative Ausgangsschiene eine „low“-seitige Schaltvorrichtung umfasst, und eine Ladeschaltvorrichtung, die zwischen dem anderen Port des kapazitiven Elements und einem vorgegebenen Spannungspegel gekoppelt ist, um das kapazitive Element zu laden, wenn die „high“-seitige Schaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung beide in einem EIN-Zustand sind.
  2. Spannungsregler nach Anspruch 1, der des Weiteren Folgendes umfasst: eine oder mehrere weitere negative Ausgangsschienen, wobei jede eine jeweilige „low“-seitige Schaltvorrichtung umfasst, die zwischen dem zweiten Zwischenknoten und einem jeweiligen Ausgangsport gekoppelt ist.
  3. Spannungsregler nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, der des Weiteren Folgendes umfasst: ein oder mehrere zweite kapazitive Elemente, und für jedes der zweiten kapazitiven Elemente eine jeweilige Zwischenschaltvorrichtung, eine jeweilige Umgehungsschaltvorrichtung und eine jeweilige zweite Ladeschaltvorrichtung; wobei die Zwischenschaltvorrichtungen und die zweiten kapazitiven Elemente zwischen dem anderen Port des kapazitiven Elements und dem zweiten Zwischenknoten abwechselnd in Reihe geschaltet sind, jede der Umgehungsschaltvorrichtungen zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem Port des jeweiligen zweiten kapazitiven Elements gekoppelt ist, der mit der jeweiligen Zwischenschaltvorrichtung gekoppelt ist, und jede der zweiten Ladeschaltvorrichtungen zwischen dem anderen Port des jeweiligen zweiten kapazitiven Elements und dem vorgegebenen Spannungspegel gekoppelt ist, um das jeweilige zweite kapazitive Element zu laden, wenn die „high“-seitige Schaltvorrichtung, die jeweilige Umgehungsschaltvorrichtung und die jeweilige zweite Ladevorrichtung alle im EIN-Zustand sind.
  4. Spannungsregler nach Anspruch 3, der des Weiteren einen Zwischen-Ausgangsport zum Ausgeben einer Zwischen-Ausgangsspannung umfasst, der mit dem anderen Port eines der einen oder der mehreren zweiten kapazitiven Elemente gekoppelt ist.
  5. Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, der des Weiteren Folgendes umfasst: eine „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung, die zwischen dem anderen Port des induktiven Elements und dem vorgegebenen Spannungspegel gekoppelt ist, und eine positive Ausgangsschiene, die zwischen einem jeweiligen Ausgangsport und einem dritten Zwischenknoten gekoppelt ist, der zwischen dem anderen Port des induktiven Elements und der „low“-seitigen Verstärkungsschaltvorrichtung angeordnet ist, wobei die positive Ausgangsschiene eine „high“ - seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfasst.
  6. Spannungsregler nach Anspruch 5, der des Weiteren Folgendes umfasst: eine oder mehrere weitere positive Ausgangsschienen, die jeweils eine jeweilige „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfassen, die zwischen dem dritten Zwischenknoten und einem jeweiligen Ausgangsport gekoppelt ist.
  7. Spannungsregler nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, der des Weiteren Folgendes umfasst: eine erste Schaltvorrichtung, die zwischen dem einen Port des kapazitiven Elements und dem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist, um den einen Port des kapazitiven Elements schaltbar mit dem ersten Zwischenknoten zu verbinden, und eine zweite Schaltvorrichtung, die zwischen dem einen Port des kapazitiven Elements und dem Ausgangsport der positiven Ausgangsschiene gekoppelt ist, um den einen Port des kapazitiven Elements schaltbar mit dem Ausgangsport der positiven Ausgangsschiene zu verbinden.
  8. Gleichspannung-Gleichspannung-Regler zum Umwandeln einer Eingangsspannung an einem Eingangsport in eine oder mehrere Ausgangsspannungen an jeweiligen Ausgangsports, wobei der Spannungsregler Folgendes umfasst: eine „high“-seitige Schaltvorrichtung, die zwischen dem Eingangsport und einem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist, eine erste Schaltvorrichtung, ein kapazitives Element und eine Ladeschaltvorrichtung, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem ersten vorgegebenen Spannungspegel in Reihe geschaltet sind, ein induktives Element und eine „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und dem ersten vorgegebenen Spannungspegel in Reihe geschaltet sind, eine negative Ausgangsschiene, die zwischen einem ersten Ausgangsport und einem zweiten Zwischenknoten gekoppelt ist, der zwischen einem Port des kapazitiven Elements und der Ladeschaltvorrichtung angeordnet ist, wobei die negative Ausgangsschiene eine „low“-seitige Schaltvorrichtung umfasst, eine positive Ausgangsschiene, die zwischen einem zweiten Ausgangsport und einem dritten Zwischenknoten gekoppelt ist, der zwischen dem induktiven Element und der „low“-seitigen Verstärkungsschaltvorrichtung angeordnet ist, wobei die positive Ausgangsschiene eine „high“ - seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfasst, und eine zweite Schaltvorrichtung, die zwischen einem zweiten Spannungspegel und dem anderen Port des kapazitiven Elements gekoppelt ist, wobei der zweite Spannungspegel höher ist als der erste vorgegebene Spannungspegel.
  9. Spannungsregler nach Anspruch 8, der des Weiteren Folgendes umfasst: ein zweites kapazitives Element, das zwischen dem dritten Zwischenknoten und der positiven Ausgangsschiene gekoppelt ist, wobei ein vierter Zwischenknoten zwischen dem zweiten kapazitiven Element und der positiven Ausgangsschiene angeordnet ist, und eine dritte Schaltvorrichtung, die zwischen dem Eingangsport und dem vierten Zwischenknoten gekoppelt ist.
  10. Spannungsregler nach Anspruch 8 oder 9, wobei der zweite Spannungspegel die jeweilige Ausgangsspannung an dem Ausgangsport der positiven Ausgangsschiene oder eine externe Versorgungsspannung ist.
  11. Gleichspannung-Gleichspannung-Regler zum Umwandeln einer Eingangsspannung an einem Eingangsport in eine oder mehrere Ausgangsspannungen jeweils an jeweiligen Ausgangsports, wobei der Spannungsregler Folgendes umfasst: eine „high“-seitige Schaltvorrichtung, die zwischen dem Eingangsport und einem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist, ein induktives Element und ein kapazitives Element, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem zweiten Zwischenknoten in Reihe geschaltet sind, eine oder mehrere positive Ausgangsschienen, die jeweils zwischen dem zweiten Zwischenknoten und einem jeweiligen Ausgangsport gekoppelt sind, wobei jede der einen oder der mehreren positiven Ausgangsschienen eine jeweilige „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfasst, eine Schaltvorrichtung, die zwischen dem Eingangsport und dem zweiten Zwischenknoten gekoppelt ist, und eine Ladeschaltvorrichtung, die zwischen einem ersten vorgegebenen Spannungspegel und einem dritten Zwischenknoten gekoppelt ist, der zwischen dem induktiven Element und dem kapazitiven Element angeordnet ist, um das kapazitive Element zu laden, wenn die Schaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung beide in einem EIN-Zustand sind.
  12. Spannungsregler nach Anspruch 11, der des Weiteren Folgendes umfasst: eine zweite Schaltvorrichtung, ein zweites kapazitives Element und eine zweite Ladeschaltvorrichtung, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und dem ersten vorgegebenen Spannungspegel in Reihe geschaltet sind, eine dritte Schaltvorrichtung, die zwischen einem zweiten Spannungspegel und einem vierten Zwischenknoten gekoppelt ist, der zwischen der zweiten Schaltvorrichtung und einem Port des zweiten kapazitiven Elements angeordnet ist, und eine oder mehrere negative Ausgangsschienen, die zwischen dem anderen Port des zweiten kapazitiven Elements und den jeweiligen Ausgangsports gekoppelt sind, wobei jede eine jeweilige „low“-seitige Schaltvorrichtung umfasst; wobei der zweite Spannungspegel höher ist als der erste vorgegebene Spannungspegel und optional der zweite Spannungspegel die jeweilige Ausgangsspannung an dem jeweiligen Ausgangsport eine der positiven Ausgangsschienen oder eine externe Versorgungsspannung ist.
  13. Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers zum Umwandeln einer Eingangsspannung an einem Eingangsport in eine oder mehrere Ausgangsspannungen jeweils an jeweiligen Ausgangsports, wobei der Spannungsregler Folgendes umfasst: eine „high“-seitige Schaltvorrichtung, die zwischen dem Eingangsport und einem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist, ein induktives Element, das an einem Port mit dem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist, ein kapazitives Element, das zwei Ports aufweist, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem zweiten Zwischenknoten gekoppelt sind, wobei einer seiner Ports mit dem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist, eine negative Ausgangsschiene, die zwischen dem zweiten Zwischenknoten und einem der Ausgangsports gekoppelt ist, wobei die negative Ausgangsschiene eine „low“-seitige Schaltvorrichtung umfasst, und eine Ladeschaltvorrichtung, die zwischen dem anderen Port des kapazitiven Elements und einem vorgegebenen Spannungspegel gekoppelt ist; und wobei das Verfahren Folgendes umfasst: in einer ersten Betriebsphase, die „high“-seitige Schaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung in einen EIN-Zustand zu schalten und die „low“-seitige Schaltvorrichtung in einen AUS-Zustand zu schalten, um das kapazitive Element zu laden, und in einer zweiten Betriebsphase, die „high“-seitige und die Ladeschaltvorrichtung in den AUS-Zustand zu schalten und die „low“-seitige Schaltvorrichtung in den EIN-Zustand zu schalten, um eine Ausgangsspannung an dem Ausgangsport zu generieren.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei der Spannungsregler des Weiteren Folgendes umfasst: eine oder mehrere weitere negative Ausgangsschienen, wobei jede eine jeweilige „low“-seitige Schaltvorrichtung umfasst, die zwischen dem zweiten Zwischenknoten und einem jeweiligen Ausgangsport gekoppelt ist; und wobei das Verfahren des Weiteren Folgendes umfasst: in der zweiten Betriebsphase, die „high“-seitige und die Ladeschaltvorrichtung in den AUS-Zustand zu schalten und eine der „low“-seitigen Schaltvorrichtungen in den EIN-Zustand zu schalten, um eine Ausgangsspannung an dem jeweiligen Ausgangsport der negativen Ausgangsschiene der einen der „low“-seitigen Schaltvorrichtungen zu generieren.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, wobei der Spannungsregler des Weiteren Folgendes umfasst: ein oder mehrere zweite kapazitive Elemente, und für jedes der zweiten kapazitiven Elemente, eine jeweilige Zwischenschaltvorrichtung, eine jeweilige Umgehungsschaltvorrichtung und eine jeweilige zweite Ladeschaltvorrichtung; wobei die Zwischenschaltvorrichtungen und die zweiten kapazitiven Elemente zwischen dem anderen Port des kapazitiven Elements und dem zweiten Zwischenknoten abwechselnd in Reihe geschaltet sind, jede der Umgehungsschaltvorrichtungen zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem Port des jeweiligen zweiten kapazitiven Elements gekoppelt ist, der mit der jeweiligen Zwischenschaltvorrichtung gekoppelt ist, und jede der zweiten Ladeschaltvorrichtungen zwischen dem anderen Port des jeweiligen zweiten kapazitiven Elements und dem vorgegebenen Spannungspegel gekoppelt ist; und wobei das Verfahren des Weiteren, für ein bestimmtes unter dem einen oder den mehreren zweiten kapazitiven Elementen, Folgendes umfasst: in der ersten Betriebsphase, die jeweilige zweite Ladeschaltvorrichtung und die jeweilige Umgehungsschaltvorrichtung in den EIN-Zustand zu schalten, um das bestimmte zweite kapazitive Element zu laden, und in der zweiten Betriebsphase, die jeweilige Zwischenschaltvorrichtung, die mit dem bestimmten zweiten kapazitiven Element gekoppelt ist, in den EIN-Zustand zu schalten und die jeweilige zweite Ladeschaltvorrichtung und die jeweilige Umgehungsschaltvorrichtung in den AUS-Zustand zu schalten.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei der Spannungsregler des Weiteren Folgendes umfasst: einen Zwischen-Ausgangsport, der mit dem anderen Port eines der einen oder der mehreren zweiten kapazitiven Elemente und der jeweiligen zweiten Ladeschaltvorrichtung gekoppelt ist; und wobei das Verfahren des Weiteren Folgendes umfasst: Bereitstellen einer Zwischen-Ausgangsspannung an dem Zwischen-Ausgangsport.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei der Spannungsregler des Weiteren Folgendes umfasst: eine „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung, die zwischen dem anderen Port des induktiven Elements und dem vorgegebenen Spannungspegel gekoppelt ist, und eine positive Ausgangsschiene, die zwischen einem jeweiligen Ausgangsport und einem dritten Zwischenknoten gekoppelt ist, der zwischen dem anderen Port des induktiven Elements und der „low“-seitigen Verstärkungsschaltvorrichtung angeordnet ist, wobei die positive Ausgangsschiene eine „high“ - seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfasst; und wobei das Verfahren des Weiteren Folgendes umfasst: sowohl in der ersten Betriebsphase als auch in der zweiten Betriebsphase, die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung in den EIN-Zustand zu schalten und die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung in den AUS-Zustand zu schalten.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, wobei das Verfahren des Weiteren Folgendes umfasst: in einer dritten Betriebsphase, die „high“-seitige Schaltvorrichtung und die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung in den EIN-Zustand zu schalten und die „low“-seitige Schaltvorrichtung, die Ladeschaltvorrichtung und die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung in den AUS-Zustand zu schalten, und in einer vierten Betriebsphase, die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung in den AUS-Zustand zu schalten und die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung in den EIN-Zustand zu schalten.
  19. Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers zum Umwandeln einer Eingangsspannung an einem Eingangsport in eine oder mehrere Ausgangsspannungen jeweils an jeweiligen Ausgangsports, wobei der Spannungsregler Folgendes umfasst: eine „high“-seitige Schaltvorrichtung, die zwischen dem Eingangsport und einem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist, eine erste Schaltvorrichtung, ein kapazitives Element und eine Ladeschaltvorrichtung, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem ersten vorgegebenen Spannungspegel in Reihe geschaltet sind, ein induktives Element und eine „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und dem ersten vorgegebenen Spannungspegel in Reihe geschaltet sind, eine negative Ausgangsschiene, die zwischen einem ersten Ausgangsport und einem zweiten Zwischenknoten gekoppelt ist, der zwischen einem Port des kapazitiven Elements und der Ladeschaltvorrichtung angeordnet ist, wobei die negative Ausgangsschiene eine „low“-seitige Schaltvorrichtung umfasst, eine positive Ausgangsschiene, die zwischen einem zweiten Ausgangsport und einem dritten Zwischenknoten gekoppelt ist, der zwischen dem induktiven Element und der „low“-seitigen Verstärkungsschaltvorrichtung angeordnet ist, wobei die positive Ausgangsschiene eine „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfasst, und eine zweite Schaltvorrichtung, die zwischen einem zweiten Spannungspegel und dem anderen Port des kapazitiven Elements gekoppelt ist, wobei der zweite Spannungspegel höher ist als der erste vorgegebene Spannungspegel; und wobei das Verfahren Folgendes umfasst: in einer ersten Betriebsphase, die „high“-seitige Schaltvorrichtung, die zweite Schaltvorrichtung, die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung in einen EIN-Zustand zu schalten und die erste Schaltvorrichtung, die „low“-seitige Schaltvorrichtung und die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung in einen AUS-Zustand zu schalten, um das kapazitive Element zu laden, und in einer zweiten Betriebsphase, die erste Schaltvorrichtung, die „low“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung und die „low“-seitige Schaltvorrichtung in den EIN-Zustand zu schalten und die „high“-seitige Schaltvorrichtung, die „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung, die zweite Schaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung in den AUS-Zustand zu schalten.
  20. Verfahren zum Betreiben eines Gleichspannung-Gleichspannung-Reglers zum Umwandeln einer Eingangsspannung an einem Eingangsport in eine oder mehrere Ausgangsspannungen jeweils an jeweiligen Ausgangsports, wobei der Spannungsregler Folgendes umfasst: eine „high“-seitige Schaltvorrichtung, die zwischen dem Eingangsport und einem ersten Zwischenknoten gekoppelt ist, ein induktives Element und ein kapazitives Element, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und einem zweiten Zwischenknoten in Reihe geschaltet sind, eine oder mehrere positive Ausgangsschienen, die jeweils zwischen dem zweiten Zwischenknoten und einem jeweiligen Ausgangsport gekoppelt sind, wobei jede der einen oder der mehreren positiven Ausgangsschienen eine jeweilige „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung umfasst, eine Schaltvorrichtung, die zwischen dem Eingangsport und dem zweiten Zwischenknoten gekoppelt ist, und eine Ladeschaltvorrichtung, die zwischen einem ersten vorgegebenen Spannungspegel und einem dritten Zwischenknoten gekoppelt ist, der zwischen dem induktiven Element und dem kapazitiven Element angeordnet; und wobei das Verfahren Folgendes umfasst: in einer ersten Betriebsphase, die Schaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung in einen EIN-Zustand zu schalten und die „high“-seitige Schaltvorrichtung und alle „high“-seitigen Verstärkungsschaltvorrichtungen in einen AUS-Zustand zu schalten, um das kapazitive Element zu laden, und in einer zweiten Betriebsphase, die „high“-seitige und eine ausgewählte „high“-seitige Verstärkungsschaltvorrichtung der einen oder der mehreren positiven Ausgangsschienen in den EIN-Zustand zu schalten und die Schaltvorrichtung und die Ladeschaltvorrichtung in den AUS-Zustand zu schalten, um die Ausgangsspannung an dem jeweiligen ausgewählten Ausgangsport zu generieren.
  21. Verfahren nach Anspruch 20, wobei der Spannungsregler des Weiteren Folgendes umfasst: eine zweite Schaltvorrichtung, ein zweites kapazitives Element und eine zweite Ladeschaltvorrichtung, die zwischen dem ersten Zwischenknoten und dem ersten vorgegebenen Spannungspegel in Reihe geschaltet sind, eine dritte Schaltvorrichtung, die zwischen dem jeweiligen Ausgangsport einer der positiven Ausgangsschienen und einem vierten Zwischenknoten gekoppelt ist, der zwischen der zweiten Schaltvorrichtung und einem Port des zweiten kapazitiven Elements angeordnet ist, und eine oder mehrere negative Ausgangsschienen, die zwischen dem anderen Port des zweiten kapazitiven Elements und den jeweiligen Ausgangsports gekoppelt sind, wobei jede eine jeweilige „low“-seitige Schaltvorrichtung umfasst; und wobei das Verfahren des Weiteren Folgendes umfasst: in einer dritten Betriebsphase, die „high“-seitige Schaltvorrichtung, die dritte Schaltvorrichtung, die erste Ladeschaltvorrichtung und die zweite Ladeschaltvorrichtung in den EIN-Zustand zu schalten und alle anderen Schaltvorrichtungen in den AUS-Zustand zu schalten, um das zweite kapazitive Element zu laden, und in einer vierten Betriebsphase, die zweite Schaltvorrichtung, die erste Ladeschaltvorrichtung und eine der „low“-seitigen Schaltvorrichtungen in den EIN-Zustand zu schalten und alle anderen Schaltvorrichtungen in den AUS-Zustand zu schalten, um eine Ausgangsspannung an dem jeweiligen Ausgangsport der negativen Ausgangsschiene der einen der „low“-seitigen Schaltvorrichtungen zu generieren.
DE102018222905.8A 2018-12-31 2018-12-31 Single Inductor Multiple Output-Regler mit hybrider Negativ- und Positivschienen-Generierung Pending DE102018222905A1 (de)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018222905.8A DE102018222905A1 (de) 2018-12-31 2018-12-31 Single Inductor Multiple Output-Regler mit hybrider Negativ- und Positivschienen-Generierung
US16/528,914 US10910947B2 (en) 2018-12-31 2019-08-01 Single inductor multiple output regulator with hybrid negative and positive rail generation

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102018222905.8A DE102018222905A1 (de) 2018-12-31 2018-12-31 Single Inductor Multiple Output-Regler mit hybrider Negativ- und Positivschienen-Generierung

Publications (1)

Publication Number Publication Date
DE102018222905A1 true DE102018222905A1 (de) 2020-07-02

Family

ID=71079909

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE102018222905.8A Pending DE102018222905A1 (de) 2018-12-31 2018-12-31 Single Inductor Multiple Output-Regler mit hybrider Negativ- und Positivschienen-Generierung

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10910947B2 (de)
DE (1) DE102018222905A1 (de)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11251708B2 (en) 2019-08-16 2022-02-15 Samsung Electronics Co., Ltd. Inverting switching regulator using charge pump and operating method thereof
DE102021212140A1 (de) 2021-07-26 2023-01-26 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Hybrid-Architektur für eine DC-DC-Umwandlung
DE102022200894A1 (de) 2022-01-27 2023-07-27 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Spannungswandler und Verfahren zur Ansteuerung eines Spannungswandlers

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11563377B2 (en) * 2021-04-26 2023-01-24 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Hybrid power converters
US20240106345A1 (en) * 2022-09-23 2024-03-28 Ford Global Technologies, Llc Automotive variable voltage converter with multiple sets of power switches

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4654769A (en) * 1984-11-02 1987-03-31 California Institute Of Technology Transformerless dc-to-dc converters with large conversion ratios
WO2011135012A2 (en) * 2010-04-28 2011-11-03 St-Ericsson Sa Direct current voltage conversion circuit
US20120032664A1 (en) * 2010-08-03 2012-02-09 Microsemi Corporation Single inductor power converter system and methods
US20150028839A1 (en) * 2013-07-26 2015-01-29 Entropic Communications, Inc. High efficiency switched capacitor voltage regulator
US20150098562A1 (en) * 2013-10-07 2015-04-09 Microsemi Semiconductor (U.S.) Inc. Voltage regulator with charge pump for generating second voltage source

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010213114A (ja) * 2009-03-11 2010-09-24 Yamaha Corp Ｄ級増幅回路
DE112010003189T5 (de) * 2009-08-05 2012-09-20 Mitsubishi Electric Corporation DC/DC-Leistungsumwandlungsvorrichtung
JP2017530682A (ja) * 2014-10-02 2017-10-12 メルス オーディオ アンパーツゼルスカブ 多出力ブーストｄｃ−ｄｃ電力コンバータ
EP3242385A1 (de) * 2016-05-06 2017-11-08 Merus Audio ApS Gleichspannungswandler mit an die last angepasstem betrieb

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4654769A (en) * 1984-11-02 1987-03-31 California Institute Of Technology Transformerless dc-to-dc converters with large conversion ratios
WO2011135012A2 (en) * 2010-04-28 2011-11-03 St-Ericsson Sa Direct current voltage conversion circuit
US20120032664A1 (en) * 2010-08-03 2012-02-09 Microsemi Corporation Single inductor power converter system and methods
US20150028839A1 (en) * 2013-07-26 2015-01-29 Entropic Communications, Inc. High efficiency switched capacitor voltage regulator
US20150098562A1 (en) * 2013-10-07 2015-04-09 Microsemi Semiconductor (U.S.) Inc. Voltage regulator with charge pump for generating second voltage source

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11251708B2 (en) 2019-08-16 2022-02-15 Samsung Electronics Co., Ltd. Inverting switching regulator using charge pump and operating method thereof
DE102021212140A1 (de) 2021-07-26 2023-01-26 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Hybrid-Architektur für eine DC-DC-Umwandlung
US11601056B2 (en) 2021-07-26 2023-03-07 Dialog Semiconductor (Uk) Limited Hybrid architecture for DC-DC conversion
DE102022200894A1 (de) 2022-01-27 2023-07-27 Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung Spannungswandler und Verfahren zur Ansteuerung eines Spannungswandlers

Also Published As

Publication number Publication date
US10910947B2 (en) 2021-02-02
US20200212801A1 (en) 2020-07-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102018222905A1 (de) Single Inductor Multiple Output-Regler mit hybrider Negativ- und Positivschienen-Generierung
DE60118161T2 (de) Stromwandler
DE102020200927A1 (de) Hybrid-Mehrpegel-Leistungsumsetzer mit lnduktor zwischen Stufen
DE102015212331A1 (de) Hochleistungsschaltaufwärtswandler mit reduzierter Induktorstromwelligkeit
DE102015114371B4 (de) System und verfahren für einen schalter mit einem selbstleitenden transistor und einem selbstsperrenden transistor
DE102019214195A1 (de) Mehrstufiger leistungswandler
DE102019002209A1 (de) Effiziente buck-boost-ladepumpe und verfahren dafür
DE102019206421A1 (de) Hybrid-Gleichspannungsleistungsumsetzer mit klkeinem Spannungsumsetzungsverhältnis
DE102015209330A1 (de) Hocheffiziente schaltende Ladevorrichtung mit verringerter Eingangsspannungswelligkeit
DE102016225795A1 (de) Hybrid-dcdc-leistungswandler mit höherer effizienz
DE102020211701A1 (de) Regelkreisschaltung
AT516601B1 (de) Flyback-Converter-Schaltung
DE102016204374B4 (de) Schaltleistungswandler mit mehreren Ausgängen
DE112012005868T5 (de) DC-DC-Wandler
DE102011118581A1 (de) Kontaktloses Energieübertragungssystem und Steuerverfahren dafür
DE102019214155A1 (de) Leistungswandler
EP2026457A1 (de) Wechselrichter mit zwei Zwischenkreisen
DE102016205509A1 (de) Schaltkondensatoren mit invertiertem "Break-Before-Make" ohne externen filternden Lastkondensator
DE102007038960A1 (de) Wechselrichter
DE4304694A1 (de)
DE102013106744A1 (de) Spannungsregelschaltung
DE112007002238T5 (de) Spannungswandler mit Mehrfachausgang und Mehrfachtopologie
DE102004031394B4 (de) Gleichspannungswandler und Verfahren zur Umsetzung einer Gleichspannung
DE102009024161B4 (de) Elektronische Vorrichtung und Verfahren zur DC-DC-Umwandlung
DE102020213004A1 (de) Leistungswandler

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: H02M0003156000

Ipc: H02M0003158000

R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication
R016 Response to examination communication