DE102020115043A1

DE102020115043A1 - Vorrichtungen und verfahren zur spannungsregulierung

Info

Publication number: DE102020115043A1
Application number: DE102020115043.1A
Authority: DE
Inventors: Kyrylo Cherniak; Werner Hoellinger; Stefano Marsili; Volha Subotskaya
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2020-05-20
Filing date: 2020-06-05
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2040-06-06
Also published as: DE102020115043B4

Abstract

Ein Umsetzer enthält eine Schaltung mit geschalteten Kondensatoren, die wenigstens einen Kondensator enthält; und mehrere Hauptschalter, um einen Ausgangsstrom in Reaktion auf eine an die Schaltung mit geschalteten Kondensatoren angelegte Eingangsspannung bereitzustellen. Der Umsetzer enthält ferner einen oder mehrere Umgehungstransistorschalter, um selektiv einen zusätzlichen Ausgangsstrom bereitzustellen. Der Umsetzer enthält eine gemeinsame Steuerung, die die mehreren Hauptschalter und den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter steuert.

Description

Technisches Gebiet
Verschiedene Ausführungsformen betreffen allgemein Spannungswandler.
Hintergrund
DC-DC-Umsetzer mit geschalteten Kondensatoren (SC-DCDC-Umsetzer) sind typischerweise für eine strenge Ausgangsleistungsgrenze oder mit anderen Worten an einer konstanten Ausgangsspannung (V_out) für die maximale Stromleistungsfähigkeit konstruiert. Falls der Ausgangsstrom die maximale Stromleistungsfähigkeit übersteigt, beginnt die Ausgangsspannung abzufallen, der sogenannte Ausfallzustand (Drop-Out-Zustand). Das würde zu dem Unterspannungsüberwachungstriggern in dem System führen. Somit müssen SCDCDC konstruiert sein, um alle Spitzenströme mit voller Effizienz zuzuführen. Klassische SC-DCDC weisen jedoch den Zustand mit herabgesetzter Effizienz für höhere Lasten wie in LC-DCDC-Umsetzern auf.
Da die Ausgangsstromleistungsfähigkeit sehr vom Prozess, von der Spannung und der Temperaturschwankung abhängig sein kann, müssen SC-DCDC für ein Szenario des schlechtesten Extrems oder schlechtesten Falls hinsichtlich Geschwindigkeit, Temperatur, Minimalspannung und für den maximalen Impulsausgangsstrom konstruiert sein. Als ein Ergebnis ist typischerweise ein Überdimensionierungsgrad für 90 % anderer Betriebspunkte und normalerweise eine große Flächenzunahme vorhanden, z.B. für Chips, die für integrierte Lösungen konstruiert sind.
Figurenliste
In den Zeichnungen beziehen sich gleiche Bezugszeichen im Allgemeinen durchgehend in allen unterschiedlichen Ansichten auf die gleichen Teile. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht, stattdessen wird im Allgemeinen das Darstellen der Prinzipien der Erfindung hervorgehoben. In der folgenden Beschreibung werden verschiedene Ausführungsformen der Erfindung mit Bezug auf die folgenden Zeichnungen beschrieben; es zeigen:

1 einen Umsetzer mit geschalteten Kondensatoren;
2 ein vereinfachtes Ersatzschaltungsmodell des geschalteten Kondensators von 1;
3A-3B Schaltungen gemäß wenigstens einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
4 ein Effizienzdiagramm;
5 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß wenigstens einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
6 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß wenigstens einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung;
7 einen Graphen, der Diagramme verschiedener elektrischer Eigenschaften von Komponenten von Umsetzern der vorliegenden Offenbarung enthält.

Beschreibung
Die folgende ausführliche Beschreibung bezieht sich auf die begleitenden Zeichnungen, die durch Darstellung spezifische Einzelheiten, in denen die Erfindung praktiziert werden kann, zeigen.
Das Wort „beispielhaft“ ist hier so verwendet, dass es „als ein Beispiel, eine Instanz oder Darstellung dienend“ bedeutet. Irgendeine hier als „beispielhaft“ beschriebene Ausführungsform oder Konstruktion ist nicht notwendigerweise als bevorzugt oder anderen Ausführungsformen oder Konstruktionen gegenüber als vorteilhaft zu deuten.
Das Wort „über“, das in Bezug auf ein aufgebrachtes Material, das „über“ einer Seite oder Oberfläche gebildet ist, verwendet ist, kann hier so verwendet sein, dass es bedeutet, dass das aufgebrachte Material „direkt auf“, z.B. in direktem Kontakt mit, der implizierten Seite oder Oberfläche gebildet sein kann. Das Wort „über“, das in Bezug auf ein aufgebrachtes Material, das „über“ einer Seite oder Oberfläche gebildet ist, verwendet ist, kann hier so verwendet sein, dass es bedeutet, dass das aufgebrachte Material „indirekt auf“ der implizierten Seite oder Oberfläche gebildet sein kann, wobei eine oder mehrere zusätzliche Schichten zwischen der implizierten Seite oder Oberfläche und dem aufgebrachten Material angeordnet sind.
1 zeigt eine Schaltungsanordnung 100, die einen DC/DC-Umsetzer mit geschalteten Kondensatoren (SC-DCDC-Umsetzer) 110 enthält. 2 zeigt ein vereinfachtes Ersatzschaltungsmodell des Ausgangswiderstands 150. Der SC-DCDC-Umsetzer 110 ist in 1/2-Betriebsart gezeigt. Um die Stromleistungsfähigkeit des SCDCDC-Umsetzers 110 zu steigern, muss der äquivalente Ausgangswiderstand des SCDCDC-Umsetzers verringert werden. Das kann durch Abstimmen eines von drei Schlüsselparametern vorgenommen werden: Werten von Pumpkondensatoren [engl: flying capacitors], Schaltfrequenzen oder des Widerstands in dem Strompfad, Reihenschaltung von Schalter, Bindung, Baugruppe.
Das direkte Ändern des C_FLY-Werts ist jedoch typischerweise keine bevorzugte Lösung und besitzt einen sehr begrenzten Einfluss auf den äquivalenten Ausgangswiderstand aufgrund der Wechselbeziehungen von anderen Parametern. In Bezug auf die Schaltfrequenz ziehen es viele Anwendungen vor, dass sie aufgrund von EMI-Überlegungen eine feste Schaltfrequenz aufweisen. Ferner führt ein direktes Erhöhen der Schaltfrequenz zu einem Anstieg der Schaltverluste, was die Effizienz wesentlich verringern kann.
Typischerweise ist der Widerstand in dem Strompfad Rs (Schalter, Bindung, Baugruppe, PCB, interne und externe Chip-Verbindungen usw.) der Flaschenhals für die Stromleistungsfähigkeit des SC-DCDC-Umsetzers, und seine Optimierung führt zu den größten Verbesserungen. Nichtsdestotrotz ist diese Optimierung begrenzt und sehr aufwändig. Beispielsweise ist der Widerstand aufgrund des Typs der Baugruppe und der Widerstand von Verbindungen, z.B. eine Bindung in einer Quad-Flat-Baugruppe (QFP) und die Bindung in einer Kugel in einer Kugelgitteranordnung (BGA) sehr begrenzt und sehr aufwändig.
Einige SC-DCDC-Umsetzer sind konstruiert, um das Umschalten anzuhalten und in eine Umgehungsbetriebsart, eine LDO-Betriebsart, überzugehen, falls die Last am Ausgang die maximale Stromleistungsfähigkeit erhöht. Jedoch kann diese Lösung das Problem hoher Lasten am Ausgang lösen, kann jedoch die Effizienz drastisch und deutlich reduzieren.
Eine weitere Lösung des Problems ist, die Anzahl von Pumpkondensatoren zu erhöhen und mehrere SC-DCDC-Umsetzer parallel an hohen Lasten zu betreiben. Die Effizienz für eine solche Lösung ist sehr gut, der Nachteil ist jedoch der Anstieg der Fläche um den Faktor paralleler Stufen, das Erhöhen der Pinzahl und das Steigern der Kosten.
3A zeigt einen Umsetzer 300 gemäß einer oder mehreren beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der in 3 gezeigte Umsetzer 300 enthält einen SC-DCDC-Umsetzer 310, der ein bekannter SC-DCDC-Umsetzer wie z.B. der in 1 abgebildete sein kann. Der SC-DCDC-Umsetzer oder die Schaltung 310 kann eingerichtet sein, in einer Halb-Betriebsart (1/2-Betriebsart) zu arbeiten. Obwohl die SC-DCDC-Schaltung 310 mit einem einzigen Pumpkondensator (C_FLY) und vier Schaltern (den Hauptschaltern SW1, SW2, SW3 und SW4) gezeigt ist, ist das lediglich beispielhaft, und andere Variationen können realisiert sein. Das heißt, die SC-DCDC-Schaltung 310 kann mehrere Pumpkondensatoren und eine unterschiedliche Anzahl von Schaltern aufweisen und kann in anderen Betriebsarten arbeiten, z.B. 1/N (wobei N eine Ganzzahl ist).
Umsetzer wie z.B. der Umsetzer 300 enthalten zusätzlich zu der SC-DCC-Schaltung eine Anordnung aus einem oder mehreren Umgehungsschaltern. In dem Beispiel von 3 enthält der Umsetzer 300 ferner eine Anordnung 350 aus drei Umschalttransistorschaltern (BYP 1-3). Im Allgemeinen können Umsetzer wie z. B. der Umsetzer 300 irgendeine geeignete Anzahl (einen oder mehrere) von Umgehungsschaltern enthalten.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können die Umgehungsschalter BYP1-BYP3 Transistorumgehungsschalter sein, z.B. einer Reguliererschaltung mit geringem Ausfall (LDO-Reguliererschaltung). Das heißt, die Anordnung 350 kann als eine LDO-Reguliererschaltung betrachtet werden oder implementiert sein. In einer oder mehreren beispielhaften Ausführungsformen können die Umgehungstransistorschalter MOSFET-Schalter enthalten oder verwenden.
Die Umgehungsschalter der Anordnung 350 oder die LDO 350 in 3 können verwendet werden oder eingerichtet sein, als eine Erweiterung der Hauptschalter SW1-SW4 des SC-DCDC-Umsetzers 310 zu arbeiten. Insbesondere können die Umgehungsschalter BYP1-BYP3 eingerichtet sein, kleine Anteile von zusätzlichem Strom für die Last am Ausgang zu liefern, z.B. mit LDO-ähnlicher Effizienz. Mit anderen Worten können die Umgehungsschalter zu dem durch den SCDCDC 310 produzierten Ausgangsstrom hinzufügen oder ihn ergänzen. Ferner kann in dem Umsetzer 300 die Anordnung 350 implementiert sein, so dass die Umgehungstransistorschalter BYP1-BYP3 z.B. zwischen einem Eingang (V_IN) und einem Ausgang (V_OUT) des SC-DCDC-Umsetzers 310 verbunden sein können. Somit bilden die Umgehungstransistorschalter BYP1-BYP3 eine Parallelvorrichtung zu der SC-DCDC-Schaltung 310, z.B. eine parallele LDO.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann der Umsetzer 300 einen Ausgangsstrom zu einer Last (R_L) erzeugen, der eine Kombination aus dem hoch effizienten Ausgangsstrom aus den Haupt-SC-DCDC-Schaltern und einem wenig effizienten Strom durch die Umgehungsschalter (z.B. eine parallele digitale LDO) ist. Somit bemerkt der Umsetzer 300 anstelle eines steilen Abfalls der Ausgangsspannung an dem normalen Ende des Leistungsfähigkeitsbereichs einer SC-DCDC-Schaltung nur geringfügige Abfälle der Effizienz, setzt jedoch den Betrieb fort.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung enthält der Umsetzer 300 eine Steuerung 370 zum Steuern des SC-DCDC-Umsetzers 310 und der Umgehungsschalter BYP1-BYP3. Das heißt, die Steuerung 370 kann als eine einzige Steuerung oder eine gemeinsame Steuerung implementiert sein, die sowohl die SC-DCDC-Schaltung 310 als auch die Umgehungsschalteranordnung 350 (LDO) steuert. Die physikalischen und logischen Verbindungen von der Steuerung 370 zu anderen Elementen (z.B. der SC-DCDC-Schaltung 310, den Umgehungsschaltern BYP1-BYP3, Schnittstellen usw.) sind der Einfachheit halber nicht gezeigt.
Die Steuerung 370 kann das Schließen und Öffnen der Schalter des SCDCDC-Umsetzers 310 und der Umgehungsschalter BYP1-BYP3 steuern. Ferner kann die Steuerung 370 die Schaltfrequenz für Schalter des SC-DCDC-Umsetzers 310 und die Schaltfrequenz für die Umgehungsschalter BYP1-BYP3 steuern.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann die Steuerung 370 so eingerichtet sein, dass der SC-DCDC-Umsetzer 310 normal oder ohne irgendeine Unterstützung arbeitet, bis der Umsetzer 310 seine maximale Leistungsfähigkeit erreicht, z.B. bis der SC-DCDC-Umsetzer seinen maximalen Ausgangsstrom ausgibt. Die SC-DCDC-Schaltung 310 kann einen Ausgangsstrom zu der Last R_L bei einer konstanten Spannung bereitstellen, jedoch nur innerhalb eines speziellen Betriebsbereichs. Jenseits der Obergrenze oder Maximalgrenze dieses Betriebsbereichs wird die Leistung des SC-DCDC-Umsetzers 310 beginnen, sich zu verschlechtern. Dementsprechend ist, um das zu verhindern, die Steuerung eingerichtet, die Umgehungstransistorschalter BYP1-BYP3 zu steuern, einen ergänzenden Strom zu dem Ausgangsstrom der SC-DCDC-Schaltung 310 bereitzustellen, wenn die SCDCDC-Schaltung 310 ihre Grenzen erreicht.
Deshalb kann die Steuerung 370 eingerichtet sein, den einen oder die mehreren der Umgehungstransistorschalter BYP1-BYP3 nur dann zu schließen (oder anzuschalten), wenn der Ausgangsstrom des SC-DCDC 310 die maximale Stromleistungsfähigkeit erreicht oder übersteigt. Als ein Ergebnis wird der gesamte Ausgangsstrom zu einer Mischung oder Kombination aus einem hoch-effizienten Strom über die Hauptschalter des SC-DCDC-Umsetzers 310 und wenig effizienten Strom über die Umgehungsschalter BYP1-BYP3. Für einen solchen Hybridbetrieb ist die Feinregulierung der Ausgangsspannung immer noch gegeben und vollständig durch die Hauptschalter des SC-DCDC-Umsetzers definiert.
Dementsprechend kann der Umsetzer 300 für Anwendungen verwendet werden, in denen der erforderliche Laststrom zeitweise die maximale Stromleistungsfähigkeit eines SC-DCDC-Umsetzers übersteigen kann. Der Umsetzer 300 erfordert keine Änderung der Topologie (zusätzlichen Pumpkondensator oder teurere Umsetzer wie einen induktorbasierten DCDC) eines SC-DCDC-Umsetzers. Ferner ist für Lasten am Ausgang, die viel höher sind als die maximale Stromleistungsfähigkeit des SC-DCDC, die kombinierte Effizienz des SC-DCDC mit dem einen oder den mehreren Umgehungstransistorschaltern immer noch viel höher als die Effizienz von LDO.
In einem Beispiel kann ein Umsetzer wie z.B. der oder ähnlich dem Umsetzer 300 eine/n SC-DCDC-Schaltung/Umsetzer enthalten, der für maximale Ausgabe (I_{out_max}) von 200 mA konstruiert ist, kann jedoch aufgrund eines größeren als vorhergesagten Leckstroms einen realen maximalen Ausgangsstrom (I_{out_max}) an einer hohen Temperatur, z.B. 170 °C, von 250 mA aufweisen. Umsetzer wie z.B. der Umsetzer 300 können so konstruiert sein, dass, anstatt dass die Ausgangsspannung abfällt, nachdem der Ausgangsstrom I_LOAD 200 mA erreicht und ein Zurücksetzen des Systems verursacht, eine Steuerung (z.B. die Steuerung 370) einen oder mehrere Umgehungsschalter anschaltet (z.B. schaltet/schließt), um der Last einen zusätzlichen Strom von 50 mA zuzuführen. Das wird immer noch ermöglichen, dass die kombinierte Effizienz immer noch sehr hoch sein wird. Die kombinierte Effizienz kann geschätzt werden als: $E f f = \frac{I_{l o a d} * V_{o u t}}{V_{i n} * (I_{b y p a s s} +^{V_{o u t}} /_{V_{i n}} * I_{s w i t c h e s} * E f f_max)}$
mit
I_load = Strom durch die Last R_L
I_bypass = Strom durch die Umgehungsschalter
I_switches = I_load - I_bypass -> Strom, der mit den Hauptschaltern des SC-DCDC-Umsetzers geliefert wird
Eff_max = maximale theoretische Effizienz von SC-DCDC, für 1/2-Betriebsart: $E f f_{m a x} = \frac{V_{o u t}}{0.5 * (V_{i n} - V_{d r o p})} - E f f_{d r o p}$
V_drop = Abfall auf dem mit VDD verbundenen Bonddraht
Eff_drop = geschätzter Effizienzabfall aufgrund von Iq (Ruhestrom oder der Strom, der aus Vin durch interne Schaltungen des SC-DCDC, die für korrekten Betrieb erforderlich sind, (z.B. ADC, Biasing, Treiber von internen Schaltungen des SC-DCDC und andere kleinere Verluste) verbraucht wird.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können Umgehungsschalter von Umsetzern wie z.B. dem oder ähnlich dem Umsetzer 300 in gleichen oder unterschiedlichen Verhältnissen in Bezug auf den Widerstand oder die Leitfähigkeit der Umgehungsschalter implementiert sein. Beispielsweise sind die Schalter BYP1-BYP3 so gewichtet, dass sie hinsichtlich des Widerstands (oder der Leitfähigkeit) ganzzahlige Vielfache voneinander sind.
In einem Beispiel kann die Anordnung von Umgehungstransistorschaltern (wie z.B. die Anordnung 350) insgesamt 9 Umgehungstransistorschalter enthalten. Ferner können solche Schalter so realisiert oder implementiert sein, dass sie mehrere Basisschalter mit einem Widerstand R, einen Schalter mit einem Widerstand 2×R (einen Schalter mit einem Widerstand, der das Doppelte des Basisschalterwiderstands ist) und einen Schalter mit einem Widerstand 4×R (einen Schalter mit einem Widerstand, der das Vierfache des Basisschalterwiderstands ist) aufweisen. Andere Variationen sind möglich.
Wie hier beschrieben, werden, um die beste dynamische und statische Leistung (Genauigkeit, Welligkeit, Über/Unterschwingung, Effizienz) zu erreichen, die Hauptschalter des SC-DCDC-Umsetzers und die Umgehungstransistorschalter gesteuert, z.B. durch eine einzige Steuerung. Die Größe von Umgehungstransistorschaltern kann von der Leistung der Hauptschalter abhängig sein.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann die Steuerung von Umgehungstransistorschaltern hier ganz einfach realisiert sein. Beispielsweise wenn eine Last am Ausgang nahe an Max ist (z.B. der Ausgangsstrom der Hauptschalter nähert sich einem Max), kann die Steuerung den Umgehungsschalter anschalten. Ähnlich kann, wenn die Last gering ist (z.B. der Ausgangsstrom der Hauptschalter kleiner als Max), die Steuerung den einen oder die mehreren Umgehungsschalter abschalten (z.B. den Schalter öffnen). Hier beschriebene Steuerungen können andere Maße oder Faktoren zum Entscheiden, wann Umgehungsschalter anzuschalten oder zu aktivieren sind, verwenden.
In beispielhaften Ausführungsformen kann eine Steuerung die Ausgabe von Strom aus einer SC-DCDC-Schaltung und Umgehungsschaltern veranlassen, ohne eine deutliche Unterscheidung (z.B. hinsichtlich des bereitgestellten Stroms) zwischen Hauptschaltern (von SC-DCDC) und den Umgehungsschaltern. Somit kann ein gleichmäßiger gleichzeitiger Betrieb ohne Nachteile für die dynamische Leistung (z.B. Über/Unterschwingungen während Last- und Leitungssprüngen) realisiert werden.
In einer oder mehreren Ausführungsformen kann eine Steuerung eingerichtet sein, die Umgehungsschalter digital zu steuern. Beispielsweise kann eine Steuerung wie z.B. die Steuerung 370 ein oder mehrere Steuersignale, z.B. ein Steuerwort für einen SC-DCDC-Umsetzer (z.B. den Umsetzer 310), ausgeben. Das Steuerausgabewort kann veranlassen, dass spezielle Schalter geschlossen werden, um die Last am Ausgang an einem aktuellen Betriebspunkt zu versorgen.
3B zeigt einen Umsetzer 300B gemäß einer oder mehreren beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Umsetzer 300B kann in verschiedenen Aspekten gleich oder ähnlich dem Umsetzer 300A sein, und solche Komponenten können mit den gleichen Bezugszeichen wie in dem Umsetzer 300A von 3A bezeichnet sein.
Der Umsetzer 300B kann, anstelle der Steuerung 370, eine PI-Steuerung oder PID-Steuerung 380 und einen Analog/Digital-Umsetzer (ADC) 375 enthalten. Die Steuerung 380 kann Werte, die für die für die Last R_L, bereitgestellte Spannung V_OUT repräsentativ sind, von dem ADC 375 empfangen. Basierend auf dieser Eingabe oder diesem/diesen Signal(en), die von dem ADC 375 empfangen werden, kann die PI-Steuerung 380 eingerichtet sein, eine geeignete Spannungsausgabe durch die SCDCDC-Schaltung 310 und die Umgehungsumsetzer BYP1-BYP3 zu bewirken. Mit anderen Worten kann die PI-Steuerung 380 sowohl die SC-DCDC-Schaltung 310 als auch die Umgehungsumsetzer BYP1-BYP3 steuern, um eine geeignete Ausgabe zum Aufrechterhalten einer Spannung für die Last R_L bereitzustellen. Die PI-Steuerung 380 ist mit den Umgehungssteuerungen BYP1-BYP3 gekoppelt, um ihr An- und Abschalten zu steuern. Ähnlich kann die PI-Steuerung 380 mit dem Oszillator 390, der das Öffnen der Hauptschalter (z. B. der Schalter SW1-SW4 in dem Beispiel von 3B) steuert, gekoppelt sein oder ihn steuern. Die PI-Steuerung 380 kann die Frequenz des Oszillators, die das Schließen und das Öffnen der Hauptschalter beeinflusst, ändern, um den Strom und die Spannung, die für die Last R_L bereitzustellen sind, zu modifizieren.
In verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können die hier beschriebenen Steuerungen eine Leitfähigkeit, die als ein Steuerwort für solche Steuerungen verwendet werden kann, erhalten und/oder ermitteln. Die ermittelte Leitfähigkeit kann die Ausgangsleistung (z.B. die Größe des Ausgangsstroms bei einer festen Spannung) definieren. Beispielsweise kann diese Leitfähigkeit aus der von dem ADC empfangenen Eingabe erhalten oder ermittelt werden.
In verschiedenen Beispielen können die hier beschriebenen Steuerungen dieses Steuerwort in spezifische Regulierungssignale für die Umgehungsschalter übertragen oder übersetzen. Ferner kann das Steuerwort verwendet werden, um den Oszillator zu steuern, der die Frequenz des Umschaltens (die Rate des Schließens oder Öffnens) der Hauptschalter ändert.
In unserer Implementierung werden Umgehungsschalter mit der Änderung des Steuerworts jedes Mal aktualisiert, so dass sie mit der Frequenz der Aktualisierung des Steuerworts, die gleich der Schaltfrequenz der Hauptschalter sein kann, schalten können.
4 zeigt das Angeben der Effizienz vs. Last am Ausgang für einen Umsetzer wie z.B. den Umsetzer 300. Das eine Diagramm für den Umsetzer zum Bereitstellen einer konstanten 2,97 Spannung und einer 3,3 Spannung über einen Bereich der Last am Ausgang (gemessen in Ampere) vs. Effizienz ist gezeigt. Beide Diagramme zeigen ein allmähliches, anstelle eines plötzlichen, Abnehmen der Effizienz, wenn die Anforderung für die Last am Ausgang (z.B. der erforderliche Strom) ansteigt.
5 zeigt gemäß wenigstens einer beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ein beispielhaftes Ablaufdiagramm. Das Ablaufdiagramm ist ein Verfahren oder ein Prozess 500, das/der durch eine Steuerung eines Umsetzers implementiert sein kann, z.B. eines Umsetzers wie z.B. des Umsetzers 300, der eine SC-DCDC-Schaltung und einen oder mehrere Umgehungsschalter, die zwischen einem Eingang und einem Ausgang der SC-DCDC-Schaltung verbunden oder gekoppelt sein können, aufweist. Die Steuerung kann die SC-DCDC-Schaltung und einen oder mehrere Umgehungsschalter gemäß dem Verfahren 500 steuern.
Bei 505 kann ein Leitfähigkeitswert durch eine Steuerung erhalten oder ermittelt werden, wobei dieser Leitfähigkeitswert angibt, wie viel Strom der Umsetzer für die Last bereitstellen muss, um eine konstante oder nahezu konstante Spannung aufrechtzuerhalten. Nach dem Erhalten dieses Leitfähigkeitswerts kann die Steuerung bei 510 ermitteln, ob dieser Leitfähigkeitswert größer oder kleiner als ein vorab definierter Schwellenwert ist. Dieser Schwellenwert kann eine maximale Leitfähigkeit für den SC-DCDC-Umsetzer sein. Mit anderen Worten kann dieser maximale Leitfähigkeitswert einem maximalen Strom entsprechen, den die Hauptschalter des SCDCDC-Umsetzers für die Last bereitstellen können, z.B. an einer konstanten Spannung.
In dem Fall, in dem die erhaltene Leitfähigkeit kleiner ist als der Schwellenwert, stellt dann die Steuerung eine Steuerung (z.B. Steuersignale) bereit, um den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter abgeschaltet zu halten, um keinen Strom für die Last bereitzustellen.
Falls bei 510 der erhaltene Leitfähigkeitswert nicht größer ist als die maximale Leitfähigkeit, fährt der Prozess dann zu 515 fort, wo die Steuerung ermittelt, dass der Leitfähigkeitswert, der für die Hauptschalter (den SC-DCDC-Umsetzer) zu verwenden ist, der erhaltene Leitfähigkeitswert aus 505 ist. Das heißt, der erhaltene Leitfähigkeitswert entspricht einer Größe des Stroms (z.B. einem Stromwert), der durch die SC-DCDC-Schaltung bereitgestellt werden kann. Dann kann der Prozess zu 530 weiter gehen, wo die Steuerung die Hauptschalter steuern kann, den Strom entsprechend dem Leitfähigkeitswert für die Hauptschalter / den SC-DCDC-Umsetzer bereitzustellen.
Falls bei 510 der bei 505 erhaltene Leitfähigkeitswert größer ist als die maximale Leitfähigkeit, fährt der Prozess dann zu 520 fort, wo ein Leitfähigkeitswert für den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter ermittelt wird. Dieser ermittelte Leitfähigkeitswert kann eine Größe des Stroms (einen Stromwert) angeben, der durch den einen oder die mehreren Umgehungsschalter bereitgestellt werden kann.
Bei 525 ermittelt die Steuerung einen Leitfähigkeitswert für die Hauptschalter. Dementsprechend kann dieser Leitfähigkeitswert als die Differenz zwischen dem erhaltenen Leitfähigkeitswert (bei 505) und dem für die Umgehungsschalter ermittelten Leitfähigkeitswert (520) ermittelt werden. Das heißt, die erhaltene Leitfähigkeit bei 520 kann eine gesamte Leitfähigkeit sein, die die folgende Beziehung erfüllt: $L e i t f \ddot{a} h i g k e i t_g e s a m t = L e i t f \ddot{a} h i g k e i t_H a u p t s c h a l t e r + L e i t f \ddot{a} h i g k e i t_U m g e h u n g$
Somit ist bei 520 der für die Umgehungsschalter bestimmte Leitfähigkeitswert (Leitfähigkeit Umgehung) ein Wert, der durch die Umgehungsschalter realisiert werden kann, und ist so gewählt, dass der verbleibende Leitfähigkeitswert ein Leitfähigkeitswert ist, der durch die SC-DCDC-Schaltung realisiert werden kann (Leitfähigkeit Hauptschalter) (z.B. kleiner als der maximale Schwellenwert für die SC-DCDC-Schaltung).
Nach 525 kann der Prozess zu 530 und 535 fortfahren. Bei 530 kann die Steuerung die Hauptschalter basierend auf dem Leitfähigkeitswert für die Hauptschalter (Leitfähigkeit Hauptschalter) steuern, einen Strom für die Last bereitzustellen, und bei 535 kann die Steuerung außerdem (z.B. gleichzeitig) die Umgehungsschalter basierend auf dem Leitfähigkeitswert für die Umgehungsschalter (Leitfähigkeit Umgehung) steuern, einen Strom auf der Last bereitzustellen. Deshalb steuert in diesem Fall die Steuerung die Hauptschalter und den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter, so dass ein kombinierter Strom für die Last bereitgestellt wird.
Der Prozess 500 von 5 kann wiederholt ausgeführt werden, wenn die Steuerung neue Leitfähigkeit oder benötigte Leitfähigkeitswerte für die Last erhält. Beispielsweise kann die Steuerung Leitfähigkeitswerte durch konstantes oder wiederholtes Überwachen oder Detektieren der Spannung oder der Leitfähigkeit an der Last erhalten. Die Spannung der Last kann über einen Analog/Digital-Umsetzer (nicht gezeigt) in Werte umgesetzt werden, die durch die Steuerung verarbeitet werden, um die benötigte Leitfähigkeit oder den benötigten Strom, der zuzuführen ist, um die Spannung an der Last konstant zu halten, zu ermitteln.
6 zeigt einen beispielhaften Ablauf zum digitalen Steuern der Hauptschalter einer SC-DCDC-Schaltung und mehrerer Umgehungstransistorschalter. Die Werte, Parameter oder Einstellungen, die in dem Ablauf von 6 gezeigt sind, sind lediglich beispielhaft und zum Zweck der Demonstration verwendet.
Wie in 6 gezeigt ist, kann eine Steuerung einen Leitfähigkeitswert bei 600 erhalten. In einigen Beispielen kann das aus dem Empfangen eines Leitfähigkeitswerts mit einer vollen Auflösung, z. B. 22-Bit-Auflösung, bei 605 bestehen. Der Prozess kann ferner bei 610 das Kürzen oder Abschneiden der Leitfähigkeit, z.B. aus Gründen der Verarbeitung, auf einen 11-Bit-Wert enthalten. Jedoch können solche 605 und 610 nicht notwendig sein.
Der Prozess kann fortschreiten, um herauszufinden, ob dieser Leitfähigkeitswert größer ist als ein Max-Leitfähigkeitswert bei 615. In dem Beispiel von 6 ist dieser Max-Leitfähigkeitswert (der maximale Leitfähigkeitswert, der der maximalen Ausgangsstromleistungsfähigkeit für die Hauptschalter eines SC-DCDC-Umsetzers entspricht) 508, was einem Strom von 175 mA entsprechen kann.
Falls bei 615 der Wert der erhaltenen Leitfähigkeit kleiner ist als der Max-Leitfähigkeitswert, dann kann der Prozess zu 620 fortfahren, wo ein Leitfähigkeitswert für die Hauptschalter auf diesen erhaltenen Leitfähigkeitswert eingestellt wird. Dann kann bei 640 die Steuerung den eingestellten Leitfähigkeitswert verwenden, um die Anzahl der und/oder welche Schalter des SC-DCDC-Umsetzers zu steuern sind, zu berechnen oder zu ermitteln. Andere Faktoren können ermittelt bestimmt werden, wie z.B. die Schaltfrequenz der Steuerung der Hauptschalter. Aus dieser Ermittlung kann der SC-DCDC-Umsetzer gesteuert werden, z.B. kann die Steuerung Eingabe- oder Steuersignale senden, um die SC-DCDC-Schaltung basierend auf den ermittelten oder berechneten Parametern zu betätigen.
Falls bei 615 der erhaltene Leitfähigkeitswert größer ist als der Max-Leitfähigkeitswert, dann fährt der Prozess zu 625 fort. In diesem Beispiel in 6 kann der erhaltene Leitfähigkeitswert 509 sein, der größer ist als der Max-Leitfähigkeitswert von 508. Somit fährt die Steuerung zu 625 fort, um einen Leitfähigkeitswert für die Umgehungsschalter zu ermitteln. Dieser Leitfähigkeitswert entspricht einer Größe des Stroms, der durch die Umgehungsschalter bereitzustellen ist, um einen Strom zu ergänzen, der durch die Hauptschalter bereitgestellt wird. Wie vorher erwähnt ist der Gesamtstrom, der durch den Umsetzer bereitzustellen ist, eine Summe aus dem Ausgangsstrom der Hauptschalter und einem Ausgangsstrom des einen oder der mehreren Umgehungstransistorschalter. Dementsprechend muss der ermittelte Leitfähigkeitswert der Umgehungsschalter einen Minimalwert erfüllen, so dass die verbleibende Leitfähigkeit für die Hauptschalter kleiner ist als die Max-Leitfähigkeit für die Hauptschalter.
In diesem Fall kann die ermittelte Leitfähigkeit 32 sein, und somit ist der Rest, der durch die Hauptschalter bereitzustellen ist, 509-32.
In einer weiteren beispielhaften Situation kann ein ermittelter Gesamtleitfähigkeitswert 515 sein, was ebenfalls oberhalb des Maximalschwellenwerts ist. Dementsprechend kann das Ermitteln der Leitfähigkeit oder des Leitfähigkeitswerts für die Umgehungsschalter in diesem Beispiel durch zuerst Berechnen der Größe oberhalb eines Schwellenwerts minus 32 vorgenommen werden, wobei 32 dem minimalen oder kleinsten Leitfähigkeitswert entspricht, der durch die Umgehungsschalter geleistet oder bereitgestellt werden kann. In diesem Fall ist die Berechnung: $515 - (509 - 32) = 38.$
Als Nächstes ergibt die Ganzzahldivision von 38/32 1. Dieser Wert entspricht dem kleinsten Umgehungsschalter in diesem Beispiel und kann zum Steuern dieses Schalters verwendet werden. Beispielsweise können unterschiedliche Werte, die aus dieser Berechnung erhalten werden, z.B. größer als 1, verursachen, dass andere Umgehungsschalter als der kleinste Umgehungsschalter verwendet werden.
Ferner gibt das Anwenden einer Modulo-32-Operation auf 38 (38 % 32) einen Wert 6 zurück. Dieser Wert ist ein Korrekturteilwert, der hinzugefügt wird oder in dem Leitfähigkeitswert, der durch den Hauptschalter bereitzustellen ist, enthalten ist: $(509 - 32) + (38 % 32) = 477 + 6 = 483$
Infolgedessen stellen die Hauptschalter eine Ausgabe bereit, die einem Leitfähigkeitswert 438 entspricht, und die Umgehungsschalter stellen eine Ausgabe bereit, die einem Leitfähigkeitswert von 32 entspricht.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann das Umschalten von der Verwendung nur der Hauptschalter zum Bereitstellen einer konstanten Spannung für die Last am Ausgang zum Anwenden sowohl der Hauptschalter als auch der Umgehungsschalter stattfinden, bevor die maximale Stromleistungsfähigkeit der SC-DCDC-Schaltung erreicht ist. Das heißt, die Steuerung, z.B. eine PI-Steuerung, kann die Verwendung der Umgehungstransistoren zusätzlich zu der SC-DCDC-Schaltung veranlassen, um den Ausgangsstrom bereitzustellen, bevor die SC-DCDC-Schaltung ihre maximale Ausgabe erreicht. Das kann bessere Regulierung kleiner Welligkeiten des Ausgangsstroms aus dem SCDCDC-Schalter, der eine bessere Auflösung im Strom aufweist, ermöglichen. Somit können die gleichen Berechnungen oder Herangehensweise wie in den vorstehenden Beispielen beschrieben verwendet werden, außer dass der Maximalschwellenwert (der verwendet werden kann, um zu ermitteln, wann das Verwenden der Umgehungstransistoren zu beginnen ist) niedriger sein kann als die maximale Leistungsfähigkeit der SC-DCDC-Schaltung.
Basierend auf der Konstruktion des Umsetzers gemäß beispielhaften Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung können die Leitfähigkeitswerte der Umgehungstransistorschalter Potenzen von 2 sein. Ferner kann in dem Fall, wenn mehrere Umgehungstransistorschalter vorhanden sind, ein Basisschalter vorhanden sein, wobei der eine oder die mehreren anderen Schalter Leitfähigkeitswerte aufweisen, die Vielfache des Basisschalters sind. Beispielsweise können für einen Fall, in dem drei (3) Umgehungsschalter vorhanden sind, wie es in 6 der Fall ist, diese Umgehungsschalter von einer Größe sein, dass ein erster (Basis-) Schalter eingerichtet ist, 44 mA (äquivalent zu Leitfähigkeit 128) zu liefern, ein zweiter Schalter mit dem zweifachen Widerstand wie der Basisschalter, eingerichtet ist, 22 mA (äquivalent zu Leitfähigkeit 64) zu liefern, und ein dritter Schalter mit dem Vierfachen des Widerstands wie der Basisschalter, eingerichtet ist, 11 mA (äquivalent zu Leitfähigkeit 32) zu liefern.
Dementsprechend kann der Prozess nach dem Ermitteln der Leitfähigkeit für Umgehungstransistoren bei 635 fortfahren, das das Erzeugen von Steuersignalen für die Umgehungstransistoren enthalten kann.
In verschiedenen Ausführungsformen kann aufgrund der Gewichtung von Umgehungsschaltern als 2^n die Leitfähigkeit für die Umgehung (Leitfähigkeit Umgehung) aufgeteilt und in direkte Steuersignale für die Schalter unter Verwendung von Schieberegisteroperationen umgesetzt werden. Mit den Umgehungsschaltern, die eine Größe wie in dem vorstehenden Beispiel aufweisen, können die korrekten Steuersignale durch Teilen des Leitfähigkeitswerts der Umgehungstransistoren durch 32, was durch Schieberegisterfunktionen erreicht werden kann, erzeugt werden.
In diesem Beispiel kann, da die Signale nach der Division durch 32 kleinere Werte aufweisen werden, die Steuerung berücksichtigen, nur weniger Stellen oder Bits berücksichtigen zu müssen, z.B. die 5 höchstwertigen Stellen (MSB) für Steuersignale. Die Steuersignale können für eine Schnittstelle, die durch die mit 0 bis 4 nummerierten Blöcke in 6 repräsentiert ist, bereitgestellt werden, die dann die Umgehungstransistorschalter steuern oder einschalten kann. Durch Erzeugen des Leitfähigkeitswerts für die Umgehungsschalter kann der Leitfähigkeitswert für die Hauptschalter als der Rest erzeugt werden, wie vorstehend erläutert.
Gemäß einigen Ausführungsformen kann BCD-Zählcode [engl.: thermometer coding] zum Koppeln mit den Schaltern verwendet werden. Der BCD-Zählcode kann einen Ganzzahlwert N in einen binären Wert mit der Anzahl M von Bits übertragen, wobei N niedrigere LSBs 1 sind und alle anderen MSBs 0 sind. Beispielsweise kann die Ganzzahl 5 in einen BCD-Zählcode aus 7 Bits = 0011111 übersetzt oder übertragen werden. In 6 kann die Kopplung „4 3 2“ einen binären Ganzzahlwert für (z.B. 5 ist 101) repräsentieren und wird danach durch den BCD-Zählcode in einen 7-Bit-BCD-Zählcode (0011111) übertragen, der 7 Umgehungsschalter, die einem Strom 44 mA zugeordnet sind, direkt steuern.
Dementsprechend kann das Verfahren von 6 auch zu 640 fortfahren, um zu ermitteln, welche Schalter zum Erzeugen der benötigten Leitfähigkeit (des Ausgangsstroms) für den SC-DCDC-Umsetzer notwendig sind.
Gemäß beispielhaften Ausführungsformen können die beispielhaften Prozessabläufe der 5 und 6 wiederholt werden. Das heißt, die hier beschriebenen Steuerungen können eingerichtet sein, wiederholt und kontinuierlich zu ermitteln, wie die SC-DCDC-Schaltung und ein oder mehrere Umgehungstransistoren zu steuern sind, um einen Strom an einer konstanten Spannung für eine Last am Ausgang bereitzustellen.
7 ist eine beispielhafte Darstellung, die den Vergleich, wie die Änderung der Last am Ausgang über der Zeit die Änderungen der gesamten Leitfähigkeit für die Last (Leitfähigkeit_gesamt) in der Leitfähigkeit, die durch die Hauptschalter / den SC-DCDC-Umsetzer bereitgestellt ist (Leitfähigkeit_Haupt_SW), die Leitfähigkeit, die durch die Umgehungstransistorschalter insgesamt bereitgestellt ist (Leitfähigkeit Umgehung), und die Leitfähigkeit, die durch die drei individuellen Schalter bereitgestellt ist (nllmA_sw, n22mA_sw, n44mA_sw) für das Beispiel von 6 beeinflusst. Wie gezeigt wird keine Leitfähigkeit (oder Strom) durch die Umgehungstransistorschalter bereitgestellt, bis die Leitfähigkeit der Hauptschalter ein Maximum erreicht (508 in diesem Beispiel). Für das Abnehmen der Last am Ausgang ist einfach alles umgekehrt.
Die folgenden Beispiele gehören zu weiteren beispielhaften Implementierungen.
Beispiel 1 ist ein Umsetzer, der eine Schaltung mit geschalteten Kondensatoren, die einen oder mehrere Kondensatoren enthält; und mehrere Hauptschalter, um einen Ausgangsstrom in Reaktion auf eine an die Schaltung mit geschalteten Kondensatoren angelegte Eingangsspannung bereitzustellen, wobei der Umsetzer ferner einen oder mehrere Umgehungstransistorschalter enthält, die verbunden sind, um selektiv einen zusätzlichen Ausgangsstrom bereitzustellen, wobei eine gesamte Stromausgabe des Umsetzers eine Summe des Ausgangsstroms, der durch die Schaltung mit geschalteten Kondensatoren bereitgestellt ist, und irgendeines zusätzlichen, durch den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter bereitgestellten Ausgangsstroms ist; und eine gemeinsame Steuerung, um die mehreren Hauptschalter der Schaltung mit geschalteten Kondensatoren und den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter basierend auf einem für eine Last erforderlichen Strom zu steuern, enthalten kann.
Beispiel 2 ist der Gegenstand von Beispiel 1, wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet sein kann, den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter zu steuern, den zusätzlichen Ausgangsstrom selektiv bereitzustellen.
Beispiel 3 ist der Gegenstand von Beispiel 2, wobei, dass die gemeinsame Steuerung eingerichtet sein kann, den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter zu steuern, um den zusätzlichen Ausgangsstrom selektiv bereitzustellen, aufweist, dass die gemeinsame Steuerung den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter veranlasst, den zusätzlichen Ausgangsstrom bereitzustellen, falls der Ausgangsstrom der Schaltung mit geschalteten Kondensatoren eine maximale Stromleistungsfähigkeit der Schaltung mit geschalteten Kondensatoren erreicht oder übersteigt.
Beispiel 4 ist der Gegenstand von Beispiel 2 oder 3, wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet ist, den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter zu steuern, um den zusätzlichen Ausgangsstrom selektiv bereitzustellen, und wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet ist, den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter zu veranlassen, den zusätzlichen Ausgangsstrom selektiv bereitzustellen, um eine im Wesentlichen konstante Spannung für die Last bereitzustellen.
Beispiel 5 ist der Gegenstand von Beispiel 4, wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet sein kann, eine Spannung an der Last zu erfassen.
Beispiel 6 ist der Gegenstand von Beispiel 5, wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet sein kann, eine Spannung an der Last zu detektieren, und ferner eingerichtet sein kann, eine Größe des zusätzlichen Stroms, der durch den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter bereitgestellt wird, basierend auf der detektierten Spannung an der Last zu steuern.
Beispiel 7 ist der Gegenstand eines der Beispiele 1 bis 6, wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet sein kann, eine Größe des Stroms, der durch die Schaltung mit geschalteten Kondensatoren bereitgestellt wird, und eine Größe des zusätzlichen Stroms, der durch den einen oder die mehreren Umgehungstransistoren bereitgestellt wird, digital zu steuern.
Beispiel 8 ist der Gegenstand von Beispiel 7, der ferner Folgendes enthalten kann: einen Analog/Digital-Umsetzer (ADC), der eingerichtet ist, Werte, die der Spannung an der Last entsprechen, für die gemeinsame Steuerung bereitzustellen, wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet ist, die Schaltung mit geschalteten Kondensatoren und den einen oder die mehreren Umgehungsschalter basierend auf den durch den ADC bereitgestellten Werten zu steuern.
Beispiel 9 ist der Gegenstand von Beispiel 8, wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet ist, den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter digital zu steuern, um den zusätzlichen Ausgangsstrom bereitzustellen, in Reaktion auf das Ermitteln, dass die Werte, die der Spannung entsprechen, die durch den ADC bereitgestellt wird, einen Maximalschwellenwert übersteigen.
Beispiel 10 ist der Gegenstand eines der Beispiele 1 bis 9, wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet ist, dadurch den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter zu veranlassen, den zusätzlichen Ausgangsstrom bereitzustellen, dass sie eingerichtet ist, selektiv wenigstens einen der Umgehungstransistorschalter zu schließen.
Beispiel 11 ist ein Verfahren zur Spannungsregulierung, das Folgendes enthalten kann: Ermitteln durch eine Steuerung eines Gesamtstromwerts, der für eine Last am Ausgang durch einen Umsetzer bereitzustellen ist, wobei der Umsetzer eine Schaltung mit geschalteten Kondensatoren und einen oder mehrere Umgehungstransistorschalter aufweist; Ermitteln durch eine Steuerung eines ersten Stromwerts, der durch die Schaltung mit geschalteten Kondensatoren des Umsetzers bereitzustellen ist, wobei der Stromwert, der durch die Schaltung mit geschalteten Kondensatoren bereitzustellen ist, kleiner ist als ein maximaler Stromwert; Ermitteln durch eine Steuerung eines zweiten Stromwerts, der durch den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter des Umsetzers bereitzustellen ist, wobei der zweite Stromwert die Differenz des Gesamtstromwerts und des ersten Stromwerts ist, Bereitstellen eines Stroms für eine Last am Ausgang aus der Schaltung mit geschalteten Kondensatoren, der den ersten Stromwert aufweist; und Bereitstellen eines Stroms für die Last am Ausgang aus dem einen oder den mehreren Umgehungstransistorschaltern, der den zweiten Stromwert aufweist.
Beispiel 12 ist der Gegenstand von Beispiel 11, wobei der Gesamtstromwert ein Wert des Stroms sein kann, um eine im Wesentlichen konstante Spannung an der Last am Ausgang aufrechtzuerhalten.
Beispiel 13 ist der Gegenstand von Beispiel 11 oder 12, wobei der maximale Stromwert eine maximale Ausgangsstromleistungsfähigkeit der Schaltung mit geschalteten Kondensatoren sein kann.
Beispiel 14 ist der Gegenstand eines der Beispiele 11 bis 13, wobei das Bereitstellen des Stroms für die Last am Ausgang aus der Schaltung mit geschalteten Kondensatoren enthalten kann, dass die Steuerung die Schaltung mit geschalteten Kondensatoren veranlasst, den Strom mit dem ersten Stromwert auszugeben, und wobei das Bereitstellen des Stroms für die Last am Ausgang aus dem einen oder den mehreren Umgehungstransistorschaltern umfasst, dass die Steuerung den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter veranlasst, den Strom mit dem zweiten Stromwert auszugeben.
Beispiel 15 ist ein Umsetzer, der Folgendes enthalten kann: eine DC/DC-Umsetzerschaltung mit geschalteten Kondensatoren (SC-DCDC-Umsetzerschaltung); einen Spannungsregulierer mit geringem Ausfall (LDO), der einen oder mehrere Umgehungstransistoren, die parallel zueinander über einen Eingang und einen Ausgang der SC-DCDC-Umsetzerschaltung gekoppelt sind, enthält; und eine Steuerung, die dem SC-DCDC und dem LDO gemeinsam ist und eingerichtet ist, die SC-DCDC-Umsetzerschaltung zu steuern, einen Strom für eine Last am Ausgang des Umsetzers bereitzustellen, und ferner eingerichtet ist, den LDO zu steuern, einen ergänzenden Strom bereitzustellen, um den Strom aus der SC-DCDC-Umsetzerschaltung zu ergänzen, in Reaktion darauf, dass die SC-DCDC-Umsetzerschaltung an einer maximalen Ausgangsleistungsfähigkeit arbeitet.
Beispiel 16 ist der Gegenstand von Beispiel 15, wobei der LDO mehrere Umgehungstransistorschalter enthalten kann, die einen Basistransistorschalter, der eingerichtet ist, einen Strom mit einem ersten Stromwert auszugeben, und wenigstens einen zweiten Transistorschalter, der eingerichtet ist, einen Strom mit einem zweiten Stromwert, der ein Vielfaches des ersten Stromwerts ist, auszugeben, umfassen, wobei der Strom, der durch den LDO bereitgestellt wird, eine Summe jeweiliger Ströme der mehreren Umgehungstransistorschalter ist.
Beispiel 17 ist der Gegenstand von Beispiel 16, wobei die Steuerung eingerichtet sein kann, selektiv einen oder mehrere der mehreren Umgehungstransistorschalter durch selektives Veranlassen des einen oder der mehreren Umgehungstransistorschalter, mit einer jeweiligen Schaltfrequenz zu schließen, zu steuern.
Beispiel 18 ist der Gegenstand von Beispiel 17, wobei die SC-DCDC-Umsetzerschaltung, die mit einer maximalen Ausgabeleistungsfähigkeit arbeitet, die SC-DCDC-Umsetzerschaltung, die einen maximal leistbaren Ausgangsstrom ausgibt, enthalten kann.
Beispiel 19 ist der Gegenstand eines der Beispiele 15 bis 18, wobei die Steuerung eingerichtet sein kann, die SC-DCDC-Schaltung und die LDO so zu steuern, dass der Umsetzer eine im Wesentlichen Spannung an der Last am Ausgang aufrechterhält.
Obwohl die Erfindung insbesondere mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen gezeigt und beschrieben worden ist, ist durch Fachleute zu verstehen, dass verschiedene Änderungen an Form und Einzelheiten daran vorgenommen werden können, ohne von dem Geist und Schutzbereich der Erfindung, wie sie in den beigefügten Ansprüchen definiert sind, abzuweichen. Der Schutzbereich der Erfindung ist somit durch die beigefügten Ansprüche angegeben, und alle Änderungen, die in die Bedeutung und den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, sollen deshalb eingeschlossen sein.

Claims

Umsetzer, der Folgendes umfasst: eine Schaltung mit geschalteten Kondensatoren, die Folgendes enthält: einen oder mehrere Kondensatoren; und mehrere Hauptschalter, um einen Ausgangsstrom in Reaktion auf eine an die Schaltung mit geschalteten Kondensatoren angelegte Eingangsspannung bereitzustellen; einen oder mehrere Umgehungstransistorschalter, die eingerichtet sind, selektiv einen zusätzlichen Ausgangsstrom bereitzustellen, wobei eine gesamte Stromausgabe des Umsetzers eine Summe des durch die Schaltung mit geschalteten Kondensatoren bereitgestellten Ausgangsstroms und irgendeines durch den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter bereitgestellten zusätzlichen Ausgangsstroms ist; und eine gemeinsame Steuerung, um die mehreren Hauptschalter der Schaltung mit geschalteten Kondensatoren und den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter basierend auf einem für eine Last erforderlichen Strom zu steuern.
Umsetzer nach Anspruch 1, wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet ist, den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter zu steuern, den zusätzlichen Ausgangsstrom selektiv bereitzustellen.
Umsetzer nach Anspruch 2, wobei die Konfiguration der gemeinsamen Steuerung, derart, dass sie den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter steuert, um den zusätzlichen Ausgangsstrom selektiv bereitzustellen, umfasst, dass die gemeinsame Steuerung den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter veranlasst, den zusätzlichen Ausgangsstrom bereitzustellen, falls der Ausgangsstrom der Schaltung mit geschalteten Kondensatoren eine maximale Stromleistungsfähigkeit der Schaltung mit geschalteten Kondensatoren erreicht oder übersteigt.
Umsetzer nach Anspruch 2 oder 3, wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet ist, den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter zu steuern, um den zusätzlichen Ausgangsstrom selektiv bereitzustellen, und wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet ist, den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter zu veranlassen, den zusätzlichen Ausgangsstrom selektiv bereitzustellen, um eine im Wesentlichen konstante Spannung für die Last bereitzustellen.
Umsetzer nach Anspruch 4, wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet ist, eine Spannung an der Last zu erfassen.
Umsetzer nach Anspruch 5, wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet ist, eine Spannung an der Last zu detektieren, und ferner eingerichtet ist, eine Größe des zusätzlichen Stroms, der durch den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter bereitgestellt wird, basierend auf der detektierten Spannung an der Last zu steuern.
Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet ist, eine Größe des Stroms, der durch die Schaltung mit geschalteten Kondensatoren bereitgestellt wird, und eine Größe des zusätzlichen Stroms, der durch den einen oder die mehreren Umgehungstransistoren bereitgestellt wird, digital zu steuern.
Umsetzer nach Anspruch 7, der ferner Folgendes umfasst: einen Analog/Digital-Umsetzer (ADC), der eingerichtet ist, Werte, die der Spannung an der Last entsprechen, für die gemeinsame Steuerung bereitzustellen, wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet ist, die Schaltung mit geschalteten Kondensatoren und den einen oder die mehreren Umgehungsschalter basierend auf den durch den ADC bereitgestellten Werten zu steuern.
Umsetzer nach Anspruch 8, wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet ist, den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter digital zu steuern, um den zusätzlichen Ausgangsstrom bereitzustellen, durch Ermitteln, dass die Werte, die der Spannung entsprechen, die durch den ADC bereitgestellt wird, einen Maximalschwellenwert übersteigen.
Umsetzer nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die gemeinsame Steuerung eingerichtet ist, dadurch den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter zu veranlassen, den zusätzlichen Ausgangsstrom bereitzustellen, dass sie eingerichtet ist, selektiv wenigstens einen der Umgehungstransistorschalter zu schließen.
Verfahren zur Spannungsregulierung, das Folgendes aufweist: Ermitteln durch eine Steuerung eines Gesamtstromwerts, der für eine Last am Ausgang durch einen Umsetzer bereitzustellen ist, wobei der Umsetzer eine Schaltung mit geschalteten Kondensatoren und einen oder mehrere Umgehungstransistorschalter umfasst; Ermitteln durch eine Steuerung eines ersten Stromwerts, der durch die Schaltung mit geschalteten Kondensatoren des Umsetzers bereitzustellen ist, wobei der Stromwert, der durch die Schaltung mit geschalteten Kondensatoren bereitzustellen ist, kleiner ist als ein maximaler Stromwert; Ermitteln durch eine Steuerung eines zweiten Stromwerts, der durch den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter des Umsetzers bereitzustellen ist, wobei der zweite Stromwert die Differenz des Gesamtstromwerts und des ersten Stromwerts ist, Bereitstellen eines Stroms für eine Last am Ausgang aus der Schaltung mit geschalteten Kondensatoren, der den ersten Stromwert aufweist; und Bereitstellen eines Stroms für die Last am Ausgang aus dem einen oder den mehreren Umgehungstransistorschaltern, der den zweiten Stromwert aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei der Gesamtstromwert ein Wert des Stroms ist, um eine im Wesentlichen konstante Spannung an der Last am Ausgang aufrechtzuerhalten.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der maximale Stromwert eine maximale Ausgangsstromleistungsfähigkeit der Schaltung mit geschalteten Kondensatoren ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei das Bereitstellen des Stroms für die Last am Ausgang aus der Schaltung mit geschalteten Kondensatoren umfasst, dass die Steuerung die Schaltung mit geschalteten Kondensatoren veranlasst, den Strom mit dem ersten Stromwert auszugeben, und wobei das Bereitstellen des Stroms für die Last am Ausgang aus dem einen oder den mehreren Umgehungstransistorschaltern umfasst, dass die Steuerung den einen oder die mehreren Umgehungstransistorschalter veranlasst, den Strom mit dem zweiten Stromwert auszugeben.
Umsetzer, der Folgendes umfasst: eine DC/DC-Umsetzerschaltung mit geschalteten Kondensatoren (SC-DCDC-Umsetzerschaltung); einen Spannungsregulierer mit geringem Ausfall (LDO), der einen oder mehrere Umgehungstransistoren, die parallel zueinander über einen Eingang und einen Ausgang der SC-DCDC-Umsetzerschaltung gekoppelt sind, enthält; und eine Steuerung, die dem SC-DCDC und dem LDO gemeinsam ist und eingerichtet ist, die SC-DCDC-Umsetzerschaltung zu steuern, einen Strom für eine Last am Ausgang des Umsetzers bereitzustellen, und ferner eingerichtet ist, den LDO zu steuern, einen ergänzenden Strom bereitzustellen, um den Strom aus der SC-DCDC-Umsetzerschaltung zu ergänzen, in Reaktion darauf, dass die SC-DCDC-Umsetzerschaltung an einer maximalen Ausgangsleistungsfähigkeit arbeitet.
Umsetzer nach Anspruch 15, wobei der LDO mehrere Umgehungstransistorschalter enthält, die einen Basistransistorschalter, der eingerichtet ist, einen Strom mit einem ersten Stromwert auszugeben, und wenigstens einen zweiten Transistorschalter, der eingerichtet ist, einen Strom mit einem zweiten Stromwert, der ein Vielfaches des ersten Stromwerts ist, auszugeben, umfassen, wobei der Strom, der durch den LDO bereitgestellt wird, eine Summe jeweiliger Ströme der mehreren Umgehungstransistorschalter ist.
Umsetzer nach Anspruch 16, wobei die Steuerung eingerichtet ist, selektiv einen oder mehrere der mehreren Umgehungstransistorschalter durch selektives Veranlassen des einen oder der mehreren Umgehungstransistorschalter, mit einer jeweiligen Schaltfrequenz zu schließen, zu steuern.
Umsetzer nach Anspruch 17, wobei die SC-DCDC-Umsetzerschaltung, die mit einer maximalen Ausgabeleistungsfähigkeit arbeitet, die SC-DCDC-Umsetzerschaltung, die einen maximal leistbaren Ausgangsstrom ausgibt, umfasst.
Umsetzer nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei die Steuerung eingerichtet ist, die SC-DCDC-Schaltung und die LDO so zu steuern, dass der Umsetzer eine im Wesentlichen konstante Spannung an der Last am Ausgang aufrechterhält.