DE102019206970A1

DE102019206970A1 - Mehrstufen-Leistungsumsetzer mit Regelung der Spannung des massefreien Kondensators bei Schwachlast

Info

Publication number: DE102019206970A1
Application number: DE102019206970.3A
Authority: DE
Inventors: Aravind Mangudi; James Steele; Taek Chang; Bill McKillop; Mark Mercer
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2018-07-31
Filing date: 2019-05-14
Publication date: 2020-02-06
Also published as: US11539294B2; US20200044578A1

Abstract

Das vorliegende Dokument bezieht sich auf Mehrstufen-Leistungsumsetzer. Insbesondere bezieht sich das vorliegende Dokument auf einen Mehrstufen-Leistungsumsetzer, der ein erstes Schaltelement, ein zweites Schaltelement, ein drittes Schaltelement, ein viertes Schaltelement, einen Induktor und einen massefreien Kondensator umfasst. Ein erster Anschluss des Induktors kann mit einem Schaltanschluss verbunden sein, der das zweite Schaltelement und das dritte Schaltelement verbindet. Ein erster Anschluss des massefreien Kondensators kann mit einem Anschluss verbunden sein, der das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement verbindet, und ein zweiter Anschluss des massefreien Kondensators kann mit einem Anschluss verbunden sein, der das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement verbindet. Der Mehrstufen-Leistungsumsetzer kann ferner eine erste Rückkopplungsschaltung umfassen, die konfiguriert ist, Steuersignale zum Einstellen der Schaltelemente in mehreren Schaltzuständen zum Regeln einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms des Mehrstufen-Leistungsumsetzers zu erzeugen. Ferner kann der Mehrstufen-Leistungsumsetzer eine zweite Rückkopplungsschaltung umfassen, die konfiguriert ist, auf der Grundlage einer Kondensatorspannung über dem massefreien Kondensator vorübergehende Steuersignale zum Einstellen der Schaltelemente in einem vorübergehenden Schaltzustand, in dem der massefreie Kondensator unter Verwendung eines Induktorstroms, der durch den Induktor fließt, aufgeladen oder entladen wird, zu erzeugen.

Description

Technisches Gebiet
Das vorliegende Dokument bezieht sich auf Mehrstufen-Leistungsumsetzer. Insbesondere bezieht sich das vorliegende Dokument auf Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzer und Mehrstufen-Hochsetzsteller-Umsetzer, die konfiguriert sind, die Spannung des massefreien Kondensators unter Schwachlastbedingungen zu regeln.
Hintergrund
Spezifikationen für Leistungsumsetzer auf Systemebene sind in den letzten Jahren zunehmend streng geworden. Dies ist insbesondere in Bezug auf Leistungsumsetzer, die in tragbaren elektronischen Vorrichtungen verwendet werden, der Fall. Andererseits ist der Betriebswirkungsgrad eines Leistungsumsetzers kritisch, da er einen direkten Einfluss auf die Batterielebensdauer sowie auf die Leistungsdichte und den zugehörigen Formfaktor der tragbaren elektronischen Vorrichtung aufweist. Andererseits muss der Leistungsumsetzer nicht lediglich die Betriebsenergie für die Vorrichtung bereitstellen, sondern muss außerdem einen geregelten Ausgang, um Batterieladefunktionen zu managen, bereitstellen.
Mehrstufen-Leistungsumsetzer-Topologien wie etwa z. B. der Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzer sind ein vielversprechender Ansatz, um viele der Nachteile von herkömmlichen Leistungsumsetzertopologien zu mindern. In einem Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzer ersetzen z. B. zwei in Reihe geschaltete, hochseitige Schalter den einzigen hochseitigen Schalter des herkömmlichen Tiefsetzsteller-Umsetzers. Außerdem ersetzen zwei in Reihe geschaltete, niederseitige Schalter den einzigen niederseitigen Schalter des herkömmlichen Tiefsetzsteller-Umsetzers, und ein sogenannter massefreier Kondensator ist zu der Reihenschaltung des tieferen hochseitigen Schalters und des höheren niederseitigen Schalters parallel geschaltet.
Ein Hauptvorteil des Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzers ist, dass der quadratische Mittelwert der Spannung (die RMS-Spannung) auf dem Induktorknoten lediglich 50 % der entsprechenden Spannung eines herkömmlichen Tiefsetzsteller-Umsetzers beträgt. Zusätzlich zum Verringern der RMS-Spannung über und des RMS-Stroms durch den Induktor sind die Spannungen über den Schaltkondensatoren ebenfalls verringert, womit Schaltverluste verringert werden. Ferner weisen Transistoren mit niedrigeren Durchbruchsspannungsnennwerten üblicherweise niedrigere Drain-Source-Widerstände Rds auf, woraus sich verringerte Leitungsverluste ergeben.
Jedoch besteht eine Notwendigkeit, die Spannung des massefreien Kondensators zu steuern. Dies gilt insbesondere unter Betriebsbedingungen ohne Last oder unter Schwachlast. Zum Beispiel kann der Leistungsumsetzer während Schwachlastbedingungen derart gesteuert werden, dass die zwei hochseitigen Schalter gleichzeitig geschaltet werden und die zwei niederseitigen Schalter gleichzeitig geschaltet werden. In diesem beispielhaften Szenario sollten sich die zwei hochseitigen Schalter (oder alternativ die zwei niederseitigen Schalter) idealerweise zu derselben Zeit ausschalten, und die Spannung über dem massefreien Kondensator sollte z. B. bei der Hälfte der Eingangsspannung des Leistungsumsetzers schweben. Jedoch bewirken nicht ideale Zustände bei den Übergängen, dass sich ein Schalter früher als der andere ausschaltet, wobei bewirkt wird, dass sich der massefreie Kondensator entweder hoch auflädt oder gegen Masse entlädt. Das resultierende Aufladen und Entladen des massefreien Kondensators kann Fehlerbedingungen auslösen. Insbesondere kann das Aufladen der massefreien Kondensators einen Überspannungsalarm, OV-Alarm, bewirken, während das Entladen der massefreien Kondensators einen Unterspannungsalarm, UV-Alarm, bewirken kann. Als Antwort auf den OV-Alarm wird die Spannung des massefreien Kondensators abgesenkt, und als Antwort auf den UV-Alarm wird die Spannung des massefreien Kondensators erhöht. Jedoch verschwendet das Auslösen dieser Alarme und die darauffolgende Korrektur der Spannung des massefreien Kondensators Energie und kann außerdem ein hörbares Rauschen bewirken.
Das vorliegende Dokument adressiert die oben genannten, technischen Probleme und bezieht sich auf neuartige Wege des Steuerns und Implementierens von Mehrstufen-Leistungsumsetzern. Insbesondere adressiert das vorliegende Dokument das technische Problem des Vorsehens von Rückkopplungsschaltungen zum wirksamen Regeln der Spannung über dem massefreien Kondensator bei Niederlastbedingungen.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt umfasst ein Mehrstufen-Leistungsumsetzer ein erstes Schaltelement, ein zweites Schaltelement, ein drittes Schaltelement, ein viertes Schaltelement, einen Induktor und einen massefreien Kondensator. Ein erster Anschluss des Induktors kann mit einem Schaltanschluss verbunden sein, der das zweite Schaltelement und das dritte Schaltelement verbindet. Ein erster Anschluss des massefreien Kondensators kann mit einem Anschluss verbunden sein, der das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement verbindet, und ein zweiter Anschluss des massefreien Kondensators kann mit einem Anschluss verbunden sein, der das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement verbindet. Der Mehrstufen-Leistungsumsetzer kann ferner eine erste Rückkopplungsschaltung umfassen, die konfiguriert ist, Steuersignale zum Einstellen der Schaltelemente in mehreren Schaltzuständen zum Regeln einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms des Mehrstufen-Leistungsumsetzers zu erzeugen. Ferner kann der Mehrstufen-Leistungsumsetzer eine zweite Rückkopplungsschaltung umfassen, die konfiguriert ist, auf der Grundlage einer Kondensatorspannung über dem massefreien Kondensator vorübergehende Steuersignale zum Einstellen der Schaltelemente in einem vorübergehenden Schaltzustand, in dem der massefreie Kondensator unter Verwendung eines Induktorstroms, der durch den Induktor fließt, aufgeladen oder entladen wird, zu erzeugen.
Jedes der vier Schaltelemente kann mit jeder geeigneten Vorrichtung wie etwa z. B. einem Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor MOSFET, einem bipolaren Transistor mit isoliertem Gate, IGBT, einem MOS-Gate-gesteuerten Thyristor oder anderen geeigneten Leistungsvorrichtungen implementiert sein. Jedes Schaltelement kann ein Gate aufweisen, an das eine jeweilige Ansteuerspannung zum Ein- oder Ausschalten des Schaltelements angelegt werden kann. Genauer können die vorübergehenden Steuersignale, die durch die zweite Rückkopplungsschaltung erzeugt werden, als Ansteuerspannungen an die Gates angelegt werden.
Prinzipiell kann in einem bestimmten Schaltzustand jedes der vier Schaltelemente entweder ausgeschaltet (d. h. offen) oder eingeschaltet (d.h. geschlossen) sein, woraus sich 16 Schaltzustände ergeben, die in der Theorie denkbar sind. In der Praxis kann die erste Rückkopplungsschaltung jedoch konfiguriert sein, z. B. während des Normalbetriebs des Mehrstufen-Leistungsumsetzers zwischen 3 oder 4 verschiedenen Schaltzuständen und z. B. während eines Niederlastbetriebs zwischen 2 verschiedenen Schaltzuständen umzuschalten, wie unten in größerer Detailtiefe beschrieben wird.
Der beschriebene Mehrstufen-Leistungsumsetzer ermöglicht eine wirksame Regelung der Kondensatorspannung, indem der Induktorstrom während vorübergehender Schaltzustände umgelenkt wird, wodurch die Energie wiederverwendet wird, die üblicherweise einer Last des Mehrstufen-Leistungsumsetzers bereitgestellt wird. Ferner bewirkt das Vorsehen der zweiten Rückkopplungsschaltung, dass das Auslösen der Überspannungs-, OV- und Unterspannungs-, UV-Alarme und entsprechender Mechanismen, um die Kondensatorspannung aufzufrischen, entbehrlich werden. Insbesondere sind Pull-Up- und Pull-Down-Mechanismen zum Korrigieren der Kondensatorspannung, nachdem eine Spannungsverschiebung aufgetreten ist, nicht länger erforderlich. Ebenso können alternative Lösungen z. B. auf der Grundlage von Reglern mit niedriger Signalausfallspannung, LDO-Reglern, die am massefreien Kondensator angebracht sind, um die Kondensatorspannung zu regeln, weggelassen werden. Als ein zusätzlicher Vorteil ermöglicht die Verwendung speziell zugewiesener, vorübergehender Schaltzustände eine problemlose Integration einer Kondensatorspannungsregelung in die Schaltstruktur des Mehrstufen-Leistungsumsetzers und daher im Vergleich zu bekannten Lösungen eine Verringerung eines hörbaren Rauschens.
Die zweite Rückkopplungsschaltung kann konfiguriert sein, die vorübergehenden Steuersignale zum Steuern der Schaltelemente in dem vorübergehenden Schaltzustand während eines Zeitintervalls zwischen einem vorhergehenden Schaltzustand und einem darauffolgenden Schaltzustand zu erzeugen, wobei sowohl der vorhergehende als auch der darauffolgende Schaltzustand durch die erste Rückkopplungsschaltung aus den mehreren Schaltzuständen ausgewählt werden. Mit anderen Worten, der vorübergehende Schaltzustand ist zwischen dem vorhergehenden Schaltzustand und dem darauffolgenden Schaltzustand zeitlich eingebettet, und die zweite Rückkopplungsschaltung wird zum aktiven Steuern des Übergangs aus dem vorhergehenden Schaltzustand in den darauffolgenden Schaltzustand verwendet. Während dieses Übergangs kann die Kondensatorspannung durch den fließenden Induktorstrom aufgeladen oder entladen werden. Zum Beispiel kann der vorübergehende Schaltzustand der zweiten Rückkopplungsschaltung keiner der mehreren Schaltzustände der ersten Rückkopplungsschaltung sein. Anders ausgedrückt, der vorübergehende Schaltzustand kann sich von den mehreren Schaltzuständen unterscheiden, die durch die erste Rückkopplungsschaltung erzeugt werden. Wie im Voranstehenden bereits erwähnt worden ist, kann der Mehrstufen-Leistungsumsetzer in einem Niederlastbetriebszustand betrieben werden, wobei lediglich zwischen einem ersten Schaltzustand und einem zweiten Schaltzustand abgewechselt wird. Das heißt, die mehreren Schaltzustände können einen ersten Schaltzustand und einen zweiten Schaltzustand enthalten, wobei im ersten Schaltzustand das erste und das zweite Schaltelement ausgeschaltet sind und das dritte und das vierte Schaltelement eingeschaltet sind und wobei im zweiten Schaltzustand das erste und das zweite Schaltelement eingeschaltet sind und das dritte und das vierte Schaltelement ausgeschaltet sind. Der vorübergehende Schaltzustand, der durch die zweite Rückkopplungsschaltung ausgewählt wird, kann sich somit von dem ersten und zweiten Schaltzustand unterscheiden, die in einem Niederlastbetriebszustand verwendet werden.
Ferner kann die zweite Rückkopplungsschaltung eine Verzögerungsschaltung umfassen, die konfiguriert ist, mindestens eines der Steuersignale zu empfangen, die durch die erste Rückkopplungsschaltung erzeugt werden, und durch Verzögern des mindestens einen Steuersignals um ein Verzögerungsintervall mindestens eines der vorübergehenden Steuersignale zu erzeugen. Das Verzögerungsintervall kann z. B. im Bereich von 25 bis 200 ns liegen und kann z. B. 50 ns sein. Die zweite Rückkopplungsschaltung kann konfiguriert sein, das Verzögerungsintervall derart zu bestimmen, dass eine Frequenz einer Spannungsänderung der Kondensatorspannung außerhalb eines hörbaren Frequenzbands liegt.
Hier kann das Verzögerungsintervall der Dauer des vorübergehenden Schaltzustands entsprechen. Während dieses vorübergehenden Schaltzustands kann z. B. das Ausschalten eines bestimmten Schaltelements verzögert sein, wobei ermöglicht wird, dass der Induktorstrom während des vorübergehenden Schaltzustands zum Aufladen oder Entladen des massefreien Kondensators nach Bedarf durch das bestimmte Schaltelement fließt. Genauer kann die erste Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein, zwei Steuersignale zum nahezu gleichzeitigen Ausschalten des ersten und des zweiten Schaltelements zu erzeugen. Die zweite Rückkopplungsschaltung kann daraufhin konfiguriert sein, eines der zwei Steuersignale auf der Grundlage der Kondensatorspannung auszuwählen und das Ausgewählte der zwei Steuersignale um ein Verzögerungsintervall zu verzögern, derart, dass der massefreie Kondensator während des Verzögerungsintervalls durch den Induktorstrom aufgeladen oder entladen wird.
In der folgenden Beschreibung wird in größerer Detailtiefe beschrieben, welche Steuersignale der ersten Rückkopplungsschaltung verzögert werden müssen, um (a) den Induktorstrom zu oder von dem massefreien Kondensator umzulenken und (b) eine angemessene Regelung der Kondensatorspannung zu erzielen. Obwohl diese Ideen, die im vorliegenden Dokument dargestellt sind, auf diverse Arten von Mehrstufen-Leistungsumsetzern wie etwa z. B. Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzer, Mehrstufen-Hochsetzsteller-Umsetzer oder Mehrstufen-Tiefsetzsteller/Hochsetzsteller-Umsetzer angewendet werden können, wird sich die folgende Beschreibung auf die zwei speziellen Fälle der Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzer und der Mehrstufen-Hochsetzsteller-Umsetzer konzentrieren, ohne an Allgemeingültigkeit zu verlieren.
In einem Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzer kann eine Eingangsspannung des Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzers an einen Eingangsanschluss des ersten Schaltelements angelegt werden, ein Ausgangsanschluss des vierten Schaltelements kann mit Masse verbunden sein. Außerdem können die Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsstrom des Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzers an einem Ausgangsanschluss des Induktors bereitgestellt sein.
In einem derartigen Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzer kann die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein, dann, wenn die Kondensatorspannung unter einem Sollspannungswert liegt, ein erstes vorübergehendes Steuersignal zum Ausschalten des ersten Schaltelements zu erzeugen, indem ein erstes Steuersignal verzögert wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des ersten Schaltelements erzeugt wird. Gleichzeitig kann die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein, dann, wenn die Kondensatorspannung unter dem Sollspannungswert liegt, das zweite vorläufige Steuersignal zum Ausschalten des zweiten Schaltelements zu erzeugen, indem ein zweites Steuersignal weitergeleitet wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des zweiten Schaltelements erzeugt wird. Als ein Ergebnis ist das erste vorübergehende Steuersignal in Bezug auf das zweite vorläufige Steuersignal verzögert, und während dieser Verzögerung wird durch das erste Schaltelement, den massefreien Kondensator, eine Body-Diode des dritten Schaltelements (oder alternativ durch das dritte Schaltelement selbst, falls das dritte Schaltelement nach wie vor eingeschaltet ist) und den Induktor ein Aufladeweg gebildet. In der beschriebenen Situation wird der massefreie Kondensator während der Verzögerung über den Aufladeweg aufgeladen.
Andersherum kann die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein, dann, wenn die Kondensatorspannung größer als der Sollspannungswert ist, ein zweites vorübergehendes Steuersignal zum Ausschalten des zweiten Schaltelements zu erzeugen, indem ein zweites Steuersignal verzögert wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des zweiten Schaltelements erzeugt wird. Gleichzeitig kann die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein, dann, wenn die Kondensatorspannung größer als der Sollspannungswert ist, das erste vorübergehende Steuersignal zum Ausschalten des ersten Schaltelements zu erzeugen, indem das erste Steuersignal weitergeleitet wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des ersten Schaltelements erzeugt wird. Als ein Ergebnis ist das zweite vorübergehende Steuersignal in Bezug auf das erste vorübergehende Steuersignal verzögert, und während dieser Verzögerung wird durch eine Body-Diode des vierten Schaltelements (oder alternativ durch das vierte Schaltelement selbst, falls das vierte Schaltelement nach wie vor eingeschaltet ist), den massefreien Kondensator, das zweite Schaltelement und den Induktor ein Entladeweg gebildet. In der beschriebenen Situation wird der massefreie Kondensator während der Verzögerung über den Entladeweg entladen.
In einem Mehrstufen-Hochsetzsteller-Umsetzer wird eine Eingangsspannung an einen Eingangsanschluss des Induktors angelegt, ein Ausgangsanschluss des vierten Schaltelements ist mit Masse verbunden, und die Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsstrom des Mehrstufen-Hochsetzsteller-Umsetzers werden an einem Ausgangsanschluss des ersten Schaltelements bereitgestellt.
In einem derartigen Mehrstufen-Hochsetzsteller-Umsetzer kann die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein, dann, wenn die Kondensatorspannung größer als der Sollspannungswert ist, ein drittes vorübergehendes Steuersignal zum Ausschalten des dritten Schaltelements zu erzeugen, indem ein drittes Steuersignal verzögert wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des dritten Schaltelements erzeugt wird. Gleichzeitig kann die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein, dann, wenn die Kondensatorspannung größer als ein Sollspannungswert ist, das vierte vorübergehende Steuersignal zum Ausschalten des vierten Schaltelements zu erzeugen, indem ein viertes Steuersignal weitergeleitet wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des vierten Schaltelements erzeugt wird. Als ein Ergebnis ist das dritte vorübergehende Steuersignal in Bezug auf das vierte vorübergehende Steuersignal verzögert, und während dieser Verzögerung wird durch den Induktor, das dritte Schaltelement, den massefreien Kondensator und eine Body-Diode des ersten Schaltelements (oder alternativ durch das erste Schaltelement selbst, falls das erste Schaltelement nach wie vor eingeschaltet ist), ein Entladeweg gebildet. In der beschriebenen Situation wird der massefreie Kondensator während der Verzögerung über den Entladeweg entladen.
Andersherum kann die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein, dann, wenn die Kondensatorspannung unter dem Sollspannungswert liegt, ein viertes vorübergehendes Steuersignal zum Ausschalten des vierten Schaltelements zu erzeugen, indem ein viertes Steuersignal verzögert wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des vierten Schaltelements erzeugt wird. Gleichzeitig kann die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein, dann, wenn die Kondensatorspannung unter dem Sollspannungswert liegt, das dritte vorläufige Steuersignal zum Ausschalten des dritten Schaltelements zu erzeugen, indem das dritte Steuersignal weitergeleitet wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des dritten Schaltelements erzeugt wird. Als ein Ergebnis ist das vierte vorübergehende Steuersignal im Vergleich zum dritten vorläufigen Steuersignal verzögert, und während dieser Verzögerung wird durch den Induktor, eine Body-Diode des zweiten Schaltelements (oder alternativ durch das zweite Schaltelement selbst, falls das zweite Schaltelement nach wie vor eingeschaltet ist), den massefreien Kondensator und das vierte Schaltelement ein Aufladeweg gebildet. In der beschriebenen Situation wird der massefreie Kondensator während der Verzögerung über den Aufladeweg aufgeladen.
Die zweite Rückkopplungsschaltung kann die Verzögerungsschaltung, einen Komparator und mindestens einen Multiplexer umfassen. Die Verzögerungsschaltung kann konfiguriert sein, verzögerte Steuersignale zu erzeugen, indem die Steuersignale, die durch die erste Rückkopplungsschaltung erzeugt werden, verzögert werden. Der Komparator kann konfiguriert sein, die Kondensatorspannung mit einer Sollkondensatorspannung zu vergleichen. Der mindestens eine Multiplexer kann konfiguriert sein, zum Steuern des Schaltverhaltens von einem der Schaltelemente auf der Grundlage eines Vergleichsergebnisses, das durch den Komparator erzeugt wird, entweder ein Steuersignal, das durch die erste Rückkopplungsschaltung erzeugt wird, oder ein verzögertes Steuersignal, das durch die zweite Rückkopplungsschaltung erzeugt wird, weiterzuleiten. Zusätzlich kann eine Hysterese des Komparators derart ausgewählt sein, dass eine Frequenz einer Spannungsänderung der Kondensatorspannung außerhalb eines hörbaren Frequenzbands liegt. Zusätzlich oder alternativ kann ein zweiter Komparator zum Bilden eines Zeitfensters zum Vergleichen der Kondensatorspannung mit der Sollkondensatorspannung vorgesehen sein, wodurch die Welligkeit der geregelten Kondensatorspannung und das endgültig hörbare Rauschen verringert werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Mehrstufen-Leistungsumsetzers dargestellt. Der Mehrstufen-Leistungsumsetzer kann ein erstes Schaltelement, ein zweites Schaltelement, ein drittes Schaltelement, ein viertes Schaltelement, einen Induktor und einen massefreien Kondensator umfassen. Der erste Anschluss des Induktors kann mit einem Schaltanschluss verbunden sein, der das zweite Schaltelement und das dritte Schaltelement verbindet. Ein erster Anschluss des massefreien Kondensators kann mit einem Anschluss verbunden sein, der das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement verbindet. Ein zweiter Anschluss des massefreien Kondensators kann mit einem Anschluss verbunden sein, der das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement verbindet. Das Verfahren kann das Erzeugen von Steuersignalen zum Einstellen der Schaltelemente in mehreren Schaltzuständen zum Regeln einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms des Mehrstufen-Leistungsumsetzers durch eine erste Rückkopplungsschaltung umfassen. Das Verfahren kann ferner das Erzeugen von vorübergehenden Steuersignalen zum Einstellen der Schaltelemente in einem vorübergehenden Schaltzustand, in dem der massefreie Kondensator unter Verwendung eines Induktorstroms, der durch den Induktor fließt, aufgeladen oder entladen wird, auf der Grundlage einer Kondensatorspannung über dem massefreien Kondensator durch eine zweite Rückkopplungsschaltung umfassen.
Die zweite Rückkopplungsschaltung kann die vorübergehenden Steuersignale zum Steuern der Schaltelemente in dem vorübergehenden Schaltzustand während eines Zeitintervalls zwischen einem vorhergehenden Schaltzustand und einem darauffolgenden Schaltzustand erzeugen, wobei sowohl der vorhergehende als auch der darauffolgende Schaltzustand durch die erste Rückkopplungsschaltung aus den mehreren Schaltzuständen ausgewählt werden. Hier kann der vorübergehende Schaltzustand der zweiten Rückkopplungsschaltung keiner der mehreren Schaltzustände der ersten Rückkopplungsschaltung sein. Ferner können die mehreren Schaltzustände einen ersten Schaltzustand und einen zweiten Schaltzustand enthalten, wobei im ersten Schaltzustand das erste und das zweite Schaltelement ausgeschaltet sind und das dritte und das vierte Schaltelement eingeschaltet sind und wobei im zweiten Schaltzustand das erste und das zweite Schaltelement eingeschaltet sind und das dritte und das vierte Schaltelement ausgeschaltet sind.
Das Verfahren kann das Empfangen mindestens eines der Steuersignale, die durch die erste Rückkopplungsschaltung erzeugt werden, durch die zweite Rückkopplungsschaltung umfassen. Außerdem kann das Verfahren das Erzeugen mindestens eines der vorübergehenden Steuersignale durch die zweite Rückkopplungsschaltung, indem das mindestens eine Steuersignal um ein Verzögerungsintervall verzögert wird, umfassen. Das Verzögerungsintervall kann durch die zweite Rückkopplungsschaltung derart bestimmt werden, dass eine Frequenz einer Spannungsänderung der Kondensatorspannung außerhalb eines hörbaren Frequenzbands liegt. Insbesondere kann das Verfahren ferner das Erzeugen von zwei Steuersignalen zum nahezu gleichzeitigen Ausschalten des ersten und des zweiten Schaltelements durch die erste Rückkopplungsschaltung umfassen. Das Verfahren kann ferner das Auswählen eines der zwei Steuersignale auf der Grundlage der Kondensatorspannung durch die zweite Rückkopplungsschaltung umfassen. Das Verfahren kann ferner das Verzögern des Ausgewählten der zwei Steuersignale um ein Verzögerungsintervall durch die zweite Rückkopplungsschaltung, derart, dass der massefreie Kondensator während des Verzögerungsintervalls durch den Induktorstrom aufgeladen oder entladen wird, umfassen.
Wenn die Kondensatorspannung unter einem Sollspannungswert liegt, kann ein erstes vorübergehendes Steuersignal zum Ausschalten des ersten Schaltelements erzeugt werden, indem ein erstes Steuersignal verzögert wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des ersten Schaltelements erzeugt wird. Alternativ kann dann, wenn die Kondensatorspannung größer als der Sollspannungswert ist, ein zweites vorübergehendes Steuersignal zum Ausschalten des zweiten Schaltelements erzeugt werden, indem ein zweites Steuersignal verzögert wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des zweiten Schaltelements erzeugt wird.
Gleichzeitig kann dann, wenn die Kondensatorspannung unter dem Sollspannungswert liegt, das zweite vorübergehende Steuersignal zum Ausschalten des zweiten Schaltelements erzeugt werden, indem ein zweites Steuersignal weitergeleitet wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des zweiten Schaltelements erzeugt wird. Alternativ kann dann, wenn die Kondensatorspannung größer als der Sollspannungswert ist, das erste vorübergehende Steuersignal zum Ausschalten des ersten Schaltelements erzeugt werden, indem ein erstes Steuersignal weitergeleitet wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des ersten Schaltelements erzeugt wird.
Wenn die Kondensatorspannung größer als ein Sollspannungswert ist, kann ein drittes vorübergehendes Steuersignal zum Ausschalten des dritten Schaltelements erzeugt werden, indem ein drittes Steuersignal verzögert wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des dritten Schaltelements erzeugt wird. Alternativ kann dann, wenn die Kondensatorspannung unter dem Sollspannungswert liegt, ein viertes vorübergehendes Steuersignal zum Ausschalten des vierten Schaltelements erzeugt werden, indem ein viertes Steuersignal verzögert wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des vierten Schaltelements zum Ausschalten des vierten Schaltelements erzeugt wird.
Gleichzeitig kann dann, wenn die Kondensatorspannung größer als der Sollspannungswert ist, das vierte vorübergehende Steuersignal zum Ausschalten des vierten Schaltelements erzeugt werden, indem ein viertes Steuersignal weitergeleitet wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des vierten Schaltelements erzeugt wird. Wenn die Kondensatorspannung unter dem Sollspannungswert liegt, kann das dritte vorübergehende Steuersignal zum Ausschalten des dritten Schaltelements erzeugt werden, indem das dritte Steuersignal weitergeleitet wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des dritten Schaltelements erzeugt wird.
Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren das Erzeugen von verzögerten Steuersignalen durch Verzögern der Steuersignale, die durch die erste Rückkopplungsschaltung erzeugt werden, durch die Verzögerungsschaltung der zweiten Rückkopplungsschaltung umfassen. Das Verfahren kann das Vergleichen der Kondensatorspannung mit einer Sollkondensatorspannung durch einen Komparator der zweiten Rückkopplungsschaltung umfassen. Das Verfahren kann das Weiterleiten entweder eines Steuersignals, das durch die erste Rückkopplungsschaltung erzeugt wird, oder eines verzögerten Steuersignals, das durch die zweite Rückkopplungsschaltung erzeugt wird, auf der Grundlage eines Vergleichsergebnisses, das durch den Komparator erzeugt wird, durch mindestens einen Multiplexer der zweiten Rückkopplungsschaltung zum Steuern des Schaltverhaltens von einem der Schaltelemente umfassen. Eine Hysterese des Komparators kann derart ausgewählt sein, dass eine Frequenz einer Spannungsänderung der Kondensatorspannung außerhalb eines hörbaren Frequenzbands liegt.
Es sei erwähnt, dass die Verfahren und Systeme, die ihre bevorzugten Ausführungsformen wie im vorliegenden Dokument umrissen enthalten, alleinstehend oder in Kombination mit den anderen Verfahren und Systemen, die in diesem Dokument offenbart sind, verwendet werden können. Außerdem sind die Merkmale, die im Kontext eines Systems umrissen sind, ebenso auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Ferner können alle Aspekte der Verfahren und Systeme, die im vorliegenden Dokument umrissen sind, beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche auf eine beliebige Weise miteinander kombiniert werden.
Im vorliegenden Dokument bezieht sich der Ausdruck „koppeln“, „verbinden“, „gekoppelt“ oder „verbunden“ darauf, dass sich Elemente in elektrischer Verbindung miteinander befinden, ob direkt verbunden, z. B. über Drähte, oder auf irgendeine andere Weise.
Figurenliste
Die Erfindung ist unten auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen erklärt, wobei

1 einen Tiefsetzsteller-Umsetzer zeigt;
2 einen Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzer zeigt;
3 verschiedene Schaltzustände eines Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzers zeigt;
4 einen vorübergehenden Schaltzustand eines Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzers zeigt, währenddessen ein massefreier Kondensator aufgeladen wird;
5 einen weiteren vorübergehenden Schaltzustand eines Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzers zeigt, währenddessen ein massefreier Kondensator entladen wird;
6 eine beispielhafte Schaltung zum Regeln einer Kondensatorspannung eines massefreien Kondensators eines Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzers zeigt;
7 einen vorübergehenden Schaltzustand eines Mehrstufen-Hochsetzsteller-Umsetzers zeigt, währenddessen ein massefreier Kondensator aufgeladen wird;
8 einen weiteren vorübergehenden Schaltzustand eines Mehrstufen-Hochsetzsteller-Umsetzers zeigt, währenddessen ein massefreier Kondensator entladen wird; und
9 eine beispielhafte Schaltung zum Regeln einer Kondensatorspannung eines massefreien Kondensators eines Mehrstufen-Hochsetzsteller-Umsetzers zeigt.

Genaue Beschreibung
1 zeigt einen Tiefsetzsteller-Umsetzer 11, der aus dem Stand der Technik bekannt ist. Historisch wurde die Tiefsetzsteller-Umsetzer-Topologie weitverbreitet für batteriebetriebene Vorrichtungen eingesetzt, wobei die Eingangsspannungsquelle durch einen Adapter des universellen seriellen Busses, USB, vorgesehen ist. Ein hochseitiger Schalter 111 ist zwischen einem Induktoreingangsknoten des Induktors 113 und einer Eingangsspannung angeordnet. Ein niederseitiger Schalter 112 ist zwischen dem Induktoreingangsknoten und Masse angeordnet. Schließlich ist ein Ausgangskondensator 114 zwischen einem Induktorausgangsknoten des Induktors 113 und Masse angeordnet. Außerdem veranschaulicht das Diagramm 12 die Spannung am Induktoreingangsknoten des Induktors 113 über der Zeit. Während eines ersten Zeitintervalls ist der hochseitige Schalter 111 eingeschaltet, und während eines zweiten Zeitintervalls ist der niederseitige Schalter 112 eingeschaltet. Die zwei Schalter werden in abwechselnden Zyklen in den EIN-Zustand versetzt, und das Tastverhältnis von jedem Zyklus stellt die erforderliche Ausgangsspannungsregelung bereit.
Um den Betriebswirkungsgrad des Tiefsetzsteller-Umsetzers zu erhöhen, wurde viel Aufwand in das Verringern des EIN-Zeit-Widerstandes der Schalter (d. h. des Drain-Source-Widerstands Rds-on) investiert, um Verluste zu verringern. Unglücklicherweise ergibt das Verringern des Drain-Source-Widerstands Rds-on eine größere parasitäre Kapazität, sobald die Übersteuerung des Gates des Ausgangsfeldeffekttransistors, Ausgangs-FET, maximiert wird, wobei sich ein Kompromiss zwischen Leitungsverlusten und Schaltverlusten ergibt.
Ein weiteres Thema bezüglich herkömmlicher Tiefsetzsteller-Umsetzer, das in 1 hervorgehoben ist, besteht darin, dass die Spannung am Induktoreingangsknoten des Induktors 113 zwischen der Eingangsspannung Vin (wenn der hochseitige Schalter EIN ist) und Masse (wenn der niederseitige Schalter EIN ist) schwingt. Daraus ergeben sich erhebliche Schaltverluste des Leistungsumsetzers und ein Kernverlust, der aufgrund des hohen quadratischen Mittelwertes der Spannung, der RMS-Spannung, über dem Induktor durch den Induktor abgegeben wird.
Eine Topologie, die verspricht, viele der Nachteile des Tiefsetzsteller-Umsetzers zu mindern, ist der Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzer 2, der in 2 gezeigt ist. Der veranschaulichte, beispielhafte Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzer 2 umfasst ein erstes Schaltelement 21, ein zweites Schaltelement 22, ein drittes Schaltelement 23, ein viertes Schaltelement 24, einen Induktor 26, einen massefreien Kondensator 25 und einen wahlweisen Ausgangskondensator 27. Ein erster Anschluss des Induktors 26 kann mit einem Schaltanschluss verbunden sein, der das zweite Schaltelement 22 und das dritte Schaltelement 23 verbindet. Ein erster Anschluss des massefreien Kondensators 25 kann mit einem Anschluss verbunden sein, der das erste Schaltelement 21 und das zweite Schaltelement 22 verbindet, und ein zweiter Anschluss des massefreien Kondensators 25 kann mit einem Anschluss verbunden sein, der das dritte Schaltelement 23 und das vierte Schaltelement 24 verbindet.
Die Spannung am ersten Anschluss des Induktors 26 kann zwischen V_IN und V_IN/2 umschalten, wenn V_IN > V OUT > V_IN/2, und kann zwischen V_IN/2 und Masse umschalten, wenn V_IN/2 > V OUT > Masse, wobei V_IN die Eingangsspannung bezeichnet und V_OUT die Ausgangsspannung bezeichnet. Die Diagramme 28 und 29 zeigen die Spannung am ersten Anschluss des Induktors 26 über der Zeit für die zwei verschiedenen Tastverhältnisse.
Ein Hauptaspekt der Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Topologie ist, dass die RMS-Spannung am ersten Anschluss des Induktors 16 50 % der entsprechenden Spannung eines herkömmlichen Tiefsetzsteller-Umsetzers ist. Zusätzlich zum Verringern der RMS-Spannung und des RMS-Stroms über dem und durch den Induktor wird die Spannung über den Schaltelementen ebenfalls verringert, womit Schaltverluste abgesenkt werden. Ferner weisen Transistoren mit niedrigeren Durchbruchsspannungsnennwerten üblicherweise niedrigere Rds-on-Kennlinien auf, wobei Leitungsverluste verringert werden.
3 zeigt 4 verschiedene Schaltzustände eines Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzers. Im Schaltzustand D1 sind das erste und das dritte Schaltelement eingeschaltet, während das zweite und das vierte Schaltelement ausgeschaltet sind. Im Schaltzustand DV sind das dritte und das vierte Schaltelement eingeschaltet, während das erste und das zweite Schaltelement ausgeschaltet sind. Im Schaltzustand D2 sind das zweite und das vierte Schaltelement eingeschaltet, während das erste und das dritte Schaltelement ausgeschaltet sind. Schließlich sind im Schaltzustand DP das erste und das zweite Schaltelement eingeschaltet, während das dritte und das vierte Schaltelement ausgeschaltet sind. Der Pfeil, der mit Isw bezeichnet ist, gibt den Stromfluss an, der an den Ausgang des Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzers geliefert wird.
Bei sehr schwachen Lasten kann der Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzer nicht alle vier Schaltzustände verwenden, sondern schaltet stattdessen zwischen den zwei Schaltzuständen DP und DV um, derart, dass der Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzer in einen Zustand übergeht, der mit einem herkömmlichen Tiefsetzsteller-Umsetzer vergleichbar ist. Dieser Betriebszustand kann als Niederlastbetrieb bezeichnet werden. Idealerweise schwebt der massefreie Kondensator während des Niederlastbetriebs, derart, dass er weder aufgeladen noch entladen wird. Jedoch bewirken nicht ideale Zustände beim DP-DV-Übergang, dass sich die Spannung des massefreien Kondensators entweder hoch auf die Eingangsspannung V_IN auflädt oder gegen Masse entlädt. Insbesondere veranschaulicht 3, dass sich das erste und das zweite Schaltelement (die Transistoren A bzw. B) beim DP-DV-Übergang beide ausschalten müssen. Idealerweise schalten sich beide Schaltelemente zu derselben Zeit aus. Jedoch wird in der Realität entweder der Transistor A oder der Transistor B der erste des Paares sein, der sich ausschaltet. Wenn sich der Transistor B vor dem Transistor A ausschaltet, wird die Spannung des massefreien Kondensators beim DP-DV-Übergang aufgeladen. Wie in 4 veranschaulicht ist, verläuft ein Aufladeweg durch den Transistor A, den massefreien Kondensator und die Body-Diode des Transistors C (d. h. des dritten Schaltelements). Umgekehrt sei angenommen, dass sich der Transistor A ausschaltet, bevor der Transistor B dies tut. In diesem Fall wird die Spannung des massefreien Kondensators entladen, wie in 5 abgebildet ist. In diesem Szenario verläuft der Entladeweg durch die Body-Diode des Transistors D (d. h. des vierten Schaltelements), den massefreien Kondensator und den Transistor B.
Das resultierende Aufladen oder Entladen des massefreien Kondensators kann Fehlerbedingungen auslösen. Insbesondere kann das Aufladen des massefreien Kondensators einen Überspannungsalarm (OV-Alarm) bewirken, während das Entladen einen Unterspannungsalarm (UV-Alarm) auslösen kann. Als Antwort auf den OV-Alarm kann die Spannung des massefreien Kondensators abgesenkt werden, während die Spannung des massefreien Kondensators als Antwort auf den UV-Alarm erhöht werden kann. Jedoch verschwendet das Auslösen dieser Alarmbedingungen Energie und kann außerdem ein hörbares Rauschen bewirken.
6 zeigt eine beispielhafte Schaltung zum Regeln einer Kondensatorspannung eines massefreien Kondensators eines Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzers. In der veranschaulichten, beispielhaften Schaltung wird derselbe Mechanismus genutzt, der ein Schweben des massefreien Kondensators im Niederlastbetrieb (siehe 4 und 5, d. h. der Mechanismus, der ein unerwünschtes Aufladen und Entladen des massefreien Kondensators bewirkt) verhindern kann, um die Spannung des massefreien Kondensators aktiv in Richtung eines gewünschten Pegels zu regeln. Ein Komparator 60 vergleicht die Spannung des massefreien Kondensators mit einer Referenzspannung, um zu bestimmen, ob die Spannung des massefreien Kondensators größer als oder kleiner als ein gewünschter Wert (z. B. die Hälfte der Eingangsspannung, VIN/2) ist. Sollte die Spannung des massefreien Kondensators höher als gewünscht sein, wird das Ausschalten (z. B. die abfallende Flanke) für den Transistor B (das zweite Schaltelement 67) in Bezug auf die Ausschaltzeit für den Transistor A (das erste Schaltelement 66) verzögert. Wenn umgekehrt der massefreie Kondensator niedriger als gewünscht ist, wird die Ausschaltzeit für den Transistor A in Bezug auf die abfallende Flanke für den Transistor B verzögert. Um Rauschen zu verringern, kann der Komparator Hysterese enthalten.
Wie in 6 veranschaulicht ist, kann die beispielhafte Schaltung zum Regeln einer Kondensatorspannung eine Verzögerungsschaltung 68 umfassen, die konfiguriert ist, die Steuersignale drvA und drvB zu empfangen, die durch eine erste Rückkopplungsschaltung (nicht gezeigt) erzeugt werden. Die erste Rückkopplungsschaltung kann konfiguriert sein, die Steuersignale drvA und drvB zum Einstellen der Schaltelemente in mehreren Schaltzuständen zum Regeln einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms des Mehrstufen-Tiefsetzsteller-Umsetzers zu erzeugen. Die Verzögerungsschaltung 68 kann daraufhin konfiguriert sein, die vorübergehenden Steuersignale drvA_post_dly und drvB_post_dly zu erzeugen, indem die Steuersignale drvA und drvB um ein vorgegebenes oder veränderliches Verzögerungsintervall verzögert werden. Zum Beispiel kann die Verzögerungsschaltung 68 konfiguriert sein, die Steuersignale um ein veränderliches Verzögerungsintervall auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen einem Sollspannungswert des Kondensatorspannung und einer tatsächlichen Kondensatorspannung zu verzögern. Hier kann im Fall einer größeren Spannungsdifferenz ein längeres Verzögerungsintervall gewählt werden, während im Fall einer kleineren Spannungsdifferenz ein kürzeres Verzögerungsintervall gewählt werden kann. Zwei Multiplexer 61 und 62 sind konfiguriert, entweder die ursprünglichen Steuersignale drvA und drvB, die durch die erste Rückkopplungsschaltung erzeugt werden, oder die vorübergehenden Steuersignale drvA_post_dly und drvB_post_dly, die durch die Verzögerungsschaltung 68 erzeugt werden, weiterzuleiten. Hier sei erwähnt, dass der zweite Multiplexer 62 über eine Umkehrschaltung 63 mit dem Ausgang des Komparators 60 gekoppelt ist, derart, dass der Multiplexer 62 immer ein ursprüngliches Steuersignal weiterleitet, wenn der Multiplexer 61 ein vorübergehendes Steuersignal weiterleitet, und umgekehrt. Außerdem zeigt 6 zwei optionale Ansteuerschaltungen 64 und 65 zum Ansteuern des ersten Schaltelements 66 bzw. des zweiten Schaltelements 67.
Wie in der 6 zu sehen ist, kann der Komparatorausgang z. B. auf tief gehen, sobald die Spannung des massefreien Kondensators durch die Hysteresetoleranz ausreichend höher als der gewünschte Wert (VCapref) ist. Dieser Tief-Zustand kann auslösen, dass der erste Multiplexer 61 eine Version mit verzögerter abfallender Flanke des Ansteuersignals für den Transistor B auswählt, und löst außerdem aus, dass der zweite Multiplexer 62 die nicht verzögerte Version des Ansteuersignals für den Transistor A auswählt. Wenn umgekehrt die Spannung des massefreien Kondensators durch die Hysteresetoleranz des gewünschten Wertes Vcapref ausreichend niedriger ist, wird das Komparatorausgangssignal auf tief gehen, um die entgegengesetzte Auswahl durch die zwei Multiplexer 61, 62 auszulösen. Das Ansteuersignal für den Transistor A wird somit im Vergleich zu dem Ansteuersignal für den Transistor B eine verzögerte abfallende Flanke aufweisen.
Die resultierende Niederlastregelung der Spannung des massefreien Kondensators ist vorteilhaft in Bezug auf (1) das Einsparen von Energie, 2) das Verhindern der Aktivierung von Überspannungs- oder Unterspannungsalarmen für die Spannung des massefreien Kondensators und 3) das Fernhalten der Welligkeit der Spannung des massefreien Kondensators aus dem hörbaren Bereich durch eine geeignete Auswahl der Hysteresetoleranz und der Filterfrequenz.
7 zeigt einen vorübergehenden Schaltzustand eines Mehrstufen-Hochsetzsteller-Umsetzers, währenddessen ein massefreier Kondensator aufgeladen werden kann. Auf analoge Weise zeigt 8 einen weiteren vorübergehenden Schaltzustand eines Mehrstufen-Hochsetzsteller-Umsetzers, währenddessen ein massefreier Kondensator entladen wird. 9 zeigt eine beispielhafte Schaltung zum Regeln einer Kondensatorspannung eines massefreien Kondensators eines Mehrstufen-Hochsetzsteller-Umsetzers. Ein Komparator 90 vergleicht die Spannung des massefreien Kondensators mit einer Referenzspannung, um zu bestimmen, ob die Spannung des massefreien Kondensators größer als oder kleiner als ein gewünschter Wert ist. Wie in 9 veranschaulicht ist, kann die beispielhafte Schaltung zum Regeln einer Kondensatorspannung eine Verzögerungsschaltung 98 umfassen, die konfiguriert ist, die Steuersignale drvC und drvD zu empfangen, die durch eine erste Rückkopplungsschaltung (nicht gezeigt) erzeugt werden. Die erste Rückkopplungsschaltung kann konfiguriert sein, die Steuersignale zum Einstellen der Schaltelemente in mehreren Schaltzuständen zum Regeln der Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms des Mehrstufen-Hochsetzsteller-Umsetzers zu erzeugen. Die Verzögerungsschaltung 98 kann daraufhin konfiguriert sein, die vorübergehenden Steuersignale drvC_post_dly und drvD_post_dly zu erzeugen, indem die Steuersignale drvC und drvD um ein vorgegebenes oder veränderliches Verzögerungsintervall verzögert werden. Zum Beispiel kann die Verzögerungsschaltung 98 konfiguriert sein, die Steuersignale um ein veränderliches Verzögerungsintervall auf der Grundlage einer Spannungsdifferenz zwischen einem Sollspannungswert der Kondensatorspannung und einer tatsächlichen Kondensatorspannung zu verzögern. Hier kann im Fall einer größeren Spannungsdifferenz ein längeres Verzögerungsintervall gewählt werden, während im Fall einer kleineren Spannungsdifferenz ein kürzeres Verzögerungsintervall gewählt werden kann. Zwei Multiplexer 91 und 92 sind konfiguriert, entweder die ursprünglichen Steuersignale, die durch die erste Rückkopplungsschaltung erzeugt werden, oder die vorübergehenden Steuersignale, die durch die Verzögerungsschaltung 98 erzeugt werden, weiterzuleiten. Hier sei erwähnt, dass der zweite Multiplexer 62 über eine Umkehrschaltung 93 mit dem Ausgang des Komparators 90 gekoppelt ist, derart, dass der Multiplexer 92 immer ein ursprüngliches Steuersignal weiterleitet, wenn der Multiplexer 91 ein vorübergehendes Steuersignal weiterleitet, und umgekehrt. Außerdem zeigt 9 zwei optionale Ansteuerschaltungen 94 und 95 zum Ansteuern des dritten Schaltelements 96 bzw. des zweiten Schaltelements 97.
Es sei erwähnt, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme veranschaulichen. Der Fachmann auf dem Gebiet wird diverse Anordnungen implementieren können, die, obwohl sie hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt sind, die Prinzipien der Erfindung ausführen und in deren Erfindungsgeist und Umfang enthalten sind. Ferner sind alle Beispiele und Ausführungsformen, die im vorliegenden Dokument umrissen sind, hauptsächlich dafür gedacht, ausdrücklich lediglich zu Erklärungszwecken zu dienen, um den Leser dabei zu unterstützen, die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu verstehen. Ferner sind alle Aussagen hier, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung bereitstellen, sowie spezifische Beispiele dafür dafür gedacht, Äquivalente davon zu umfassen.

Claims

Mehrstufen-Leistungsumsetzer, der Folgendes umfasst: - ein erstes Schaltelement, ein zweites Schaltelement, ein drittes Schaltelement und ein viertes Schaltelement; - einen Induktor, wobei ein erster Anschluss des Induktors mit einem Schaltanschluss verbunden ist, der das zweite Schaltelement und das dritte Schaltelement verbindet; - einen massefreien Kondensator, wobei ein erster Anschluss des massefreien Kondensators mit einem Anschluss verbunden ist, der das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement verbindet, und wobei ein zweiter Anschluss des massefreien Kondensators mit einem Anschluss verbunden ist, der das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement verbindet; - eine erste Rückkopplungsschaltung, die konfiguriert ist, Steuersignale zum Einstellen der Schaltelemente in mehreren Schaltzuständen zum Regeln einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms des Mehrstufen-Leistungsumsetzers zu erzeugen; und - eine zweite Rückkopplungsschaltung, die konfiguriert ist, auf der Grundlage einer Kondensatorspannung über dem massefreien Kondensator vorübergehende Steuersignale zum Einstellen der Schaltelemente in einem vorübergehenden Schaltzustand, in dem der massefreie Kondensator unter Verwendung eines Induktorstroms, der durch den Induktor fließt, aufgeladen oder entladen wird, zu erzeugen.
Mehrstufen-Leistungsumsetzer nach Anspruch 1, wobei die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert ist, die vorübergehenden Steuersignale zum Steuern der Schaltelemente in dem vorübergehenden Schaltzustand während eines Zeitintervalls zwischen einem vorhergehenden Schaltzustand und einem darauffolgenden Schaltzustand zu erzeugen, wobei sowohl der vorhergehende Schaltzustand als auch der darauffolgende Schaltzustand durch die erste Rückkopplungsschaltung aus den mehreren Schaltzuständen ausgewählt werden.
Mehrstufen-Leistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der vorübergehende Schaltzustand der zweiten Rückkopplungsschaltung keiner der mehreren Schaltzustände der ersten Rückkopplungsschaltung ist.
Mehrstufen-Leistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mehreren Schaltzustände einen ersten Schaltzustand und einen zweiten Schaltzustand enthalten, wobei im ersten Schaltzustand das erste und das zweite Schaltelement ausgeschaltet sind und das dritte und das vierte Schaltelement eingeschaltet sind und wobei im zweiten Schaltzustand das erste und das zweite Schaltelement eingeschaltet sind und das dritte und das vierte Schaltelement ausgeschaltet sind.
Mehrstufen-Leistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Rückkopplungsschaltung eine Verzögerungsschaltung umfasst, die konfiguriert ist zum: - Empfangen von mindestens einem der Steuersignale, die durch die erste Rückkopplungsschaltung erzeugt werden, und - Erzeugen von mindestens einem der vorübergehenden Steuersignale, indem das mindestens eine Steuersignal um ein Verzögerungsintervall verzögert wird.
Mehrstufen-Leistungsumsetzer nach Anspruch 5, wobei die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert ist, das Verzögerungsintervall derart zu bestimmen, dass eine Frequenz einer Spannungsänderung der Kondensatorspannung außerhalb eines hörbaren Frequenzbands liegt.
Mehrstufen-Leistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die erste Rückkopplungsschaltung konfiguriert ist, zwei Steuersignale zum nahezu gleichzeitigen Ausschalten des ersten und des zweiten Schaltelements zu erzeugen, und - die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert ist, auf der Grundlage der Kondensatorspannung eines der zwei Steuersignale auszuwählen und das Ausgewählte der zwei Steuersignale um ein Verzögerungsintervall zu verzögern, derart, dass der massefreie Kondensator während des Verzögerungsintervalls durch den Induktorstrom aufgeladen oder entladen wird.
Mehrstufen-Leistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert ist: - dann, wenn die Kondensatorspannung unter einem Sollspannungswert liegt, ein erstes vorübergehendes Steuersignal zum Ausschalten des ersten Schaltelements zu erzeugen, indem ein erstes Steuersignal verzögert wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des ersten Schaltelements erzeugt wird, oder - dann, wenn die Kondensatorspannung größer als der Sollspannungswert ist, ein zweites vorübergehendes Steuersignal zum Ausschalten des zweiten Schaltelements zu erzeugen, indem ein zweites Steuersignal verzögert wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des zweiten Schaltelements erzeugt wird.
Mehrstufen-Leistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert ist: - dann, wenn die Kondensatorspannung unter einem Sollspannungswert liegt, das zweite vorübergehende Steuersignal zum Ausschalten des zweiten Schaltelements zu erzeugen, indem ein zweites Steuersignal weitergeleitet wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des zweiten Schaltelements erzeugt wird, oder - dann, wenn die Kondensatorspannung größer als der Sollspannungswert ist, das erste vorübergehende Steuersignal zum Ausschalten des ersten Schaltelements zu erzeugen, indem ein erstes Steuersignal weitergeleitet wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des ersten Schaltelements erzeugt wird.
Mehrstufen-Leistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert ist: - dann, wenn die Kondensatorspannung größer als ein Sollspannungswert ist, ein drittes vorübergehendes Steuersignal zum Ausschalten des dritten Schaltelements zu erzeugen, indem ein drittes Steuersignal verzögert wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des dritten Schaltelements erzeugt wird, oder - dann, wenn die Kondensatorspannung unter dem Sollspannungswert liegt, ein viertes vorübergehendes Steuersignal zum Ausschalten des vierten Schaltelements zu erzeugen, indem ein viertes Steuersignal verzögert wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des vierten Schaltelements erzeugt wird.
Mehrstufen-Leistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert ist: - dann, wenn die Kondensatorspannung größer als ein Sollspannungswert ist, das vierte vorübergehende Steuersignal zum Ausschalten des vierten Schaltelements zu erzeugen, indem ein viertes Steuersignal weitergeleitet wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des vierten Schaltelements erzeugt wird, oder - dann, wenn die Kondensatorspannung unter dem Sollspannungswert liegt, das dritte vorübergehende Steuersignal zum Ausschalten des dritten Schaltelements zu erzeugen, indem das dritte Steuersignal weitergeleitet wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des dritten Schaltelements erzeugt wird.
Mehrstufen-Leistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Rückkopplungsschaltung Folgendes umfasst: - eine Verzögerungsschaltung, wobei die Verzögerungsschaltung konfiguriert ist, verzögerte Steuersignale zu erzeugen, indem die Steuersignale verzögert werden, die durch die erste Rückkopplungsschaltung erzeugt werden; - einen Komparator, der konfiguriert ist, die Kondensatorspannung mit einer Sollkondensatorspannung zu vergleichen; und - mindestens einen Multiplexer, der konfiguriert ist, zum Steuern des Schaltverhaltens von einem der Schaltelemente auf der Grundlage eines Vergleichsergebnisses, das durch den Komparator erzeugt wird, entweder ein Steuersignal, das durch die erste Rückkopplungsschaltung erzeugt wird, oder ein verzögertes Steuersignal, das durch die zweite Rückkopplungsschaltung erzeugt wird, weiterzuleiten.
Mehrstufen-Leistungsumsetzer nach Anspruch 12, wobei eine Hysterese des Komparators derart ausgewählt ist, dass eine Frequenz einer Spannungsänderung der Kondensatorspannung außerhalb eines hörbaren Frequenzbands liegt.
Verfahren zum Betreiben eines Mehrstufen-Leistungsumsetzers, der ein erstes Schaltelement, ein zweites Schaltelement, ein drittes Schaltelement, ein viertes Schaltelement, einen Induktor und einen massefreien Kondensator umfasst, wobei ein erster Anschluss des Induktors mit einem Schaltanschluss verbunden ist, der das zweite Schaltelement und das dritte Schaltelement verbindet, wobei ein erster Anschluss des massefreien Kondensators mit einem Anschluss verbunden ist, der das erste Schaltelement und das zweite Schaltelement verbindet, und wobei ein zweiter Anschluss des massefreien Kondensators mit einem Anschluss verbunden ist, der das dritte Schaltelement und das vierte Schaltelement verbindet, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: - Erzeugen von Steuersignalen zum Einstellen der Schaltelemente in mehreren Schaltzuständen zum Regeln einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms des Mehrstufen-Leistungsumsetzers durch eine erste Rückkopplungsschaltung; und - Erzeugen von vorübergehenden Steuersignalen zum Einstellen der Schaltelemente in einem vorübergehenden Schaltzustand, in dem der massefreie Kondensator unter Verwendung eines Induktorstroms, der durch den Induktor fließt, aufgeladen oder entladen wird, auf der Grundlage einer Kondensatorspannung über dem massefreien Kondensator durch eine zweite Rückkopplungsschaltung.
Verfahren nach Anspruch 14, das ferner Folgendes umfasst: - Erzeugen der vorübergehenden Steuersignale zum Steuern der Schaltelemente in dem vorübergehenden Schaltzustand während eines Zeitintervalls zwischen einem vorhergehenden Schaltzustand und einem darauffolgenden Schaltzustand durch die zweite Rückkopplungsschaltung, wobei sowohl der vorhergehende als auch der darauffolgende Schaltzustand durch die erste Rückkopplungsschaltung aus den mehreren Schaltzuständen ausgewählt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 15, wobei der vorübergehende Schaltzustand der zweiten Rückkopplungsschaltung keiner der mehreren Schaltzustände der ersten Rückkopplungsschaltung ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 16, wobei die mehreren Schaltzustände einen ersten Schaltzustand und einen zweiten Schaltzustand enthalten, wobei im ersten Schaltzustand das erste und das zweite Schaltelement ausgeschaltet sind und das dritte und das vierte Schaltelement eingeschaltet sind und wobei im zweiten Schaltzustand das erste und das zweite Schaltelement eingeschaltet sind und das dritte und das vierte Schaltelement ausgeschaltet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 17, das ferner Folgendes umfasst: - Empfangen von mindestens einem der Steuersignale, die durch die erste Rückkopplungsschaltung erzeugt werden, durch die zweite Rückkopplungsschaltung; und - Erzeugen von mindestens einem der vorübergehenden Steuersignale durch die zweite Rückkopplungsschaltung, indem das mindestens eine Steuersignal um ein Verzögerungsintervall verzögert wird.
Verfahren nach Anspruch 18, das ferner Folgendes umfasst: - Bestimmen des Verzögerungsintervalls durch die zweite Rückkopplungsschaltung, derart, dass eine Frequenz einer Spannungsänderung der Kondensatorspannung außerhalb eines hörbaren Frequenzbands liegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 19, das ferner Folgendes umfasst: Erzeugen von zwei Steuersignalen zum nahezu gleichzeitigen Ausschalten des ersten und des zweiten Schaltelements durch die erste Rückkopplungsschaltung; - Auswählen eines der zwei Steuersignale auf der Grundlage der Kondensatorspannung durch die zweite Rückkopplungsschaltung; und - Verzögern des Ausgewählten der zwei Steuersignale um ein Verzögerungsintervall durch die zweite Rückkopplungsschaltung, derart, dass der massefreie Kondensator während des Verzögerungsintervalls durch den Induktorstrom aufgeladen oder entladen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 20, das ferner Folgendes umfasst: - dann, wenn die Kondensatorspannung unter einem Sollspannungswert liegt, Erzeugen eines ersten vorübergehenden Steuersignals zum Ausschalten des ersten Schaltelements, indem ein erstes Steuersignal verzögert wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des ersten Schaltelements erzeugt wird, oder - dann, wenn die Kondensatorspannung größer als der Sollspannungswert ist, Erzeugen eines zweiten vorübergehenden Steuersignals zum Ausschalten des zweiten Schaltelements, indem ein zweites Steuersignal verzögert wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des zweiten Schaltelements erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, das ferner Folgendes umfasst: - dann, wenn die Kondensatorspannung unter dem Sollspannungswert liegt, Erzeugen des zweiten vorübergehenden Steuersignals zum Ausschalten des zweiten Schaltelements, indem ein zweites Steuersignal weitergeleitet wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des zweiten Schaltelements erzeugt wird, oder - dann, wenn die Kondensatorspannung größer als der Sollspannungswert ist, Erzeugen des ersten vorübergehenden Steuersignals zum Ausschalten des ersten Schaltelements, indem ein erstes Steuersignal weitergeleitet wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des ersten Schaltelements erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 20, das ferner Folgendes umfasst: - dann, wenn die Kondensatorspannung größer als ein Sollspannungswert ist, Erzeugen eines dritten vorübergehenden Steuersignals zum Ausschalten des dritten Schaltelements, indem ein drittes Steuersignal verzögert wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des dritten Schaltelements erzeugt wird, oder - dann, wenn die Kondensatorspannung unter dem Sollspannungswert liegt, Erzeugen eines vierten vorübergehenden Steuersignals zum Ausschalten des vierten Schaltelements, indem ein viertes Steuersignal verzögert wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des vierten Schaltelements zum Ausschalten des vierten Schaltelements erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 23, das ferner Folgendes umfasst: - dann, wenn die Kondensatorspannung größer als der Sollspannungswert ist, Erzeugen des vierten vorübergehenden Steuersignals zum Ausschalten des vierten Schaltelements, indem ein viertes Steuersignal weitergeleitet wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des vierten Schaltelements erzeugt wird, oder - dann, wenn die Kondensatorspannung unter dem Sollspannungswert liegt, Erzeugen des dritten vorübergehenden Steuersignals zum Ausschalten des dritten Schaltelements, indem das dritte Steuersignal weitergeleitet wird, das durch die erste Rückkopplungsschaltung zum Ausschalten des dritten Schaltelements erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 14 oder 24, das ferner Folgendes umfasst: - Erzeugen von verzögerten Steuersignalen durch eine Verzögerungsschaltung der zweiten Rückkopplungsschaltung, indem die Steuersignale verzögert werden, die durch die erste Rückkopplungsschaltung erzeugt werden; - Vergleichen der Kondensatorspannung mit einer Sollkondensatorspannung durch einen Komparator der zweiten Rückkopplungsschaltung; und - Weiterleiten entweder eines Steuersignals, das durch die erste Rückkopplungsschaltung erzeugt wird, oder eines verzögerten Steuersignals, das durch die zweite Rückkopplungsschaltung erzeugt wird, auf der Grundlage eines Vergleichsergebnisses, das durch den Komparator erzeugt wird, durch mindestens einen Multiplexer der zweiten Rückkopplungsschaltung zum Steuern des Schaltverhaltens von einem der Schaltelemente.
Verfahren nach Anspruch 25, das ferner Folgendes umfasst: - Auswählen einer Hysterese des Komparators, derart, dass eine Frequenz einer Spannungsänderung der Kondensatorspannung außerhalb eines hörbaren Frequenzbands liegt.