DE102019002209A1

DE102019002209A1 - Effiziente buck-boost-ladepumpe und verfahren dafür

Info

Publication number: DE102019002209A1
Application number: DE102019002209.2A
Authority: DE
Inventors: Miroslav Hukel
Original assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Current assignee: Semiconductor Components Industries LLC
Priority date: 2018-04-09
Filing date: 2019-03-27
Publication date: 2019-10-10
Also published as: CN110365208B; US10992221B2; CN110365208A; US20190312514A1

Abstract

Eine Buck-Boost-Ladepumpe schließt einen fliegenden Kondensator und ein Schalternetzwerk ein. Das Schalternetzwerk verbindet einen Eingangsanschluss mit einem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators unter Verwendung eines ersten Doppelschalters und den zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators mit einem Spannungsanschluss der Stromversorgung unter Verwendung eines zweiten Schalters in einer Ladephase eines Boost-Modus, den Eingangsanschluss mit dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators unter Verwendung eines dritten Schalters und den ersten Anschluss des fliegenden Kondensators mit einem Ausgangsanschluss unter Verwendung des vierten Schalters sowohl in einer Entladephase des Boost-Modus als auch in einer Ladephase eines Buck-Modus, und den Spannungsanschluss der Stromversorgung mit dem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators unter Verwendung eines ersten Schalters und den zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators mit dem Ausgangsanschluss unter Verwendung eines zweiten Doppelschalters in einer Entladephase des Buck-Modus.

Description

GEBIET DER OFFENBARUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Stromwandlerschaltungen und insbesondere auf Ladepumpenwandler.
HINTERGRUND
DC/DC-Wandler sind Stromwandler, die eine Gleichstrom-(DC)-Spannung in eine andere Gleichstromspannung umwandeln. Wenn der Wandler eine Eingangsspannung von einer niedrigeren Spannung in eine höhere Ausgangsspannung umwandelt, spricht man von einem Boost-Wandler. Ein Ladepumpenwandler verwendet Schalter und einen Kondensator, um alternativ einen ersten Anschluss des Kondensators mit einer Eingangsspannung und den zweiten Anschluss mit Erde in einer Ladephase, und den ersten Anschluss des Kondensators mit dem Ausgangsanschluss und den zweiten Anschluss des Kondensators mit dem Eingangsanschluss in einer Entladephase zu verbinden. Wenn der Wandler eine höhere Spannung in eine niedrigere Ausgangsspannung umwandelt, spricht man von einem Buck-Wandler. Ein Ladepumpen-Buck-Wandler verbindet alternativ den ersten Anschluss des Kondensators mit der Eingangs- und den zweiten Anschluss des Kondensators mit der Ausgangsspannung während einer Ladephase, und den ersten Anschluss des Kondensators mit der Ausgangsspannung und den zweiten Anschluss des Kondensators mit der Erde in einer Entladephase, um die Eingangsspannung zu reduzieren. Wenn der Ladepumpenwandler eine variable Eingangsspannung umwandelt, die während des Betriebs entweder höher oder niedriger als die Soll-Ausgangsspannung sein kann, spricht man von einem Buck-Boost-Ladepumpenwandler, da er je nach dem Wert der Eingangsspannung alternativ im Buck-Modus oder im Boost-Modus arbeiten kann.
Buck-Boost-Ladepumpenwandler sind für viele Anwendungen attraktiv, da sie kostengünstig sind und mit Batterien betrieben werden können, deren Eingangsspannungen über einen weiten Bereich variieren, wenn sie allmählich vom vollständig geladenen in den entladenen Zustand übergehen. Typische Buck-Boost-Ladepumpenwandler verwenden fünf Schalter, von denen zwei Doppelschalter mit Transistoren sind, deren Back-to-Back-Body-Dioden eine Rückleitung vom Ausgang des Wandlers zum Eingang verhindern. Die Hauptquelle für Effizienzverluste bei Ladepumpenwandlern sind große Ströme, die durch die Transistoren fließen und ohmsche Verluste verursachen, da die Durchlasswiderstände der für die Schalter verwendeten Transistoren nicht Null sind. Diese Verluste werden als IR-Verluste bezeichnet. Um den Umwandlungswirkungsgrad von Buck-Boost-Wandlern zu verbessern, wäre es wünschenswert, die IR-Verluste zu reduzieren.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung kann besser verstanden werden, und ihre zahlreichen Merkmale und Vorteile können dem Fachmann offensichtlicher gemacht werden, indem Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen wird, in denen:

1 schematisch eine nach dem Stand der Technik bekannte Buck-Boost-Ladepumpe veranschaulicht;
2 schematisch ein Diagramm veranschaulicht, das den Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe von 1 während einer Ladephase eines Boost-Modus zeigt;
3 schematisch ein Diagramm veranschaulicht, das den Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe von 1 während einer Entladephase des Boost-Modus zeigt;
4 schematisch ein Diagramm veranschaulicht, das den Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe von 1 während einer Ladephase eines Buck-Modus zeigt;
5 schematisch ein Diagramm veranschaulicht, das den Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe von 1 während einer Entladephase des Buck-Modus zeigt;
6 schematisch eine nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bekannte Buck-Boost-Ladepumpe veranschaulicht;
7 schematisch ein Diagramm veranschaulicht, das den Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe von 6 während der Ladephase des Boost-Modus zeigt;
8 schematisch ein Diagramm veranschaulicht, das den Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe von 6 während der Entladephase des Boost-Modus zeigt;
9 schematisch ein Diagramm veranschaulicht, das den Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe von 6 während der Ladephase des Buck-Modus zeigt;
10 schematisch ein Diagramm veranschaulicht, das den Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe von 6 während der Entladephase des Buck-Modus zeigt; und
11 in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds einen Buck-Boost-Wandler für integrierte Schaltungen gemäß einer anderen Ausführungsform veranschaulicht.

Ähnliche oder identische Elemente in den verschiedenen Zeichnungen sind mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Soweit nicht anders vermerkt, beziehen sich das Wort „gekoppelt“ sowie seine zugehörigen Verbformen sowohl auf eine direkte Verbindung als auch eine indirekte elektrische Verbindung anhand von Einrichtungen der in der Fachwelt bekannten Art, und soweit nicht anders angegeben, beinhaltet jede Beschreibung einer direkten Verbindung auch alternative Ausführungsformen unter Verwendung geeigneter Formen der indirekten elektrischen Verbindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
1 veranschaulicht schematisch eine nach dem Stand der Technik bekannte Buck-Boost-Ladepumpe 100. Die Buck-Boost-Ladepumpe 100 schließt einen Eingangskondensator 110, einen Doppelschalter 120, einen fliegenden Kondensator 130, einen Transistor 140, einen Transistor 150, einen Doppelschalter 160, einen Transistor 170 und einen Ausgangskondensator 180 ein. Der Eingangskondensator 110 weist einen ersten als „V_IN “ bezeichneten Anschluss zum Empfangen einer Eingangsspannung und einen zweiten Anschluss, der geerdet ist, auf.
Die Doppelschalter 120 weist einen ersten Anschluss zum Empfangen von V_IN , einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf. Der Doppelschalter 120 schließt die Transistoren 122 und 124 ein. Der Transistor 122 ist ein P-Kanal-Doppeldiffusor-Metalloxid-Halbleiter-(DMOS)-Transistor mit einem ersten Source-Drain-Anschluss zum Empfangen von V_IN , einem Gate, einem zweiten Source-Drain-Anschluss und einer Body-Diode mit einer mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss verbundenen Anode und einer mit dem ersten Source-Drain-Anschluss verbundenen Kathode. Der Transistor 124 ist ein P-Kanal-DMOS-Transistor mit einem ersten Source-Drain-Anschluss, der mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss des Transistors 122 verbunden ist, einem Gate, einem zweiten Source-Drain-Anschluss und einer Body-Diode mit einer mit dem ersten Source-Drain-Anschluss verbundenen Anode und einer mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss verbundenen Kathode.
Der fliegende Kondensator 130 weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss des Transistors 124 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss auf. Der Transistor 140 ist ein N-Kanal-DMOS-Transistor mit einem ersten Source-Drain-Anschluss zum Empfangen von V_IN , einem Gate, einem zweiten Source-Drain-Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators 130 verbunden ist, und einer Body-Diode mit einer mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss verbundenen Anode und einer mit dem ersten Source-Drain-Anschluss verbundenen Kathode. Der Transistor 150 ist ein N-Kanal-DMOS-Transistor mit einem ersten Source-Drain-Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators 130 verbunden ist, einem Gate, einem zweiten Source-Drain-Anschluss, der geerdet ist, und einer Body-Diode mit einer mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss verbundenen Anode und einer mit dem ersten Source-Drain-Anschluss verbundenen Kathode.
Der Doppelschalter 160 weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Doppelschalters 120 und mit dem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators 130 verbunden ist, einen zweiten Anschluss zum Bereitstellen einer mit „V_CP “ bezeichneten Ausgangsspannung und einen Steueranschluss auf. Der Doppelschalter 160 schließt die Transistoren 162 und 164 ein. Der Transistor 162 ist ein P-Kanal-DMOS-Transistor mit einem ersten Source-Drain-Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Doppelschalters 120 und mit dem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators 130 verbunden ist, einem Gate, einem zweiten Source-Drain-Anschluss und einer Body-Diode mit einer mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss verbundenen Anode und einer mit dem ersten Source-Drain-Anschluss verbundenen Kathode. Der Transistor 164 ist ein P-Kanal-DMOS-Transistor mit einem ersten Source-Drain-Anschluss, der mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss des Transistors 162 verbunden ist, einem Gate, einem zweiten Source-Drain-Anschluss zum Bereitstellen von V_CP , und einer Body-Diode mit einer mit dem ersten Source-Drain-Anschluss verbundenen Anode und einer mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss verbundenen Kathode.
Der Transistor 170 ist ein N-Kanal-DMOS-Transistor mit einem ersten Source-Drain-Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators 130, mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss des Transistors 140 und mit dem ersten Source-Drain-Anschluss des Transistors 150 verbunden ist, einem Gate, einem zweiten Source-Drain-Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Doppelschalters 160 verbunden ist, und einer Body-Diode mit einer mit dem ersten Source-Drain-Anschluss verbundenen Anode und einer mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss verbundenen Kathode. Der Ausgangskondensator 180 weist einen ersten Anschluss, der mit den zweiten Anschlüssen des Doppelschalters 160 und des Transistors 170 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der geerdet ist, auf.
Im Betrieb verfügt die Buck-Boost-Ladepumpe 100 über ein Schaltnetzwerk von fünf Schaltern, einschließlich des Doppelschalters 120, Transistoren 140 und 150, des Doppelschalters 160 und des Transistors 170. Die Buck-Boost-Ladepumpe 100 betätigt die Schalter entweder in einem Buck-Modus oder einem Boost-Modus, basierend auf dem Wert von V_IN im Vergleich zum Sollwert der V_CP . Wenn V_IN größer ist als der Sollwert von V_CP , so betreibt das Steuergerät das Schaltnetzwerk in einem Buck-Modus. Wenn V_IN kleiner ist als der Sollwert von V_CP , so betreibt das Steuergerät das Schaltnetzwerk in einem Boost-Modus.
Es ist wichtig, dass die Buck-Boost-Ladepumpe 100 so effizient wie möglich arbeitet. Es gibt jedoch bestimmte Schaltungseigenschaften, die die Effizienz des Betriebs beeinträchtigen. Jeder Transistor hat einen Durchlasswiderstand, der den Wirkungsgrad durch IR-Verluste reduziert. Außerdem verwendet die Buck-Boost-Ladepumpe 100 P-Kanal-Transistoren in den Doppelschaltern 120 und 160, aber diese Schalter haben einen höheren Durchlasswiderstand für eine gegebene Größe in typischen CMOS-Fertigungsprozessen. Diese Asymmetrie macht es notwendig, ihre Größe im Vergleich zu den N-Kanal-Transistoren zu vergrößern, um weniger als einen gegebenen Durchlasswiderstandsbetrag zu erreichen. Die Doppelschalter selbst werden verwendet, um den Rückstromfluss durch die entsprechenden Body-Dioden zu verhindern, wenn die Schalter nichtleitend sind, aber die Verwendung von zwei Transistoren erhöht den Durchlasswiderstand, wenn die Schalter leitend sind. Der Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe 100 im Buck- und Boost-Modus sowie in der Lade- und Entladephase wird nun beschrieben.
2 veranschaulicht schematisch ein Diagramm 200, das den Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe 100 von 1 während einer Ladephase eines Boost-Modus zeigt. In dieser und den folgenden FIG. werden die Phasen, in denen die jeweiligen Transistoren leitend sind, durch eine an die Schaltungselemente angrenzende Schreibweise gekennzeichnet, in der „U1“ die Ladephase des Boost-(oder „up“)-Modus darstellt, „U2“ die Entladephase des Boost-Modus darstellt, „D₁ “ die Ladephase des Buck-(oder „down“)-Modus darstellt und „D₂ “ die Entladephase des Boost-Modus darstellt. Das Diagramm 200 zeigt einen Leitungspfad 210, bei dem das Steuergerät die Transistoren 122 und 124 im Doppelschalter 120 und den Transistor 150 leitend macht, während es alle anderen Transistoren nichtleitend macht. Der Leitungspfad 210 lädt den fliegenden Kondensator 130 mit einer positiven Spannung zwischen dem ersten und zweiten Anschluss davon auf. Der Leitungspfad 210 schließt zwei P-Kanal-Transistoren und einen N-Kanal-Transistor ein, die die Spannung über den fliegenden Kondensator 130 aufgrund von ohmschen Spannungsabfällen der jeweiligen Durchlasswiderstände reduzieren.
3 veranschaulicht schematisch ein Diagramm 300, das den Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe 100 von 1 während einer Entladephase des Boost-Modus zeigt. Das Diagramm 200 zeigt einen Leitungspfad 310, bei dem das Steuergerät den Transistor 140 und die Transistoren 162 und 164 im Doppelschalter 160 leitend macht, während es alle anderen Transistoren nichtleitend macht. Der Leitungspfad 310 erhöht die Spannung am ersten Anschluss des fliegenden Kondensators 130, indem er die Spannung am zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators 130 um einen Betrag von etwa V_IN erhöht. Der Leitungspfad 310 schließt einen N-Kanaltransistor und zwei P-Kanaltransistoren ein, die die erhöhte Spannung von V_CP aufgrund von ohmschen Spannungsabfällen der jeweiligen Durchlasswiderstände reduzieren.
4 veranschaulicht schematisch ein Diagramm 400, das den Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe 100 von 1 während einer Ladephase eines Buck-Modus zeigt. Das Diagramm 400 zeigt einen Leitungspfad 410, in dem das Steuergerät die Transistoren 122 und 124 im Doppelschalter 120 und den Transistor 170 leitend macht, während es alle anderen Transistoren nichtleitend macht. Der Leitungspfad 410 lädt den fliegenden Kondensator 130 zwischen dessen ersten und zweiten Anschluss mit einer positiven Spannung entsprechend der Differenz zwischen V_IN und V_CP auf. Der Leitungspfad 410 schließt zwei P-Kanal-Transistoren und einen N-Kanal-Transistor ein, die die Spannung am fliegenden Kondensator 130 aufgrund von ohmschen Spannungsabfällen der jeweiligen Durchlasswiderstände reduzieren.
5 veranschaulicht schematisch ein Diagramm 500, das den Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe 100 von 1 während einer Entladephase des Buck-Modus zeigt. Das Diagramm 500 zeigt einen Leitungspfad 510, bei dem das Steuergerät den Transistor 150 und die Transistoren 162 und 164 im Doppelschalter 160 leitend macht, während es alle anderen Transistoren nichtleitend macht. Der Leitungspfad 510 reduziert die Spannung an V_CP entsprechend der Differenz zwischen V_IN und V_CP . Der Leitungspfad 510 schließt einen N-Kanal-Transistor und zwei P-Kanal-Transistoren ein, die den Spannungsabfall an V_CP aufgrund von ohmschen Spannungsabfällen der jeweiligen Durchlasswiderstände reduzieren.
Somit wird in jeder der Lade- und Entladephasen jedes der Buck- und Boost-Modi die Effizienz des Ladepumpenbetriebs durch den Durchlasswiderstand von zwei P-Kanal-Transistoren und einem N-Kanal-Transistor reduziert. Um die Effizienz dieser Architektur zu erhöhen, können die Größen der Transistoren erhöht werden, aber diese Erhöhung erhöht die Kosten für den Wandler. Darüber hinaus müssen die in den Doppelschaltern verwendeten P-Kanal-Transistoren aufgrund der unterschiedlichen Leitfähigkeiten zwischen N- und P-Kanal-Transistoren in zahlreichen typischen CMOS-Prozessen stärker erhöht werden als entsprechende N-Kanal-Transistoren.
Entsprechend den hierin offenbarten Ausführungsformen hat der Erfinder jedoch eine Technik entwickelt, um die Effizienz der hysteretischen Buck-Boost-Wandlung zu verbessern, ohne die Größe der Vorrichtung erhöhen zu müssen. Ein neuer hysteretischer Buck-Boost-Wandler, der diese verbesserte Effizienz erreicht, wird nun beschrieben.
6 veranschaulicht schematisch eine nach einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bekannte Buck-Boost-Ladepumpe 600. Die Buck-Boost-Ladepumpe 600 schließt einen Transistor 610, einen fliegenden Kondensator 620, einen Transistor 630, einen Eingangsschaltabschnitt 640, einen Ausgangsschaltabschnitt 650, einen Eingangskondensator 660, einen Ausgangskondensator 670 und ein Steuergerät 680 ein.
Der Transistor 610 ist ein N Kanal-DMOS-Transistor mit einem ersten Source-Drain-Anschluss, der geerdet ist, einem Gate, einem zweiten Source-Drain-Anschluss und einer Body-Diode mit einer mit dem ersten Source-Drain-Anschluss verbundenen Anode und einer mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss verbundenen Kathode. Der fliegende Kondensator 620 weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss des Transistors 610 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss auf. Der Transistor 630 ist ein N-Kanal-DMOS-Transistor mit einem ersten Source-Drain-Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators 620 verbunden ist, einem Gate, einem zweiten Source-Drain-Anschluss, der geerdet ist, und einer Body-Diode mit einer mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss verbundenen Anode und einer mit dem ersten Source-Drain-Anschluss verbundenen Kathode.
Der Eingangsschaltabschnitt 640 schließt einen Doppelschalter 642 und einen Transistor 648 ein. Der Doppelschalter 642 weist einen ersten Anschluss zum Empfangen von V_IN und einen Steueranschluss auf. Der Doppelschalter 642 schließt die Transistoren 644 und 646 ein. Der Transistor 644 ist ein P-Kanal-DMOS-Transistor mit einem ersten Source-Drain-Anschluss zum Empfangen von V_IN , einem Gate, einem zweiten Source-Drain-Anschluss und einer Body-Diode mit einer mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss verbundenen Anode und einer mit dem ersten Source-Drain-Anschluss verbundenen Kathode. Der Transistor 646 ist ein P-Kanal-DMOS-Transistor mit einem ersten Source-Drain-Anschluss, der mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss des Transistors 644 verbunden ist, einem Gate, einem zweiten Source-Drain-Anschluss, der mit dem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators 620 verbunden ist, und einer Body-Diode mit einer mit dem ersten Source-Drain-Anschluss verbundenen Anode und einer mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss verbundenen Kathode. Der Transistor 648 ist ein P Kanal-DMOS-Transistor mit einem ersten Source-Drain-Anschluss zum Empfangen von V_IN , einem Gate, einem zweiten Source-Drain-Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators 620 und dem ersten Source-Drain-Anschluss des Transistors 630 verbunden ist, und einer Body-Diode mit einer mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss verbundenen Anode und einer mit dem ersten Source-Drain-Anschluss verbundenen Kathode.
Der Ausgangsschaltabschnitt 650 schließt einen Transistor 652 und einen Doppelschalter 654 ein. Der Transistor 652 ist ein P-Kanal-DMOS-Transistor mit einem ersten Source-Drain-Anschluss, der mit dem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators 620 verbunden ist, einem Gate, einem zweiten Source-Drain-Anschluss zum Bereitstellen der Ausgangsspannung V_CP , und einer Body-Diode mit einer mit dem ersten Source-Drain-Anschluss verbundenen Anode und einer mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss verbundenen Kathode. Der Doppelschalter 654 weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators 620, mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss des Transistors 648 und mit dem ersten Source-Drain-Anschluss des Transistors 630 verbunden ist, einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf. Der Doppelschalter 654 schließt die Transistoren 656 und 658 ein. Der Transistor 656 ist ein N-Kanal-DMOS-Transistor mit einem ersten Source-Drain-Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators 620, mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss des Transistors 648 und mit dem ersten Source-Drain-Anschluss des Transistors 630 verbunden ist, einem Gate, einem zweiten Source-Drain-Anschluss, und einer Body-Diode mit einer mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss verbundenen Anode und einer mit dem ersten Source-Drain-Anschluss verbundenen Kathode. Der Transistor 658 ist ein N-Kanal-DMOS-Transistor mit einem ersten Source-Drain-Anschluss, der mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss des Transistors 656 verbunden ist, einem Gate, einem zweiten mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss des Transistors 652 verbundenen Source-Drain-Anschluss, und einer Body-Diode mit einer mit dem ersten Source-Drain-Anschluss verbundenen Anode und einer mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss verbundenen Kathode.
Der Eingangskondensator 660 weist einen ersten Anschluss zum Empfangen von V_IN und einen zweiten Anschluss, der geerdet ist, auf. Der Ausgangskondensator 670 weist einen ersten Anschluss, der mit den zweiten Anschlüssen des Transistors 652 und des Doppelschalters 654 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der geerdet ist, auf. Das Steuergerät 680 weist einen ersten Eingang zum Empfangen der Ausgangsspannung V_CP , einen zweiten Eingang für einen Sollwert von V_CP , einen dritten Eingang zum Empfangen der Eingangsspannung V_IN , einen vierten Eingang zum Empfangen eines mit „CLOCK“ bezeichneten Taktsignals und einen Satz von Ausgängen, die mit den Gates der jeweiligen Transistoren in den Einzel- und Doppelschaltern verbunden sind, auf.
Im Betrieb verwendet die Buck-Boost-Ladepumpe 600 eine Sechs-Schalter-Ladepumpenarchitektur mit einem einzigen fliegenden Kondensator. Sie arbeitet effizienter als die Buck-Boost-Ladepumpe 100 von 1, indem sie die IR-Verluste durch die Leitungspfade durch Hinzufügung eines einzigen Transistors, des Transistors 610 reduziert.
In der Buck-Boost-Ladepumpe 100 war der fliegende Kondensator 130 so polarisiert, dass sein erster Anschluss immer auf eine höhere Spannung als die Spannung an seinem zweiten Anschluss vorgespannt war. Bei der Buck-Boost-Ladepumpe 600 kehrt das Steuergerät 680 jedoch die Polarität des fliegenden Kondensators 620 während des Buck- und Boost-Modus um, um die Anzahl der Schaltelemente zu reduzieren, durch die der Leitungspfad gebildet wird. Insbesondere macht die Umkehrung der Polarisation des fliegenden Kondensators 620 die Verwendung eines Doppelschalters während einer Phase jedes der Boost- und Buck-Modi überflüssig, indem sie den Widerstand des Leitungspfads reduziert. Darüber hinaus ermöglicht die Umkehrung der Polarisation des fliegenden Kondensators die Verwendung von N-Kanal-Transistoren für den im Buck-Modus verwendeten Doppelschalter, was eine weitere Reduzierung des Pfadwiderstands im Buck-Modus ermöglicht. Der Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe 600 wird nun basierend auf denselben Modi und Phasen wie vorstehend für die Buck-Boost-Ladepumpe 100 beschrieben.
7 veranschaulicht schematisch ein Diagramm 700, das den Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe 600 von 6 während der Ladephase des Boost-Modus zeigt. Das Diagramm 700 zeigt einen Leitungspfad 710, in dem das Steuergerät 680 die Transistoren 644 und 646 im Doppelschalter 642 und den Transistor 630 leitend macht, während es alle anderen Transistoren nichtleitend macht. Der Leitungspfad 710 lädt den fliegenden Kondensator 620 mit einer positiven Spannung zwischen dem ersten und zweiten Anschluss davon. Der Leitungspfad 710 schließt zwei P-Kanal-Transistoren und einen N-Kanal-Transistor ein, die die Spannung über den fliegenden Kondensator 620 aufgrund von ohmschen Spannungsabfällen der jeweiligen Durchlasswiderstände reduzieren.
8 veranschaulicht schematisch ein Diagramm 800, das den Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe 600 von 6 während der Entladephase des Boost-Modus zeigt. Das Diagramm 800 zeigt einen Leitungspfad 810, bei dem das Steuergerät 680 den Transistor 648 und den Transistor 652 leitend macht, während es alle anderen Transistoren nichtleitend macht. Der Leitungspfad 810 erhöht die Spannung am ersten Anschluss des fliegenden Kondensators 620, indem er die Spannung am zweiten Anschluss um einen Betrag von etwa V_IN erhöht. Der Leitungspfad 810 schließt zwei P-Kanal-Transistoren ein, die die erhöhte Spannung am ersten Anschluss des fliegenden Kondensators 620 aufgrund von ohmschen Spannungsabfällen der jeweiligen Durchlasswiderstände reduzieren.
9 veranschaulicht schematisch ein Diagramm 900, das den Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe 600 von 6 während der Ladephase des Buck-Modus zeigt. Das Diagramm 900 zeigt einen Leitungspfad 910, in dem das Steuergerät 680 die Transistoren 648 und 652 leitend macht, während es alle anderen Transistoren nichtleitend macht. Der Leitungspfad 910 lädt den fliegenden Kondensator 620 mit einer negativen Spannung zwischen dem ersten und zweiten Anschluss entsprechend der Differenz zwischen V_IN und V_CP auf. Der Leitungspfad 910 schließt zwei P-Kanal-Transistoren ein, die die Spannung am fliegenden Kondensator 620 aufgrund von ohmschen Spannungsabfällen der jeweiligen Durchlasswiderstände reduzieren.
10 veranschaulicht schematisch ein Diagramm 1000, das den Betrieb der Buck-Boost-Ladepumpe 600 von 6 während der Entladephase des Buck-Modus zeigt. Das Diagramm 1000 zeigt einen Leitungspfad 1010, bei dem das Steuergerät 680 den Transistor 610 und die Transistoren 656 und 658 im Doppelschalter 654 leitend macht, während es alle anderen Transistoren nichtleitend macht. Der Leitungspfad 1010 reduziert die Spannung am ersten Anschluss des fliegenden Kondensators 620 gegen Erde und reduziert die Spannung am zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators 620 entsprechend der Differenz zwischen V_IN und V_CP . Der Leitungspfad 1010 schließt drei N-Kanal-Transistoren ein, die den Spannungsabfall an V_CP aufgrund von ohmschen Spannungsabfällen der jeweiligen Durchlasswiderstände reduzieren.
Somit wird in jeder der Lade- und Entladephasen sowohl des Buck- als auch des Boost-Modus die Effizienz des Ladepumpenbetriebs der Buck-Boost-Ladepumpe 600 im Vergleich zu dem der Buck-Boost-Ladepumpe 100 von 1 verbessert. Insbesondere reduziert die Ladephase des Boost-Modus die Spannungen um den Durchlasswiderstand von zwei P-Kanal-Transistoren und einem N-Kanal-Transistor, aber die Entladephase reduziert die Spannungen nur um den Durchlasswiderstand von zwei P-Kanal-Transistoren. Somit entsprechen die IR-Verluste im Boost-Modus nur vier P-Kanal-Transistoren und einem N-Kanal-Transistor. Wenn in dem jeweiligen Prozess die P-Kanal-Leitfähigkeit die Hälfte der N-Kanal-Transistor-Leitfähigkeit beträgt, dann ist der gesamte IR-Verlust der Buck-Boost-Ladepumpe 100 4P + 2N = 4(2R) + 2R = 10R pro Schaltzyklus. Der gesamte IR-Verlust der Buck-Boost-Ladepumpe 600 beträgt jedoch 4P + 1N = 4(2R) + 1R = 9R pro Schaltzyklus, was eine 10 %ige Verringerung des IR-Verlusts darstellt.
Ebenso reduziert die Ladephase des Buck-Modus die Spannungen um den Durchlasswiderstand von zwei P-Kanal-Transistoren, während die Entladephase die Spannungen um den Durchlasswiderstand von drei N-Kanal-Transistoren reduziert. Somit entsprechen die IR-Verluste im Buck-Modus nur zwei P-Kanal-Transistoren und drei N-Kanal-Transistoren. Wenn in dem jeweiligen Prozess die P-Kanal-Leitfähigkeit die Hälfte der N-Kanal-Transistor-Leitfähigkeit beträgt, dann ist der gesamte IR-Verlust der Buck-Boost-Ladepumpe 100 wieder 4P + 2N = 4(2R) + 2R = 10R pro Schaltzyklus. Der gesamte IR-Verlust der Buck-Boost-Ladepumpe 600 beträgt jedoch 2P + 3N = 2(2R) + 3R = 7R, was einer 30 %igen Verringerung des IR-Verlustes entspricht.
Durch Variation der Polarität des fliegenden Kondensators in Abhängigkeit vom gewählten Modus und durch Hinzufügen eines einzelnen N-Kanal-Transistors arbeitet die Buck-Boost-Ladepumpe 600 also mit einer deutlich höheren Effizienz als die Buck-Boost-Ladepumpe 100 von 1.
11 veranschaulicht in der Form eines Teilblockdiagramms und Teilschaltbilds einen Buck-Boost-Wandler 1100 für integrierte Schaltungen gemäß einer anderen Ausführungsform. Der Buck-Boost-Wandler 1100 für integrierte Schaltungen schließt einen Satz externer Anschlüsse mit einem V_IN -Anschluss 1101, einem Freigabe- (EN)-Anschluss 1102, einem Erdungsanschluss (GND) 1103, einem Ausgangswiderstands-(RO)-Anschluss 1104, einem Spannungsausgangsanschluss (V_OUT ) 1105, einem V_CP -Anschluss 1106, einem negativen Kondensatoranschluss (C-) 1107 und einem positiven Kondensatoranschluss (C+) 1108 ein.
Intern schließt der Buck-Boost-Wandler 1100 eine Reihe von Buck-Boost-Ladepumpenschaltern 1110, eine Freigabelogikschaltung 1120, einen Referenzspannungs- (V_REF ) -generator 1130, eine Spannungsteilerschaltung 1140, einen Komparator 1150, einen Eingangsspannungswächter 1160, ein Steuergerät 1170, einen Low-Dropout- (LDO) -Regler 1180 und einen Widerstand 1190 ein. Der Buck-Boost-Ladepumpen-Leistungsschalterblock 1110 hat einen Spannungseingangsanschluss zum Empfangen von Spannung V_IN , einen Erdungsanschluss, einen ersten Anschluss für den fliegende Kondensator, der mit dem C+-Anschluss 1108 verbunden ist, einen zweiten Anschluss für den fliegenden Kondensator, der mit dem C--Anschluss 1107 verbunden ist, und einen Ausgang, der mit dem V_CP -Anschluss 1106 verbunden ist.
Die Freigabeschaltung 1120 weist einen Eingang, der mit dem Anschluss EN 1102 verbunden ist, einen ersten Ausgang und einen zweiten Ausgang auf. Der V_REF -Generator 1130 weist einen Eingang, der mit dem Ausgang der Freigabelogikschaltung 1120 verbunden ist, und einen Ausgang zur Bereitstellung der Referenzspannung V_REF auf.
Die Spannungsteilerschaltung 1140 schließt einen Schalter 1142 und die Widerstände 1144 und 1146 ein. Der Schalter 1142 weist einen ersten Anschluss zum Empfangen von V_IN , einen zweiten Anschluss und einen Steueranschluss auf, der mit dem ersten Ausgangsanschluss der Freigabelogikschaltung 1120 verbunden ist. Der Widerstand 1144 weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Schalters 1142 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss auf. Der Widerstand 1146 weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Widerstands 1144 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit Masse verbunden ist, auf.
Der Komparator 1150 weist einen positiven Eingang, der mit dem Ausgang des V_REF -Generators 1130 zum Empfangen von V_REF verbunden ist, einen negativen Eingang, der mit dem zweiten Anschluss des Widerstands 1144 verbunden ist, und einen Ausgang auf. Der Eingangsspannungswächter 1160 weist einen Eingang, der mit dem Ausgangsanschluss des Komparators 1150 verbunden ist, und einen Ausgang auf. Das Steuergerät 1170 weist einen ersten Eingang zum Empfangen des CLOCKK-Signals, einen zweiten Eingang, der mit dem Ausgang des Eingangsspannungswächters 1160 verbunden ist, und einen Ausgang, der mit dem zweiten Eingang der Buck-Boost-Ladepumpenschalter 1110 verbunden ist, auf.
Der LDO-Regler 1180 weist einen ersten Eingang, der mit dem Ausgang der Buck-Boost-Ladepumpenschalter 1110 verbunden ist, einen zweiten Eingang zum Empfangen von V_REF , einen dritten Eingang, der mit dem RO-Anschluss 1104 verbunden ist, einen vierten Eingang, der geerdet ist, und einen Ausgang zum Bereitstellen von V_OUT , auf. Der Widerstand 1190 weist einen ersten Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des Widerstands 1105 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem RO-Anschluss 1104 verbunden ist, auf.
Im Betrieb implementiert der Buck-Boost-Wandler 1100 für integrierte Schaltungen eine Buck-Boost-Ladepumpe nach den vorstehend beschriebenen Prinzipien in einer praktischen Anwendung. Der EN-Anschluss 1102 empfängt ein Freigabesignal, das den Betrieb des Buck-Boost-Wandlers für integrierte Schaltungen 1100 aktiviert und deaktiviert. Als Reaktion auf eine niedrige Spannung am EN-Anschluss 1102 deaktiviert die Freigabelogikschaltung 1120 den Betrieb des Buck-Boost-Wandlers 1100 für integrierte Schaltungen, indem sie beispielsweise den Schalter 1142 öffnet, den V_REF -Generator 1130 deaktiviert und die Erzeugung von Taktsignalen im Steuergerät 1170 stoppt. Als Reaktion auf eine hohe Spannung am EN-Anschluss 1102 aktiviert die Freigabelogikschaltung 1120 den Betrieb des Buck-Boost-Wandlers 1100 für integrierte Schaltungen, indem sie beispielsweise den Schalter 1142 schließt, um eine geteilte Spannung am negativen Anschluss des Komparators 1150 bereitzustellen, wodurch der V_REF Generator 1130 aktiviert und die Erzeugung von Taktsignalen an das Steuergerät 1170 aktiviert wird.
Während des normalen Betriebs schließt die Freigabelogikschaltung 1120 den Schalter 1142. Wenn der Schalter 1142 geschlossen ist, bilden die Widerstände 1144 und 1146 einen Spannungsteiler. Der Komparator 1150 vergleicht den geteilten Wert von V_IN mit V_REF , und der Eingangsspannungswächter 1160 liefert als Reaktion darauf ein Modussignal an das Steuergerät. Wenn V_IN um mindestens einen ersten Betrag größer ist als die Soll V_REF , betätigt das Steuergerät 1170 die Buck-Boost-Ladepumpenschalter 1110 im Buck-Modus wie vorstehend beschrieben. Wenn V_IN kleiner als die Soll-V_OUT ist, betätigt das Steuergerät 1170 die Buck-Boost-Ladepumpenschalter 1110 im Boost-Modus wie vorstehend beschrieben. Wenn also die V_IN die V_REF kreuzt, wechselt das Steuergerät 1170 zwischen dem Buck-Modus und dem Boost-Modus.
Der Buck-Boost-Wandler 1100 für integrierte Schaltungen verwendet den RO-Anschluss 1104, um die Referenz für den LDO-Regler 1180 für den Sollwert von V_OUT einzustellen. V_OUT wird durch Platzieren eines externen Widerstandes vom RO-Anschluss 1104 gegen Erde eingestellt, um einen Widerstandsteiler zu bilden. Die Spannung am RO-Anschluss 1104 bildet die Referenzspannung für einen LDO-Komparator, der eine Durchlaufvorrichtung antreibt. Der LDO-Regler 1180 ändert V_OUT , um die geteilte V_OUT am RO-Anschluss 1104 an V_REF anzugleichen.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Steuergerät 1170 die Buck-Boost-Ladepumpenschalter 1110 steuern, um in einem von drei Modi, basierend auf der Beziehung zwischen V_IN und der Soll-V_OUT zu arbeiten: Buck, Boost und LDO. Wenn V_IN um mindestens einen ersten Betrag größer ist als die Soll-V_OUT , betätigt das Steuergerät 1170 die Buck-Boost-Ladepumpenschalter 1110 im Buck-Modus, wie vorstehend beschrieben. Wenn V_IN kleiner als die Soll-V_OUT plus einer minimalen Rückfallspannung des LDO-Reglers 1180 ist (d. h. der Wert von V_CP-V_OUT, der für den ordnungsgemäßen Betrieb des LDO-Reglers 1180 erforderlich ist), betreibt das Steuergerät 1170 die Buck-Boost-Ladepumpenschalter 1110 im Boost-Modus wie vorstehend beschrieben. Wenn V_IN weder um mindestens den ersten Betrag noch um mindestens die Soll-V_OUT plus der minimalen Rückfallspannung des LDO-Reglers 1180 größer als die Soll-V_OUT ist, betreibt das Steuergerät 1170 die Buck-Boost-Ladepumpenschalter 1110 im LDO-Modus. Das Steuergerät 1170 steuert somit die Buck-Boost-Ladepumpenschalter 1110 im LDO-Modus, wenn die V_IN innerhalb eines Bereichs von Spannungen liegt, die größer als die Soll-V_OUT sind. In diesem Modus macht das Steuergerät die Transistoren 644, 646 und 648 leitend und alle anderen Transistoren nichtleitend und leitet V_IN unverändert durch die Buck-Boost-Ladungspumpenschalter 1110 (mit Ausnahme der IR-Verluste). In diesem Fall stellt der LDO-Regler 1180 die geringe Menge an Regulierung bereit, die erforderlich ist, um V_OUT in der Nähe ihres Sollwertes zu halten. Um diese Logik zu implementieren, könnte der Komparator 1150 durch einen Bereichssensor ersetzt werden, der den Modus basierend auf der Beziehung zwischen V_IN und der Soll-V_OUT bestimmt.
Somit wurden verschiedene Ausführungsformen einer Buck-Boost-Ladepumpe beschrieben. Die Buck-Boost-Ladepumpe verwendet einen einzelnen fliegenden Kondensator in einer 6-Schalter-Konfiguration. Die Polarität des Kondensators variiert je nach Modus. So weist beispielsweise der fliegende Kondensator im Boost-Modus eine positive Polarität zwischen seinem ersten und zweiten Anschluss auf, während der fliegende Kondensator im Buck-Modus eine negative Polarität zwischen seinem ersten und zweiten Anschluss aufweist. Die 6-Schalter-Konfiguration ermöglicht eine Reduzierung der IR-Verluste, da während eines Schaltzyklus sowohl im Buck-Modus als auch im Boost-Modus weniger Schalter verwendet werden.
Der vorstehend offenbarte Gegenstand ist als veranschaulichend und nicht als einschränkend zu betrachten, und die angehängten Ansprüche sollen alle Modifikationen, Verbesserungen und anderen Ausführungsformen einschließen, die im wahren Schutzumfang der Ansprüche liegen. So unterstützt beispielsweise die Buck-Boost-Ladepumpenarchitektur einen dritten Modus, in dem das Buck-Boost-Schalternetzwerk die Eingangsspannung zu seinem Ausgang weiterleitet. In diesem Fall übernimmt ein LDO-Regler die zusätzliche Regelung. Die verwendeten Schaltertypen können auch zwischen den Ausführungsformen variieren. Aufgrund des hohen Strombedarfs sind DMOS-Transistoren für die Schalter gut geeignet, aber in anderen Ausführungsformen sind auch andere Transistortypen möglich. Darüber hinaus kann die effiziente Buck-Boost-Ladepumpenarchitektur mit einer Vielzahl von Rückkopplungssteuerungsarten, einschließlich hysteretischer, Pulsweitenmodulation (PWM), Pulsfrequenzmodulation (PFM) und dergleichen, eingesetzt werden. Auch verschiedene Mechanismen können verwendet werden, um eine hohe Effizienz bei leichten Lasten aufrechtzuerhalten, einschließlich Frequenz-Foldback, Puls-Skipping-Modus und dergleichen.
In einer Form schließt eine Buck-Boost-Ladepumpe ein Schalternetzwerk mit einem ersten Schalter, einem zweiten Schalter, einem dritten Schalter, einem vierten Schalter, einem ersten Doppelschalter und einem zweiten Doppelschalter ein.
Gemäß einem Aspekt werden der erste Schalter, der zweite Schalter, der dritte Schalter, der vierte Schalter, der erste Doppelschalter und der zweite Doppelschalter unter Verwendung von DMOS-Transistoren implementiert. Gemäß diesem Aspekt können der erste Schalter, der zweite Schalter und der zweite Doppelschalter unter Verwendung von N-Kanal-DMOS-Transistoren implementiert werden, und der erste Doppelschalter, der dritte Schalter und der vierte Schalter können unter Verwendung von P-Kanal-DMOS-Transistoren implementiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Buck-Boost-Ladepumpe ferner einen Eingangskondensator mit einem ersten Anschluss, der mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit dem Spannungsanschluss der Stromversorgung gekoppelt ist, und einen Ausgangskondensator mit einem ersten Anschluss, der mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit dem Spannungsanschluss der Stromversorgung gekoppelt ist.
In einer weiteren Form schließt eine Buck-Boost-Ladepumpe ein Steuergerät ein, das als Reaktion auf eine Eingangsspannung, eine Ausgangsspannung, und eine Differenz zwischen der Eingangsspannung und einer Soll-Ausgangsspannung den ersten Schalter, den zweiten Schalter, den dritten Schalter, den vierten Schalter, den ersten Doppelschalter und den zweiten Doppelschalter in Lade- und Entladephasen eines Boost-Modus und eines Buck-Modus steuert.
Gemäß einem Aspekt in einem Boost-Modus macht das Steuergerät den ersten Doppelschalter und den zweiten Schalter leitend und hält den ersten Schalter, den dritten Schalter, den vierten Schalter und den zweiten Doppelschalter in einer Ladephase nichtleitend, und das Steuergerät macht den dritten Schalter und den vierten Schalter leitend, und den ersten und zweiten Schalter und den ersten und zweiten Doppelschalter in einer Entladephase nichtleitend.
Gemäß einem weiteren Aspekt macht das Steuergerät in einem Buck-Modus den dritten Schalter und den vierten Schalter leitend, und den ersten und zweiten Schalter und den ersten und zweiten Doppelschalter in einer Ladephase nichtleitend, und das Steuergerät macht den ersten Schalter und den zweiten Doppelschalter leitend und hält den zweiten Schalter, den ersten Doppelschalter, den dritten Schalter, den vierten Schalter und den zweiten Doppelschalter in einer Entladephase nichtleitend.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt steuert das Steuergerät ferner als Reaktion auf ein Taktsignal die Tastverhältnisse des ersten Schalters, des zweiten Schalters, des ersten und zweiten Doppelschalters und des dritten und vierten Schalters, um die Ausgangsspannung auf die Soll-Ausgangsspannung zu regeln.
Gemäß noch einem weiteren Aspekt werden der erste Schalter, der zweite Schalter, der erste und zweite Doppelschalter und der dritte und vierte Schalter mittels DMOS-Transistoren implementiert. Gemäß diesem Aspekt können der erste Schalter, der zweite Schalter und der zweite Doppelschalter unter Verwendung von N-Kanal-DMOS-Transistoren implementiert werden, und der erste Doppelschalter und der dritte und vierte Schalter können unter Verwendung von P-Kanal-DMOS-Transistoren implementiert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt umfasst die Buck-Boost-Ladepumpe ferner einen Low-Dropout-Regler mit einem mit dem Ausgangsanschluss gekoppelten Eingang und einem Ausgang zum Bereitstellen eines Spannungsausgangs, wobei das Steuergerät ferner als Reaktion darauf, dass die Eingangsspannung innerhalb eines Bereichs von Spannungen liegt, die größer als die Soll-Ausgangsspannung sind, einen Low-Dropout-Modus zum Steuern des ersten Doppelschalters und des vierten Schalters zum Weiterleiten der Eingangsspannung von dem Eingangsanschluss zu dem Ausgangsanschluss auswählt.
Gemäß einem noch weiteren Aspekt umfasst die Buck-Boost-Ladepumpe ferner einen Eingangskondensator mit einem ersten Anschluss, der mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem Spannungsanschluss der Stromversorgung gekoppelt ist, und einen Ausgangskondensator mit einem ersten Anschluss, der mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist, und einem zweiten Anschluss, der mit dem Spannungsanschluss der Stromversorgung gekoppelt ist.
Somit ist der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung, im gesetzlich maximal zulässigen Rahmen, durch die im weitesten Sinne zulässige Interpretation der folgenden Ansprüche und deren Entsprechungen festzulegen und darf nicht durch die vorangehende ausführliche Beschreibung eingeschränkt oder begrenzt werden.

Claims

Buck-Boost-Ladepumpe, umfassend: einen fliegenden Kondensator mit einem ersten Anschluss und einem zweiten Anschluss; ein Schalternetzwerk, umfassend einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter, einen dritten Schalter, einen vierten Schalter, einen ersten Doppelschalter und einen zweiten Doppelschalter, wobei: das Schalternetzwerk einen Eingangsanschluss mit dem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators unter Verwendung des ersten Doppelschalters und des zweiten Anschlusses des fliegenden Kondensators mit einem Spannungsanschluss der Stromversorgung unter Verwendung des zweiten Schalters in einer Ladephase eines Boost-Modus koppelt; wobei das Schaltnetzwerk den Eingangsanschluss mit dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators unter Verwendung des dritten Schalters und den ersten Anschluss des fliegenden Kondensators mit einem Ausgangsanschluss unter Verwendung des vierten Schalters sowohl in einer Entladephase des Boost-Modus als auch in einer Ladephase eines Buck-Modus koppelt; und wobei das Schalternetzwerk den Spannungsanschluss der Stromversorgung mit dem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators unter Verwendung des ersten Schalters und den zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators mit dem Ausgangsanschluss unter Verwendung des zweiten Doppelschalters in einer Entladephase des Buck-Modus koppelt.
Buck-Boost-Ladungspumpe nach Anspruch 1, ferner umfassend: ein Steuergerät, das als Reaktion auf eine Eingangsspannung an dem Eingangsanschluss, eine Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss und eine Differenz zwischen der Eingangsspannung und einer Soll-Ausgangsspannung das Schalternetzwerk in den Lade- und Entladephasen eines ausgewählten Modus - entweder des Boost- oder des Buck-Modus - steuert.
Buck-Boost-Ladungspumpe nach Anspruch 2, ferner umfassend: einen Low-Dropout-Regler mit einem Eingang, der mit einem Ausgang des Schalternetzes gekoppelt ist, und einem Ausgang zum Bereitstellen eines Spannungsausgangs, wobei das Steuergerät ferner als Reaktion darauf, dass die Eingangsspannung innerhalb eines Bereichs von Spannungen liegt, die größer als die Soll-Ausgangsspannung sind, einen Low-Dropout-Modus auswählt, um das Schalternetzwerk zu steuern, um die Eingangsspannung von dem Eingangsanschluss an den Ausgangsanschluss weiterzugeben.
Buck-Boost-Ladungspumpe nach Anspruch 1, wobei: der erste Doppelschalter erste und zweite DMOS-Transistoren umfasst, die in Reihe geschaltet sind und Back-to-Back-Body-Dioden aufweisen; und der zweite Doppelschalter erste und zweite DMOS-Transistoren umfasst, die in Reihe geschaltet sind und Back-to-Back-Body-Dioden aufweisen.
Buck-Boost-Ladepumpe nach Anspruch 4, wobei der erste Doppelschalter mit P-Kanal-DMOS-Transistoren und der zweite Doppelschalter mit N-Kanal-DMOS-Transistoren implementiert ist.
Buck-Boost-Ladepumpe, umfassend: einen ersten Schalter mit einem ersten Source-Drain-Anschluss, der mit einem Spannungsanschluss der Stromversorgung gekoppelt ist, einer Steuerelektrode und einem zweiten Source-Drain-Anschluss, und mit einer entsprechende Body-Diode mit einer mit dem ersten Source-Drain-Anschluss gekoppelten Anode und einer mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss gekoppelten Kathode; einen fliegenden Kondensator mit einem ersten Anschluss, der mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss des ersten Schalters verbunden ist, und einem zweiten Anschluss; einen zweiten Schalter mit einem ersten Source-Drain-Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators gekoppelt ist, eine Steuerelektrode und einem zweiten Source-Drain-Anschluss, der mit dem Spannungsanschluss der Stromversorgung gekoppelt ist, und mit einer entsprechenden Body-Diode mit einer Anode, die mit dem zweiten Source-Drain-Anschluss gekoppelt ist, und eine Kathode, die mit dem ersten Source-Drain-Anschluss gekoppelt ist; einen ersten Doppelschalter, der erste und zweite Transistoren mit Back-to-Back-Body-Dioden zwischen einem Eingangsanschluss, der eine Eingangsspannung empfängt, und dem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators umfasst; einen dritten Schalter zwischen einem Eingangsanschluss und dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators; einen vierten Schalter zwischen dem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators und einem Ausgangsanschluss, der eine Ausgangsspannung bereitstellt; und einen zweiten Doppelschalter, der erste und zweite Transistoren mit Back-to-Back-Body-Dioden zwischen dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators und dem Ausgangsanschluss umfasst.
Buck-Boost-Ladungspumpe nach Anspruch 6, ferner umfassend: ein Steuergerät, das als Reaktion auf die Eingangsspannung, die Ausgangsspannung und eine Differenz zwischen der Eingangsspannung und einer Soll-Ausgangsspannung den ersten Schalter, den zweiten Schalter, den dritten Schalter, den vierten Schalter, den ersten Doppelschalter und den zweiten Doppelschalter in den Lade- und Entladephasen eines Boost-Modus und eines Buck-Modus steuert.
Verfahren zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung entweder in einem Buck-Modus oder einem Boost-Modus, umfassend: während einer Ladephase des Boost-Modus: Verbinden eines ersten Anschlusses eines fliegenden Kondensators mit einem Eingangsanschluss unter Verwendung eines ersten Doppelschalters mit Back-to-Back-Body-Dioden; und Verbinden eines zweiten Anschlusses des fliegenden Kondensators mit einem Spannungsanschluss der Stromversorgung unter Verwendung eines zweiten Schalters; sowohl während einer Entladephase des Boost-Modus als auch während einer Ladephase des Buck-Modus: Verbinden des zweiten Anschlusses des fliegenden Kondensators mit einem Eingangsanschluss unter Verwendung eines dritten Schalters; und Verbinden des ersten Anschlusses des fliegenden Kondensators mit dem Ausgangsanschluss unter Verwendung eines vierten Schalters; während einer Entladephase des Boost-Modus: Verbinden des ersten Anschlusses des fliegenden Kondensators mit einem Spannungsanschluss der Stromversorgung unter Verwendung eines ersten Schalters; und Verbinden des zweiten Anschlusses eines fliegenden Kondensators mit dem Ausgangsanschluss unter Verwendung eines zweiten Doppelschalters mit Back-to-Back-Body-Dioden. Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend: Auswählen des Boost-Modus, wenn eine Eingangsspannung am Eingangsanschluss kleiner als eine Soll-Ausgangsspannung plus eine Rückfallspannung eines Low-Dropout-Spannungsreglers ist, die dem Ausgangsanschluss zur Verfügung gestellt wird; Auswählen des Buck-Modus, wenn die Eingangsspannung um mindestens einen ersten Betrag größer ist als die Soll-Ausgangsspannung; und Auswählen eines Durchgangsmodus, wenn die Eingangsspannung größer als die Soll-Ausgangsspannung plus die Rückfallspannung des Low-Dropout-Spannungsreglers und kleiner als die Soll-Ausgangsspannung plus der erste Betrag ist. Verfahren nach Anspruch 8, ferner umfassend: Regeln einer Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss durch Modulieren einer Impulsbreite von Signalen an dem ersten Schalter, dem zweiten Schalter, dem dritten Schalter, dem vierten Schalter, dem ersten Doppelschalter und dem zweiten Doppelschalter.