DE102020109796A1 - Geschalteter resonanztransformatorbasierter dc-dc-wandler mit hohem abwärtsverhältnis - Google Patents

Geschalteter resonanztransformatorbasierter dc-dc-wandler mit hohem abwärtsverhältnis Download PDF

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Abstract

Ein DC-DC-Wandlerschaltkreis weist einen geschalteten Resonanzwandler auf, welcher ausgestaltet ist, eine Schaltwellenform auszugeben. Der DC-DC-Wandlerschaltkreis weist ferner einen Transformator auf, welcher mit dem geschalteten Resonanzwandler gekoppelt ist, um die Schaltwellenform, welche von dem geschalteten Resonanzwandler ausgegeben wird, über einer Primärwicklung des Transformators aufzunehmen.

Description

  • HINTERGRUND
  • Hohe Eingangssignalspannungen (z.B. 40V - 60V) für integrierte Schaltkreisvorrichtungen, wie z.B. Grafikverarbeitungseinheiten (GPUs), werden immer gebräuchlicher, da diese höheren Spannungen eine Leistungsbereitstellung auf effiziente Art und Weise ermöglichen. Eingangssignale mit diesen Pegeln erfordern Lastpunktwandler mit hohem Verhältnis, die klein genug sind, um auf eine integrierte Schaltung zu passen. Verschiedene Wandler mit hohem Verhältnis sind bekannt, wie z.B. geschaltete Resonanzwandler (englisch: switched tank converter, STC) und transformatorbasierte DC-DC-Wandler, wobei sich DC auf Gleichstrom bezieht.
  • Ein geschalteter Resonanzwandler enthält Kondensatoren und Induktivitäten, um Energie von einer Spannungsebene in eine andere umzuwandeln. 1 zeigt ein Beispiel für einen geschalteten Resonanzwandler 100 mit einem Wandlungsverhältnis von 4:1 (Vout = Vin/4). Der Resonanzschaltkreisabschnitt des geschalteten Resonanzwandlers ist so ausgelegt, dass er eine Resonanzfrequenz nahe der Schaltfrequenz hat. Schaltverluste werden durch Implementieren von Nullstromschalten reduziert.
  • Ein transformatorbasierter Wandler mit hohem Untersetzungsverhältnis verwendet einen Transformator, um ein hohes Untersetzungsverhältnis zu erzielen. Ein Vollbrückenschaltkreis oder Halbbrückenschaltkreis wird verwendet, um eine DC-Eingangssignalspannung in eine Schaltwellenform zu invertieren. An der Transformatorsekundärwicklung kann entweder ein Vollbrückenschaltkreis oder ein Transformator mit Mittelabgriff verwendet werden, um eine synchrone Gleichrichtung zu erreichen, wie in dem transformatorbasierten Wandler 200 in 2 dargestellt. Das Wandlungsverhältnis, welches bereitgestellt wird, ist gleich dem Transformatorwindungsverhältnis von N:1 (Vout = Vin/N).
  • Mit beiden beschriebenen Ansätzen sind Nachteile verbunden. Ein geschalteter Resonanzwandler benötigt viele Komponenten, um ein hohes Wandlungsverhältnis zu erreichen. Zum Beispiel, wenn das Wandlungsverhältnis auf 6:1 erhöht wird, dann muss eine weitere Stufe hinzugefügt werden. Eine solche zusätzliche Stufe erhöht die Anzahl der Schaltkreiskomponenten weiter.
  • In Bezug auf einen transformatorbasierten Wandler nimmt die Größe des Transformators mit zunehmendem Windungsverhältnis zu, um das gewünschte Wandlungsverhältnis zu erreichen. Dies führt zu einer Erhöhung der Schaltkreisfläche sowie der Kernverluste in dem Transformator. Kernverluste sind proportional zum Volumen des Transformators.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG
  • Aspekte der vorliegenden Offenbarung sind auf ein Bereitstellen und/oder Steuern eines DC-DC-Wandlers mit hohem Verhältnis gerichtet, welcher einen verschachtelten geschalteten Resonanzwandler aufweist, welcher mit einem Transformator gekoppelt ist.
  • Gemäß verschiedenen Aspekten kann eine Anzahl von Schaltkreiskomponenten (zum Beispiel eine gesamte Anzahl von Schaltern) verringert werden. Zusätzliche (oder alternativ) wird ein Nullstromschalten verwendet, um Schaltverluste zu verringern, und ein synchrones Gleichrichten wird an dem Ausgang des DC-DC-Wandlers verwendet, um ein stabiles DC-Signal zu erzeugen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein DC-DC-Wandlerschaltkreis einen geschalteten Resonanzwandler auf, welcher ausgestaltet ist, eine Schaltwellenform auszugeben. Der DC-DC-Wandlerschaltkreis weist ferner einen Transformator auf, welcher mit dem geschalteten Resonanzwandler gekoppelt ist, um die von dem geschalteten Resonanzwandler ausgegebene Schaltwellenform über einer Primärwicklung des Transformators aufzunehmen.
  • Gemäß zumindest einer Ausführungsform weist ein System einen DC-DC-Wandler auf, welcher ausgestaltet ist, ein Eingangssignal zu empfangen und ein Ausgangssignal zu erzeugen. Der DC-DC-Wandler weist einen geschalteten Resonanzwandler, welcher ausgestaltet ist, eine Schaltwellenform auszugeben, und einen Transformator, welcher mit dem geschalteten Resonanzwandler gekoppelt ist, um die von dem geschalteten Resonanzwandler ausgegebene Schaltwellenform über einer Primärwicklung des Transformators aufzunehmen, auf. Das System weist ferner einen synchronen Gleichrichter auf, welcher mit dem DC-DC-Wandler gekoppelt ist und ausgestaltet ist, dass von dem DC-DC-Wandler erzeugte Ausgangssignal gleichzurichten. Das System weist ferner eine integrierte Schaltkreisvorrichtung (IC) auf, welche mit dem synchronen Gleichrichter gekoppelt ist, um das gleichgerichtete Ausgangssignal aufzunehmen.
  • Gemäß mindestens einer Ausführungsform wird ein Verfahren zum Betreiben eines Wandlerschaltkreises offenbart, welcher einen geschalteten Resonanzwandler und einen Transformator, welcher mit dem geschalteten Resonanzwandler gekoppelt ist, aufweist. Das Verfahren weist auf: Empfangen eines Eingangssignals an dem geschalteten Resonanzwandler; und Steuern des geschalteten Resonanzwandlers während einer ersten Phase, um eine Spannung mit einer ersten Polarität über einer Primärwicklung des Transformators anzulegen. Das Verfahren weist ferner auf: Steuern des geschalteten Resonanzwandlers während einer zweiten Phase, um eine Spannung mit einer zweiten Polarität über der Primärwicklung des Transformators anzulegen, wobei die zweite Polarität entgegengesetzt zu der ersten Polarität ist; und Bereitstellen eines Ausgangssignal an der Sekundärwicklung des Transformators.
  • Figurenliste
  • Um die Erörterung eines bestimmten Elements oder Vorgangs einfach zu bezeichnen, bezieht sich die höchstwertige Ziffer oder beziehen sich die höchstwertigen Ziffern auf die Nummer der Figur, in welcher das Element als erstes eingeführt wird.
    • 1 stellt ein Beispiel eines geschalteten Resonanzwandlers 100 dar.
    • 2 stellt ein Beispiel eines transformatorbasierten Wandlers 200 dar.
    • 3 stellt ein System 300 gemäß einer Ausführungsform dar.
    • 4 stellt einen Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 400 gemäß mindestens einer Ausführungsform dar.
    • 5 stellt phasenäquivalente Schaltkreise 500 für den Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 400 gemäß zumindest einer Ausführungsform dar.
    • 6 stellt ein Verfahren 600 gemäß zumindest einer Ausführungsform dar.
    • 7 stellt einen Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 700 gemäß mindestens einer Ausführungsform dar.
    • 8 stellt einen Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 800 gemäß mindestens einer Ausführungsform dar.
    • 9 stellt einen Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 900, welcher mehrere Transformatoren verwendet, gemäß mindestens einer Ausführungsform dar.
    • 10 stellt einen symmetrischen Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1000 gemäß einer Ausführungsform dar.
    • 11 gestellt einen komponentenreduzierten Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1100 gemäß einer Ausführungsform dar.
    • 12 stellt einen verschachtelten Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1200 gemäß einer Ausführungsform dar.
    • 13 stellt einen komponentenreduzierten Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1300 gemäß einer Ausführungsform dar.
    • 14 stellt einen Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1400 mit höherem Wandlungsverhältnis gemäß einer Ausführungsform dar.
  • DETAILIERTE BESCHREIBUNG
  • 1 stellt ein Beispiel eines geschalteten Resonanzwandlers 100 dar. Der geschaltete Resonanzwandler 100 weist Resonanzschaltkreise auf. Jeder der Resonanzschaltkreise weist eine Induktivität und einen Kondensator auf (zum Beispiel einen Resonanzkondensator 102 und eine Induktivität 108, und einen Resonanzkondensator 106 und eine Induktivität 110). Die Resonanzschaltkreise werden zum Übertragen von Energie von einem Spannungspegel (zum Beispiel Spannungseingang 112) zu einem anderen (zum Beispiel Spannungsausgang 120) verwendet. Der geschaltete Resonanzwandler 100 der 1 weist ein Wandlungsverhältnis von 4: 1 auf (Vout=Vin/4). Die Resonanzschaltkreise sind ausgestaltet, eine Resonanzfrequenz aufzuweisen, welche nahe bei einer Schaltfrequenz ist. Schaltverluste werden durch Implementieren von Nullstromschalten (englisch: zero crossing switching, ZCS) verringert.
  • Ein Resonanzbaustein führt einen Resonanzvorgang aus, bei welchem der Resonanzbaustein einen Resonanzstrom durch Schalten bei näherungsweise der Resonanzfrequenz erzeugt. Unter Bezugnahme auf 1 weist ein Beispiel eines Resonanzbausteins einen Schalter 122, einen Schalter 114, einen Resonanzkondensator 102, eine Induktivität 108, einen Schalter 124 und einen Schalter 126 auf. Ein anderes Beispiel eines Resonanzbausteins weist einen Schalter 116, einen Schalter 118, einen Resonanzkondensator 106, eine Induktivität 110, einen Schalter 132 und einen Schalter 134 auf.
  • Ein Nicht-Resonanzbaustein ist ebenfalls in dem geschalteten Resonanzwandler 100 enthalten. Der Nicht-Resonanzbaustein stabilisiert die Spannung der Eingangs- und Ausgangsanschlüsse durch Koppeln eines Filterkondensators (zum Beispiel Filterkondensator 104) mit Masse oder mit einer anderen stabilen Spannung. Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 1 weist ein Beispiel eines Nicht-Resonanzbausteins einen Filterkondensator 104, einen Schalter 128 und einen Schalter 130 auf. Der Nicht-Resonanzbaustein kann die vorher beschriebenen Resonanzbausteine voneinander trennen.
  • 2 stellt ein Beispiel eines transformatorbasierten Wandlers 200 dar. Ein Vollbrückenschaltkreis oder ein Halbbrückenschaltkreis wird verwendet, um eine DC-Eingangssignalspannung (zum Beispiel Spannungseingang 206) in eine Schaltwellenform zu invertieren. Unter Bezugnahme auf 2 weist ein Vollbrückenschaltkreis einen Zweig, welcher einen Schalter 210 und einen Schalter 212 aufweist, parallel gekoppelt zu einem Zweig, welcher einen Schalter 208 und einen Schalter 214 aufweist, auf. Die Zweige werden mittels eines Kondensators 220, welcher eine Resonanz mit der Streuinduktivität des Transformators bereitstellt, und einer Transformatorprimärwicklung 222 überbrückt. Der Schalter 210, der Schalter 212, der Schalter 208 und der Schalter 214 sind steuerbar, um den Spannungseingang 206 mit der Transformatorprimärwicklung 222 zu koppeln. Ein Ausgangssignal (zum Beispiel Spannungsausgang 202) wird von der Transformatorsekundärwicklung 224 über den Schalter 216 und den Schalter 218 und den Kondensator 204 bereitgestellt.
  • Ein Transformator, welcher durch die Transformatorprimärwicklung 222 und die Transformatorsekundärwicklung 224 ausgebildet ist, wird verwendet, um ein hohes Untersetzungsverhältnis zu erreichen. Das Wandlungsverhältnis des Transformators ist gleich dem Transformatorwindungsverhältnis, welches N:1 (Vout=Vin/N) ist. An der Transformatorsekundärwicklung 224 kann entweder eine Vollbrücke oder ein Transformator mit Mittelabgriff (wie in 2 dargestellt) verwendet werden, um eine synchrone Gleichrichtung zu erreichen.
  • 3 stellt ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Systems 300 gemäß mindestens einer Ausführungsform dar. Das System 300 weist einen geschalteten Resonanztransformatorwandler 310 auf. Der geschaltete Resonanztransformatorwandler 310 weist einen geschalteten Resonanzwandler 302 gekoppelt mit einem Transformator 304 auf.
  • Die geschaltete Resonanzwandlerstufe 302 gibt eine DC-Spannung aus, welche dann in eine Schaltwellenform in der Transformatorstufe 304 gewandelt wird. Ein Kondensator 312 (C1) wird zwischen den Stufen verwendet, um die DC-Spannungspegelausgabe von dem geschalteten Resonanzwandler 302 zu halten. Das Ausgangssignal, welches von dem geschalteten Resonanztransformatorwandler 310 bereitgestellt wird, wird von dem synchronen Gleichrichter 306 gleichgerichtet. Die gleichgerichtete Ausgabe wird einem integrierten Schaltkreise, wie zum Beispiel einer GPU 308 bereitgestellt. Das System ist aufgrund der mehrfachen Hin- und Herwandlungen zwischen DC und einer Schaltwellenform ineffizient.
  • Eine vorteilhaftere Lösung kombiniert den geschalteten Resonanzwandler und die nachfolgende Transformatorstufe durch Erzeugen einer Schaltwellenform in der geschalteten Resonanzwandlerstufe, welche direkt in die Transformatorwicklung eingespeist wird. Wie unter Bezugnahme auf 4 und 5 detaillierter beschrieben werden wird, kann der geschaltete Resonanzwandler zusätzlich zu einem Bereitstellen eines Teils eines Wandlungsverhältnisses eine Schaltwellenform ausgeben. Die Schaltwellenform wird über eine Primärwicklung des nachfolgenden Transformators angelegt. Der Transformator stellt einen übrigen Teil des Wandlungsverhältnisses bereit.
  • 4 stellt einen Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 400 gemäß mindestens einer Ausführungsform bereit. Der Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 400 verringert die Gesamtzahl von Komponenten und/oder die Notwendigkeit eines erhöhten Windungsverhältnisses in dem Transformator 304. Zum Beispiel weist der Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 400 einen verschachtelten zweiphasigen geschalteten Resonanzwandler und einen Transformator in einer derartigen Art und Weise auf, welche die Anzahl von verwendeten Schaltern von vierzehn (zum Beispiel, wenn der geschaltete Resonanzwandler 302 und der Transformator 304 nicht so kombiniert werden) auf acht verringert. Ferner besteht kein Bedarf mehr an dem Zwischenkondensator 312 (C1). Anstatt nur direkt eine DC-Spannung zu erzeugen, erzeugt der Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 400 die Schaltwellenform für die Primärwicklung (406a) des Transformators 406 und stellt ferner eine 2:1 Abwärtswandlung bereit. Der Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 400 zieht einen Strom von einem Eingangssignal während beider der zwei Phasen. Eine weitere Abwärtswandlung wird durch das Windungsverhältnis des Transformators 406 erreicht.
  • Der Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 400 weist zwei Resonanzschaltkreise auf, welche alternativ über eine Transformatorprimärwicklung des Transformators angeschlossen werden. Die Resonanzschaltkreise können in einer komplementären Art und Weise geschaltet werden, sodass Strom während eines gesamten Taktzyklus gezogen wird. Zum Beispiel können die Resonanzschaltkreise derart geschaltet werden, dass sie abwechselnd mit einem Eingangssignal und einem positiven Anschluss der Transformatorprimärwicklung verbunden werden. Dementsprechend wird der Eingangssignal-DC-Strom verringert.
  • Unter fortgesetzter Bezugnahme auf 4 weist der Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 400 zwei Resonanzschaltkreise und einen Transformator 406 mit einer Transformatorprimärwicklung 406a und einer Transformatorsekundärwicklung 406b auf. Der Transformator 406 hat ein Windungsverhältnis von N:1. Dementsprechend, wenn der Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 400 einen Spannungseingang 408 von Vin aufweist, weist er einen Spannungsausgang 408 von Vout auf, welcher gleich (oder näherungsweise gleich) Vin/(2*N) ist. 4 stellt dar, dass die Transformatorsekundärwicklung 406b eine Mittelabgriffverbindung aufweist. Es ist jedoch klar, dass alternativ eine Vollbrücke verwendet werden kann, um eine synchrone Gleichrichtung zu erreichen.
  • Ein erster Resonanzschaltkreis weist eine Induktivität 414 (Ltank1) und einen Kondensator 410 (Ctankl) auf. Ein zweiter Resonanzschaltkreis weist eine Induktivität 416 (Ltank2) und einen Kondensator 412 (Ctank2) auf. Der erste Resonanzschaltkreis und der zweite Resonanzschaltkreis werden alternativ über die Transformatorprimärwicklung 406a angeschlossen.
  • Die Resonanzschaltkreise können geschaltet werden, um zwischen einem Eingangssignal (Spannungseingang 408) und einem positiven Anschluss der Transformatorprimärwicklung 406a in verschiedenen Konfigurationen gekoppelt zu werden. Das Schalten wird unter Verwendung erster Schalter 402 und zweiter Schalter 404 ermöglicht. Wie es unter Bezugnahme auf 5 detaillierter beschrieben werden wird, ist in einer ersten Betriebsphase jeder der ersten Schalter 402 konfiguriert, um eingeschaltet (geschlossen) zu sein, und jeder der zweiten Schalter 404 ist konfiguriert, um ausgeschaltet (offen) zu sein. Nachfolgend, in einer zweiten Betriebsphase (zum Beispiel einer komplementären Phase), ist jeder der ersten Schalter 402 konfiguriert, um eingeschaltet (geschlossen) zu sein und jeder der zweiten Schalter 404 ist konfiguriert, um ausgeschaltet (offen) zu sein.
  • 5 stellt phasenäquivalente Schaltkreise 500 dar. Einer der phasenäquivalenten Schaltkreise 500 stellt einen Betrieb des Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandlers 400 während einer ersten Betriebsphase (Phase 502) dar. Der andere der phasenäquivalenten Schaltkreise 500 stellt einen Betrieb des Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandlers 400 während einer zweiten Betriebsphase (Phase 504) dar. Aus Gründen der Einfachheit werden die ersten Schalter 402 und die zweiten Schalter 404 der 4 nicht explizit in den phasenäquivalenten Schaltkreisen 500 der 5 gezeigt.
  • In der Phase 502 wird jeder der ersten Schalter 402 gesteuert, um eingeschaltet zu sein, und jeder der zweiten Schalter 404 wird gesteuert, um ausgeschaltet zu sein. Der erste Resonanzschaltkreis und der zweite Resonanzschaltkreis werden miteinander wie in dem phasenäquivalenten Schaltkreis gemäß der Phase 502 gekoppelt. Dementsprechend ist die Spannung über der Transformatorprimärwicklung 406a gleich der Hälfte von dem Spannungseingang 408 (d. h., Vin/2).
  • In einer nächsten Phase (zum Beispiel Phase 504) wird jeder von den ersten Schaltern 402 gesteuert, um ausgeschaltet (offen) zu sein, und jeder von den zweiten Schaltern 404 wird gesteuert, um eingeschaltet (geschlossen) zu sein. Der erste Resonanzschaltkreis und der zweite Resonanzschaltkreis werden miteinander wie in dem phasenäquivalenten Schaltkreis gemäß der Phase 504 gekoppelt. Dementsprechend ist die Größe der Spannung über der Transformatorprimärwicklung 406a wieder gleich der Hälfte von dem Spannungseingang 408 (d. h., Vin/2). Die Polarität der Spannung über der Transformatorprimärwicklung 406a ist jedoch entgegengesetzt zu der Polarität der Spannung, welche unter Bezugnahme auf die Phase 502 beschrieben wurde. Wie in 5 dargestellt, ist die Spannung über der Transformatorprimärwicklung 406a gleich -Vin/2.
  • Durch den Zweiphasenbetrieb wird dem Eingangssignal (Spannungseingang 408) während einer gesamten Taktperiode Strom entnommen, wodurch die transienten Sprünge auf der Eingangssignalstromversorgung reduziert werden. Eigenschaften der Resonanzstromkreise (z.B. die Induktivität der Induktivität 414, die Induktivität der Induktivität 416, die Kapazität des Kondensators 410 und die Kapazität des Kondensators 412) sind so gewählt, dass die Resonanzfrequenzen der Resonanzstromkreise gleich (oder annähernd gleich) einer Schaltfrequenz sind (z.B. die Frequenz, bei der die ersten Schalter 402 und die zweiten Schalter 404 gesteuert werden, so dass der geschaltete Resonanzwandler des Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandlers 400 zwischen einem Betrieb in der Phase 502 und einem Betrieb in der komplementären Phase 504 wechselt).
  • Gemäß mindestens einer bestimmten Ausführungsform ist der Strom durch die beiden verschachtelten Resonanzstromkreise um 180° zueinander phasenverschoben. Wenn zum Beispiel die Spannung am Spannungseingang 408 gleich 40V ist, wechselt die Spannung über der Transformatorprimärwicklung 406a zwischen +20V (z.B. während der Phase 502) und -20V (z.B. während der komplementären Phase 504). Wenn bei einem weiteren Beispiel der Transformator 406 ein Windungsverhältnis von 4:1 hat, wechselt die Spannung an dem Spannungsausgang 418 zwischen etwa +5V (z.B. während der Phase 502) und etwa - 5V (z.B. während der komplementären Phase 504). Eine Nutzung der verschachtelten Resonanzstromkreise, um das Eingangssignal zu empfangen, führt dazu, dass während des gesamten Zyklus Strom gezogen wird, was Eingangssignalstromschwankungen reduziert. Ein hoher Wirkungsgrad kann über einen weiten Leistungsbereich erreicht werden.
  • 6, ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 600 zum Betrieb eines Wandlerschaltkreises. In Block 602 wird ein Eingangssignal (z.B. Spannungseingang 408) an einem geschalteten Resonanzwandler empfangen.
  • In Block 604 wird der geschaltete Resonanzwandler während einer ersten Phase (z.B. Phase 502) gesteuert, um eine Spannung einer ersten Polarität über einer Primärwicklung eines Transformators (z.B. Transformator 406) anzulegen. Zum Beispiel wird eine Vielzahl von ersten Schaltern (z.B. erste Schalter 402) gesteuert, um eingeschaltet zu sein, und eine Vielzahl von zweiten Schaltern (z.B. zweite Schalter 404) werden gesteuert, um ausgeschaltet zu sein.
  • In Block 606 wird während einer zweiten Phase (z.B. Phase 504) der geschaltete Resonanzwandler gesteuert, um eine Spannung einer zweiten Polarität über der Primärwicklung eines Transformators (z.B. Transformator 406) anzulegen. Die zweite Polarität ist entgegengesetzt zur ersten Polarität. Zum Beispiel werden mehrere erste Schalter (z.B. erste Schalter 402) gesteuert, um ausgeschaltet zu sein, und mehrere zweite Schalter (z.B. zweite Schalter 404) werden gesteuert, um eingeschaltet zu sein.
  • In Block 608 wird sowohl während der ersten Phase (z.B. Phase 502) als auch während der zweiten Phase (z.B. Phase 504) ein Ausgangssignal an einer Sekundärwicklung des Transformators (z.B. Transformator 406) bereitgestellt.
  • In 7 ist ein Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 700 gemäß mindestens einer Ausführungsform dargestellt. Der Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 700 ist ähnlich wie der Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 400 in 4. Entsprechend der/den Ausführungsform(en) in 7 wird eine Streuinduktivität (z.B. eine Streuinduktivität des Transformators 406) betrachtet.
  • Unter Bezugnahme auf 7 wird die Streuinduktivität des Transformators 406 als Induktivität 706 (Lleak) dargestellt. Um die Streuinduktivität des Transformators 406 abzugleichen, ist ein Kondensator 704 (Cres) vorgesehen. Wie in 7 dargestellt, ist der Kondensator 704 zwischen dem Resonanzstromkreis (Induktivität 414 und Kondensator 410 und/oder Induktivität 416 und Kondensator 412) und einem positiven Anschluss der Transformatorprimärwicklung 406a gekoppelt. Gemäß mindestens einer Ausführungsform ist der Kondensator 704 mit der Induktivität 706 in Serienresonanz bei der zuvor unter Bezugnahme auf 5 beschriebenen Schaltfrequenz abgeglichen. Dementsprechend bilden der Kondensator 704 und die Induktivität 706 effektiv einen LC-Schaltkreis 702 mit einer Resonanzfrequenz, die gleich (oder annähernd gleich) der Schaltfrequenz ist. Das Bereitstellen des Kondensators 704 zur Kompensation der Streuinduktivität des Transformators 406 hat wenig bis gar keinen Einfluss auf den Wirkungsgrad.
  • 8 stellt einen Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 800 gemäß mindestens einer Ausführungsform dar. Ein Betrieb des Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandlers 800 ist ähnlich wie der Betrieb des Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandlers 400, wie zuvor mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben. Das durch den Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 800 bereitgestellte Umwandlungsverhältnis unterscheidet sich jedoch von dem, welches von dem Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 400 bereitgestellt wird.
  • 8 zeigt, dass die jeweiligen Source-Anschlüsse von zwei Schaltern mit dem Spannungsausgang 418 gekoppelt sind. Genauer gesagt ist der Source-Anschluss des ersten Schalters 402 (SW1) mit dem Spannungsausgang 418 gekoppelt anstatt mit Masse. In ähnlicher Weise ist der Source-Anschluss des zweiten Schalters 404 (SW2) mit dem Spannungsausgang 418 gekoppelt anstatt mit Masse. Auf diese Weise wird das Umwandlungsverhältnis so erhöht, dass der Wert der Spannung an dem Spannungsausgang 418 gleich Vin/(2*N+1) ist anstatt Vin/(2*N).
  • 9 zeigt einen Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 900 gemäß mindestens einer Ausführungsform. Ein Betrieb des Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandlers 900 ist ähnlich wie der Betrieb des Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandlers 400, wie zuvor mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben. Mit Bezug auf 9 kann ein Transformator (z.B. ähnlich wie der Transformator 406 der 4) mehrere parallele Transformatorschaltkreise 902 aufweisen, wenn der Ausgangsstrom groß ist. Zum Beispiel kann jeder der mehreren parallelen Transformatorschaltkreise 902 die gleichen (oder ähnliche) Eigenschaften wie der Transformator 406 haben. Dementsprechend enthält der Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 900 einen einzelnen geschalteten Resonanzwandler, welcher mit jedem der mehreren parallelen Transformatorschaltkreise 902 gekoppelt ist, wie in 9 dargestellt.
  • 10 stellt einen symmetrischen Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1000 in einer Ausführungsform dar. Transformator 1002 und Transformator 1004 sind gekoppelt, um die Laststromkapazität des Schaltkreises zu erhöhen. Verglichen mit dem Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 900 in 9 ist diese Ausführung symmetrischer. Die Spannung über Transformator 1004 beträgt (Vin/2, 0), d.h. +Vin/2, und die Spannung über Transformator 1002 beträgt (Vin, Vin/2), d.h. +Vin/2 in Phase, wenn die ersten Schalter 402 eingeschaltet sind. Während der nächsten Phase, wenn die zweiten Schalter 404 eingeschaltet sind, sind die Spannungen über dem Transformator 1002 und Transformator 1004 (0, Vin/2), d.h. -Vin/2, beziehungsweise (Vin/2, Vin), d.h. -Vin/2. Die Sekundärseite von sowohl Transformator 1002 als auch Transformator 1004 sind parallel geschaltet, um die gewünschte Spannung zu erhalten.
  • 11 zeigt einen komponentenreduzierten Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1100 in einer Ausführungsform. Die Anzahl der Komponenten wird durch Verwenden der Streuinduktivität 1102 des Transformators 1104 als Resonanzinduktivität reduziert. Auf der Primärseite des Transformators 1104 werden nur zwei Schalter und ein Kondensator verwendet.
  • Ein Nachteil des komponentenreduzierten Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandlers 1100 besteht darin, dass der Strom von Spannungseingang 408 nur während eines halben Zyklus entnommen wird, was die Eingangsstromtransienten erhöht. Um dieses Problem zu vermeiden, zieht eine Ausführung eines verschachtelten Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandlers 1200, wie in 12 dargestellt, während beider Betriebsphasen Strom, um die Eingangsstromtransienten zu reduzieren. Bei dem verschachtelten Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1200 arbeiten die obere und untere Stufe in komplementären Phasen, um sicherzustellen, dass während des gesamten Zyklus Strom von dem Spannungseingang 408 gezogen wird.
  • 13 zeigt einen komponentenreduzierten Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1300 in einer Ausführungsform. Die Resonanz wird unter Verwendung der Streuinduktivität (Lleak) des Transformators 1302 gebildet. Die Induktivitäten in der Resonanz, die in den zuvor dargestellten Implementierungen verwendet wurden, fehlen beim komponentenreduzierten Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1300. Die Resonanzwirkung der geschalteten Kondensatoren (Ctank1, Ctank2) zusammen mit der Streuinduktivität Lleak der Resonanz reduziert die Schaltverluste und erzielt einen hohen Wirkungsgrad. Der komponentenreduzierte Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1300 weist einen zweiphasigen Betrieb auf und nimmt in beiden Phasen des Schaltzyklus Strom auf. Der komponentenreduzierte Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1300 erreicht ein Umwandlungsverhältnis von Vout = Vin/(2N), wobei der geschaltete kapazitive Wandlungsvorgang einen Umwandlungsfaktor von zwei bereitstellt und der zusätzliche N-Umwandlungsfaktor von dem Transformator 1302 bereitgestellt wird.
  • 14 veranschaulicht einen Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1400 mit höherem Wandlungsverhältnis, welcher Techniken des komponentenreduzierten Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandlers 1300 verwendet. Die geschalteten Kondensatoren (Ctank11, Ctank12, Ctank21, Ctank22) stellen einen Umwandlungsfaktor von drei durch Reihenschaltung in einer der Phasen des Schaltzyklus und Parallelschaltung in der komplementären Phase bereit. Zusammen mit dem Transformator 1302 erreicht der Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1400 mit höherem Wandlungsverhältnis Vout = Vin/(3N). Der Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1400 mit höherem Wandlungsverhältnis hat eine zweiphasige Wirkung, die während des gesamten Schaltzyklus Strom zieht. Die Anzahl der Kondensatoren und Schalter ist im Vergleich zu dem komponentenreduzierten Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1300 erhöht, so dass der gesamte Schaltungsverlust höher sein kann als bei dem komponentenreduzierten Schaltresonanztransformator-DC-DC-Wandler 1300.
  • „Logik“ wird hierin für Maschinenspeicherschaltkreise, nichtflüchtige maschinenlesbare Medien und/oder Schaltkreise verwendet, die aufgrund ihrer Material- und/oder Material-Energie-Konfiguration Steuer- und/oder Verfahrenssignale und/oder Einstellungen und Werte (wie Widerstand, Impedanz, Kapazität, Induktivität, Strom-/Spannungswerte usw.) umfassen, die zur Beeinflussung des Betriebs einer Vorrichtung angewendet werden können. Magnetische Medien, elektronische Schaltkreise, elektrische und optische Speicher (sowohl flüchtige als auch nicht flüchtige) und Firmware sind Beispiele für Logik. Logik schließt insbesondere reine Signale oder Software an sich aus (schließt jedoch Maschinenspeicher, die Software enthalten und dadurch materielle Konfigurationen bilden, nicht aus).
  • Im Rahmen dieser Offenlegung können verschiedene Einheiten (die unterschiedlich als „Einheiten“, „Schaltkreise“, andere Komponenten usw. bezeichnet werden können) als „ausgestaltet“, um eine oder mehrere Aufgaben oder Operationen durchzuführen, beschrieben oder beansprucht werden. Diese Formulierung - [Einheit], die ausgestaltet ist, [eine oder mehrere Aufgaben auszuführen] - wird hier verwendet, um sich auf eine Struktur zu beziehen (d.h. etwas Physisches, wie z.B. einen elektronischen Schaltkreis). Genauer gesagt wird diese Formulierung verwendet, um anzuzeigen, dass diese Struktur eingerichtet ist, um die eine oder mehrere Aufgaben während eines Betriebs auszuführen. Eine Struktur kann auch als „ausgestaltet“, um eine bestimmte Aufgabe auszuführen, bezeichnet werden, wenn die Struktur gegenwärtig nicht in Betrieb ist. Eine „Credit-Verteilungsschaltung, die ausgestaltet ist, Credits an eine Vielzahl von Prozessorkernen zu verteilen“, soll z.B. einen integrierten Schaltkreis mit einbeziehen, der über einen Schaltkreis verfügt, der diese Funktion während des Betriebs ausführt, selbst wenn der betreffende integrierte Schaltkreis gegenwärtig nicht benutzt wird (z.B. wenn keine Stromversorgung daran angeschlossen ist). Somit bezieht sich eine Einheit, die als „ausgestaltet, um“ eine Aufgabe auszuführen, beschrieben oder bezeichnet wird, auf etwas Physikalisches, wie z.B. eine Vorrichtung, einen Schaltkreis, einen Speicher, welcher Programmanweisungen speichert, die zur Ausführung der Aufgabe ausgeführt werden können, usw. Dieser Ausdruck wird hier nicht verwendet, um sich auf etwas Immaterielles zu beziehen.
  • Der Begriff „ausgestaltet“ soll nicht „konfigurierbar“ bedeuten. Ein unprogrammierter FPGA würde beispielsweise nicht als „ausgestaltet“, um die Ausführung einer bestimmten Funktion auszuführen, angesehen werden, obwohl er „konfigurierbar“ für die Ausführung dieser Funktion nach der Programmierung sein kann.
  • Ein Bezeichnen in den beigefügten Ansprüchen, dass eine Struktur „ausgestaltet ist, um“ eine oder mehrere Aufgaben auszuführen, ist ausdrücklich nicht dazu gedacht, 35 U.S.C. § 112(f) für dieses Anspruchselement geltend zu machen. Dementsprechend sollten Ansprüche in dieser Anmeldung, die sonst nicht das Konstrukt „Mittel zur“ [Ausführung einer Funktion] enthalten, nicht gemäß 35 U.S.C. § 112(f) ausgelegt werden.
  • Wie hierin verwendet, wird der Begriff „basierend auf“ verwendet, um einen oder mehrere Faktoren zu beschreiben, die eine Bestimmung beeinflussen. Dieser Begriff schließt nicht die Möglichkeit aus, dass zusätzliche Faktoren die Bestimmung beeinflussen können. Das heißt, dass eine Bestimmung ausschließlich auf spezifizierten Faktoren basieren kann oder auf den spezifizierten Faktoren sowie auf anderen, nicht spezifizierten Faktoren basieren kann. Man betrachte die Formulierung „Bestimmung A basierend auf B“. Diese Formulierung besagt, dass B ein Faktor ist, der verwendet wird, um A zu bestimmen, oder der die Bestimmung von A beeinflusst. Diese Formulierung schließt nicht aus, dass die Bestimmung von A auch auf einem anderen Faktor, wie z.B. C, basieren kann. Diese Formulierung soll auch eine Ausführungsform abdecken, in der A allein basierend auf B bestimmt wird. Wie hierin verwendet, ist die Formulierung „basierend auf“ gleichbedeutend mit der Formulierung „basierend zumindest teilweise auf“.
  • Wie hierin verwendet, beschreibt die Formulierung „als Reaktion auf“ einen oder mehrere Faktoren, die eine Wirkung auslösen. Diese Formulierung schließt die Möglichkeit nicht aus, dass zusätzliche Faktoren die Wirkung beeinflussen oder anderweitig auslösen können. Das heißt, eine Wirkung kann ausschließlich als Reaktion auf diese Faktoren oder als Reaktion auf die spezifizierten Faktoren sowie auf andere, nicht spezifizierte Faktoren auftreten. Man betrachte die Formulierung „A als Reaktion auf B ausführen“. Diese Formulierung besagt, dass B ein Faktor ist, der die Ausführung von A auslöst. Diese Formulierung schließt nicht aus, dass die Ausführung von A auch als Reaktion auf einen anderen Faktor, wie z.B. C, erfolgen kann. Diese Formulierung soll auch eine Ausführungsform abdecken, bei welcher A nur als Reaktion auf B ausgeführt wird.
  • Wie hier verwendet, werden die Begriffe „erstes“, „zweites“ usw. als Bezeichnungen für Substantive verwendet, denen sie vorausgehen, und implizieren keine Art der Ordnung (z.B. räumlich, zeitlich, logisch usw.), sofern nicht anders angegeben. Zum Beispiel können in einer Registerdatei mit acht Registern die Begriffe „erstes Register“ und „zweites Register“ verwendet werden, um sich auf zwei beliebige der acht Register zu beziehen, und nicht z.B. nur auf die logischen Register 0 und 1.
  • Der Begriff „oder“, wenn er in den Ansprüchen verwendet wird, wird als ein einschließendes Oder und nicht als ein ausschließendes Oder verwendet. Zum Beispiel bedeutet der Ausdruck „mindestens eines von x, y oder z“ eines von x, y und z sowie jede Kombination davon.

Claims (20)

  1. DC-DC-Wandlerschaltkreis umfassend: einen geschalteten Resonanzwandler, welcher ausgestaltet ist, eine Schaltwellenform auszugeben; und einen Transformator, welcher mit dem geschalteten Resonanzwandler gekoppelt ist, um die Schaltwellenform, welche von dem geschalteten Resonanzwandler ausgegeben wird, über einer Primärwicklung des Transformators aufzunehmen.
  2. DC-DC-Wandlerschaltkreis nach Anspruch 1, wobei der geschaltete Resonanzwandler einen Anteil eines Wandlungsverhältnisses des DC-DC-Wandlerschaltkreises bereitstellt und der Transformator einen übrigen Anteil des Wandlungsverhältnisses bereitstellt.
  3. DC-DC-Wandlerschaltkreis nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der geschaltete Resonanzwandler einen verschachtelten Schaltresonanzwandler umfasst.
  4. DC-DC-Wandlerschaltkreis nach Anspruch 3, wobei der verschachtelte Schaltresonanzwandler einen ersten Resonanzschaltkreis, einen zweiten Resonanzschaltkreis und mehrere Schalter zum Koppeln des ersten Resonanzschaltkreises und des zweiten Resonanzschaltkreises umfasst.
  5. DC-DC-Wandlerschaltkreis nach Anspruch 4, wobei der erste Resonanzschaltkreis eine erste Induktivität und einen ersten Kondensator, welcher mit der ersten Induktivität gekoppelt ist, umfasst, und wobei der zweite Resonanzschaltkreis eine zweite Induktivität und einen zweiten Kondensator, welcher mit der zweiten Induktivität gekoppelt ist, umfasst.
  6. DC-DC-Wandlerschaltkreises nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ferner umfassend einen Resonanzkondensator, welcher auf eine Serienresonanz mit einer Streuinduktivität des Transformators bei einer Schaltfrequenz der Schaltwellenform abgeglichen ist.
  7. Weiteres nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Transformator mehrere Transformatorschaltkreise umfasst, welche parallel geschaltet sind.
  8. System umfassend: einen DC-DC-Wandler, welcher ausgestaltet ist, ein Eingangssignal zu empfangen und ein Ausgangssignal zu erzeugen, wobei der DC-DC-Wandler umfasst: einen geschalteten Resonanzwandler, welcher ausgestaltet ist, eine Schaltwellenform auszugeben; und einen Transformator, welcher mit dem geschalteten Resonanzwandler gekoppelt ist, um die Schaltwellenform, welche von dem geschalteten Resonanzwandler ausgegeben wird, über einer Primärwicklung des Transformators aufzunehmen; einen synchronen Gleichrichter, welcher mit dem DC-DC-Wandler gekoppelt ist und ausgestaltet ist, dass Ausgangssignal, welches von dem DC-DC-Wandler erzeugt wird, gleichzurichten; und eine integrierte Schaltkreisvorrichtung (IC), welche mit dem synchronen Gleichrichter gekoppelt ist, um das gleichgerichtete Ausgangssignal aufzunehmen.
  9. System nach Anspruch 8, wobei der geschaltete Resonanzwandler einen Anteil eines Wandlungsverhältnisses des DC-DC-Wandlers bereitstellt und der Transformator einen übrigen Anteil des Wandlungsverhältnisses bereitstellt.
  10. System nach Anspruch 8 oder 9, wobei der geschaltete Resonanzwandler einen verschachtelten Schaltresonanzwandler umfasst.
  11. System nach Anspruch 10, wobei der verschachtelte Schaltresonanzwandler einen ersten Resonanzschaltkreis, einen zweiten Resonanzschaltkreis und mehrere Schalter zum Koppeln des ersten Resonanzschaltkreises und des zweiten Resonanzschaltkreises umfasst.
  12. System nach Anspruch 11, wobei der erste Resonanzschaltkreis eine erste Induktivität und einen ersten Kondensator, welcher mit der ersten Induktivität gekoppelt ist, umfasst, und wobei der zweite Resonanzschaltkreis eine zweite Induktivität und einen zweiten Kondensator, welcher mit der zweiten Induktivität gekoppelt ist, umfasst.
  13. System nach einem der Ansprüche 8-12, wobei der DC-DC-Wandler ferner einen Resonanzkondensator umfasst, welcher auf Serienresonanz mit einer Streuinduktivität des Transformators bei einer Schaltfrequenz der Schaltwellenform abgeglichen ist.
  14. System nach einem der Ansprüche 8-13, wobei der Transformator mehrere Transformatorschaltkreise umfasst, welche parallel geschaltet sind.
  15. Verfahren zum Betreiben eines Wandlerschaltkreises umfassend einen geschalteten Resonanzwandler und einen Transformator, welcher mit dem geschalteten Resonanzwandler gekoppelt ist, wobei das Verfahren umfasst: Empfangen eines Eingangssignals an dem geschalteten Resonanzwandler; Steuern des geschalteten Resonanzwandlers während einer ersten Phase, um eine Spannung einer ersten Polarität über einer Primärwicklung des Transformators anzulegen; Steuern des geschalteten Resonanzwandlers während einer zweiten Phase, um eine Spannung einer zweiten Polarität über der Primärwicklung des Transformators anzulegen, wobei die zweite Polarität entgegengesetzt zu der ersten Polarität ist; und Bereitstellen eines Ausgangssignals an einer Sekundärwicklung des Transformators.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei ein Steuern des geschalteten Resonanzwandlers, um die Spannung der ersten Polarität über der Primärwicklung anzulegen, ein Steuern mehrerer erster Schalter, um eingeschaltet zu sein, und ein Steuern mehrerer zweiter Schalter, um ausgeschaltet zu sein, umfasst.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei ein Steuern des geschalteten Resonanzwandlers, um die Spannung der zweiten Polarität über der Primärwicklung anzulegen, ein Steuern der mehreren ersten Schalter, um ausgeschaltet zu sein, und ein Steuern der mehreren zweiten Schalter, um eingeschaltet zu sein, umfasst.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15-17, wobei der Wandlerschaltkreis Strom von dem Eingangssignal sowohl während der ersten Phase als auch der zweiten Phase aufnimmt.
  19. Verfahren nach einem der Ansprüche 15-18, wobei der geschaltete Resonanzwandler einen Anteil eines Wandlungsverhältnisses des Wandlerschaltkreises bereitstellt und der Transformator einen übrigen Anteil des Wandlungsverhältnisses bereitstellt.
  20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15-19, wobei ein Steuern des geschalteten Resonanzwandlers, um die Spannung der ersten Polarität während der ersten Phase anzulegen, und ein Steuern des geschalteten Resonanzwandlers, um die Spannung der zweiten Polarität während der zweiten Phase anzulegen, eine Schaltwellenform hervorrufen, welche über der Primärwicklung des Transformators anzulegen ist.
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