DE102020200873A1

DE102020200873A1 - SIDO-Abwärtswandler mit negativem Strom

Info

Publication number: DE102020200873A1
Application number: DE102020200873.6A
Authority: DE
Inventors: Kemal Ozanoglu; Pier Cavallini; Burak Dundar
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2019-11-18
Filing date: 2020-01-24
Publication date: 2021-05-20
Also published as: US20210152082A1; US11290006B2

Abstract

Es ist eine Aufgabe eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung, einen Einzel-Induktor-Dual-Ausgang(SIDO - single-inductor dual-output)- oder Einzel-Induktor-Mehrfach-Ausgang(SIMO - single-inductor multiple-output)-Abwärts-Schaltwandler vorzusehen, der einen Strom mit entgegengesetzter Polarität über einen Induktor an seine Ausgänge liefern kann. Es ist eine weitere Aufgabe eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele, wenn ein Ausgang ein Überschwingen hat und der andere Ausgang unter einer Referenz ist, ein Entladen des Überschwingen-Ausgangs zu dem anderen Ausgang zu ermöglichen, was zu einem signifikanten Ladungsrecycling und einer beträchtlichen Erhöhung der Leistungseffizienz führt. Weiterhin ist es eine Aufgabe eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele, eine Welligkeit der Ausgangsspannung zu verbessern, da beide Ausgänge gleichzeitig versorgt werden, im Vergleich zu einem SIDO-Betrieb gemäß dem Stand der Technik, bei dem nur ein Ausgang für eine gegebene Phase versorgt wird.

Description

Hintergrund
Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft allgemein DC-DC-Schaltwandler mit einem einzelnen Induktor und mehreren Ausgängen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung Buck- bzw. Abwärts-Schaltwandler mit einem einzelnen Induktor, zwei Ausgängen (SIDO - single-inductor dual-output) und mit einem einzelnen Induktor, mehreren Ausgängen (SIMO - single-inductor multiple-output), mit der Option, gleichzeitig komplementäre (negative und positive) Ausgangsströme vorzusehen.
Hintergrund
Eine Topologiebeschränkung bei herkömmlichen SIDO/SIMO-Abwärts-Wandlern besteht darin, dass sie nur Ausgangsströme mit der gleichen Polarität an alle Ausgänge liefern können. Wenn zum Beispiel in dem kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM - continuous-conduction mode) ein Ausgang einen positiven Strom anfordert, ist es nicht möglich, eine negative dynamische Spannungssteuerung (DVC - dynamic voltage control) durchzuführen oder ein Überschwingen an dem/den anderen Ausgang/Ausgängen zu reduzieren.
Eine herkömmliche Lösung für dieses Problem (Liefern eines positiven Ausgangsstroms zu einem Ausgang, während der andere Ausgang entladen wird) besteht darin, einen Pulldown-Schalter zum Entladen zu verwenden. Wenn ein Überschwingen-Ereignis auftritt oder ein negatives DVC-Ereignis angefordert wird, entlädt der Pulldown-Schalter den Ausgangskondensator auf den angeforderten Spannungspegel. Der Hauptnachteil dieser Lösung ist der Effizienzverlust. Bei induktiven Schaltwandlern ist es bevorzugt, eine Ladung durch fortgesetzte Verwendung des Induktors zu erhalten.
Abwärts-Wandler mit einem einzelnen Induktor mit mehreren Ausgängen sind in Anwendungen bevorzugt, in denen der Gesamtlaststrom durch einen einzelnen Induktor unterstützt werden kann, und wenn es bevorzugt ist, Leiterplattenfläche und Kosten durch Vermeidung zusätzlicher externer Komponenten einzusparen.
1 zeigt 100 einen Einzel-Induktor-Dual-Ausgang(SIDO - single-inductor dual-output)-Buck- bzw. Abwärts-Schaltwandler des Standes der Technik. Eine Topologiebeschränkung bei herkömmlichen SIDO/SIMO-Abwärts-Wandlern besteht darin, dass sie nur Ausgangsströme mit der gleichen Polarität an alle Ausgänge liefern können. Zum Beispiel fließt in 1 der Strom iL des Induktors LO zu den Ausgängen VON und VO1. Wenn jedoch an einem der Ausgänge ein Überschwingen auftritt oder für einen der Ausgänge eine negative DVC angefordert wird, kann der Abwärts-Wandler diese Ausgangsspannung nicht reduzieren, da der Induktorstrom in positiver Richtung ist.
Zusammenfassung
Demgemäß ist es eine Aufgabe eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung, einen Abwärts-Schaltwandler mit einem einzelnen Induktor, zwei Ausgängen (SIDO - single-inductor dual-output) oder mit einem einzelnen Induktor, mehreren Ausgängen (SIMO - single-inductor multiple-output) vorzusehen, der einen Strom mit entgegengesetzter Polarität zu seinen Ausgängen durch einen einzelnen Induktor liefern kann.
Es ist eine weitere Aufgabe eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele der Offenbarung, wenn ein Ausgang ein Überschwingen hat und der andere Ausgang unter einer Referenz ist, ein Entladen des Überschwingen-Ausgangs zu dem anderen Ausgang zu ermöglichen, was zu einem signifikanten Ladungsrecycling und beträchtlicher Steigerung der Leistungseffizienz führt.
Weiter ist es eine Aufgabe eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele der Offenbarung, eine Welligkeit der Ausgangsspannung zu verbessern, da beide Ausgänge gleichzeitig versorgt werden, im Vergleich zu dem SIDO-Betrieb nach dem Stand der Technik, bei dem nur ein Ausgang für eine gegebene Phase versorgt wird.
Andere Aufgaben werden im Folgenden offensichtlich.
Die obigen und andere Aufgaben der vorliegenden Offenbarung können auf die folgende Weise erreicht werden. Ein Einzel-Induktor-Dual- oder Mehrfach-Ausgang(SIDO/SIMO - single-inductor dual- or multiple-output)-Schaltwandler mit negativem Strom wird offenbart, der einen Induktoreingangsknoten an einem Ausgang des Schaltwandlers, einen Induktor, der zwischen dem Induktoreingangsknoten und einem Induktorausgangsknoten verbunden ist, einen positiven Ausgangsschalter, der zwischen dem Induktoreingangsknoten und einem ersten Ausgang verbunden ist, der konfiguriert ist zum Vorsehen eines positiven Stroms, einen negativen Ausgangsschalter, der zwischen dem Induktoreingangsknoten und einem zweiten Ausgang verbunden ist, der konfiguriert ist zum Vorsehen eines negativen Stroms, und einen Entladeschalter aufweist, der zwischen dem Induktorausgangsknoten und einer niedrigeren Spannungsreferenz verbunden ist.
Die obigen und andere Aufgaben der vorliegenden Offenbarung können weiter mit einem Verfahren für einen Einzel-Induktor-Dual-Ausgang(SIDO - single-inductor dual-output)-Schaltwandler mit negativem Strom erreicht werden. Die Schritte umfassen, in einem diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM - discontinuous-conduction mode), ein Vorsehen eines positiven Stroms an einem ersten Ausgang in einer ersten DCM-Phase und ein Entladen eines negativen Stroms an einem zweiten Ausgang durch einen Entladeschalter, der an einem Induktorausgangsknoten vorgesehen ist, in einer zweiten DCM-Phase. Die Schritte umfassen auch, in einem kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM - continuous-conduction mode), ein Vorsehen eines positiven Stroms an dem ersten Ausgang in einer ersten CCM-Phase und Verbinden eines negativen Stroms von dem zweiten Ausgang zu dem ersten Ausgang in einer zweiten CCM-Phase.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Funktion für andere Topologien, wie SIMO-Boost- bzw. Aufwärts-, SIMO-Buck/Boost- bzw. Abwärts/Aufwärts- und invertierender SIMO-Buck/Boost-Schaltwandler, verwendet werden.
Figurenliste
Die vorliegende Offenbarung wird aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen offensichtlicher, in denen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente, Bereiche und Teile bezeichnen, und in denen:

1 einen Einzel-Induktor-Dual-Ausgang(SIDO - single-inductor dual-output)- Abwärts-Schaltwandler gemäß dem Stand der Technik zeigt.
2 ein allgemeines Ausführungsbeispiel eines Einzel-Induktor-Dual-Ausgangs-(SIDO - single-inductor dual-output)-Abwärts-Schaltwandlers der vorliegenden Offenbarung zeigt.
Die 3A und 3B einen positiven Betrieb zu dem Ausgang VOUTO bzw. einen negativen Betrieb zu dem Ausgang VOUT1 in dem diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM - discontinuous-conduction mode) zeigen.
Die 4A und 4B einen positiven Betrieb zu dem Ausgang VOUTO bzw. einen negativen Betrieb zu dem Ausgang VOUT1 in dem kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM - continuous-conduction mode) zeigen.
5 ein Schaltungsdiagramm zeigt, das eine Modusauswahl- und Schaltsteuer-Logik für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Schalttopologie der Offenbarung zeigt.
6 Strom-/Spannungsdiagramme umfasst, die einen SIDO-Betrieb nach dem Stand der Technik zeigen, wobei beide Ausgänge VOUTO und VOUT1 einen positiven Laststrom haben.
7 Strom-/Spannungsdiagramme umfasst, die einen negativen SIDO-Betrieb Option 1 in dem diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM - discontinuous-conduction mode) für die Offenbarung zeigen.
8 Strom-/Spannungsdiagramme umfasst, die einen negativen SIDO-Betrieb Option 2 in dem kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM - continuous-conduction mode) für die Offenbarung zeigen.
9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens für einen Einzel-Induktor-Dual- oder Mehrfach-Ausgang(SIDO/SIMO - single-inductor dual- or multiple output) mit negativem Strom ist.

Detaillierte Beschreibung
Die vorliegende Offenbarung schlägt einen SIDO/SIMO-Abwärts-Wandler mit einem negativen Strom und einer DVC-Funktion vor, mit der Flexibilität, Strom entgegengesetzter Polarität an seine Ausgänge zu liefern. Die vorliegende Erfindung zielt darauf ab, Einschränkungen des Standes der Technik mit zusätzlichen Schaltern zu lösen, um einen negativen Strom an einen der Ausgänge zu liefern, während ein positiver Strom an den anderen Ausgang/die anderen Ausgänge geliefert wird.
In dieser Anwendung werden die Begriffe SIDO, SIMO und SIDO/SIMO austauschbar verwendet und sollen sich auf Schaltwandler mit einem Eingang und mit zwei oder mehr Ausgängen beziehen. In den Zeichnungen können Beispiele, die zwei Ausgänge zeigen, unter Verwendung der offenbarten Techniken einfach auf drei oder mehr Ausgänge erweitert werden.
2 zeigt 200, ein allgemeines Ausführungsbeispiel eines Abwärts-Schaltwandlers mit einem einzelnen Induktor und zwei Ausgängen (SIDO - single-inductor dual-output) der vorliegenden Offenbarung. Der Schalter SB ist der Abwärts-Schalter, der zwischen der Versorgungsspannung VDD und dem LX-Knoten verbunden ist. Die Abwärts-Diode D1, die ebenfalls als Schalter implementiert ist, lässt Strom in einer einzigen Richtung zu und hat ihre Anode an Masse und ihre Kathode an dem LX-Knoten. Der Induktor LO ist zwischen den Knoten LX und LY.
SIDO-Abwärts-Schalter SY0 und SY1 zwischen dem LY-Knoten und den Ausgängen VOUT0 bzw. VOUT1 ermöglichen einen Stromfluss zu oder von den Ausgängen. Zusätzliche Schalter SX0, SX1 und SZ ermöglichen die Lieferung von Komplementärstrom an VOUT0 und VOUT1 mit positiver bzw. negativer Polarität. Der Schalter SX0 ist zwischen dem LX-Knoten und VOUT0 verbunden, der Schalter SX1 zwischen dem LX-Knoten und VOUT1 und der Schalter SZ zwischen dem LY-Knoten und Masse. Der Ausgangskondensator C0 und der Widerstand R0 sind zwischen VOUT0 und Masse, und der Ausgangskondensator C1 und der Widerstand R1 sind zwischen VOUT1 und Masse.
Als Teil einer physikalischen Implementierung können zusätzliche Schalter SX0, SX1 und SZ ausgestaltet sein, dass sie im Vergleich zu den anderen Schaltern, insbesondere den Durchlassvorrichtungen, kleiner sind. Ein Design-Kompromiss ist Siliziumfläche über Effizienz in dem negativen Betrieb. Für einen typischen SIDO-Betrieb sind die Schalter SX0, SX1 und SZ ausgeschaltet. Für den Fall, dass VOUT0 einen positiven Laststrom in einem Normalbetrieb liefert und VOUT1 aufgefordert wird, einen Betrieb mit negativem Strom durchzuführen, ermöglichen die Schalter zwei verschiedene Betriebslösungen, wie in den folgenden Abschnitten beschrieben wird.
Für einen negativen SIDO-Betrieb (Option 1) zeigen die 3A und 3B einen positiven Betrieb zu dem Ausgang VOUT0 bzw. einen negativen Betrieb zu dem Ausgang VOUT1 in einem diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM - discontinuous-conduction mode). Für eine erste bipolare Lösung zeigt 3A 300 Phase A und ein positiver Strom wird an VOUT0 geliefert, in einem normalen Schaltwandlerbetrieb. Der Schalter SY0 ist ein, der Schalter SY1 ist aus und der Schalter SB führt einen Abwärts-Schaltvorgang durch. Die Schalter SX0, SX1 und SZ sind ausgeschaltet.
3B 350 zeigt die Phase B, wobei ein negativer Strom an VOUT1 geliefert wird, in einem negativen Betrieb. Die Schalter SY0 und SY1 sind ausgeschaltet und der Schalter SB ist ebenfalls ausgeschaltet. Der Schalter SX0 ist ausgeschaltet und die Schalter SX1 und SZ sind eingeschaltet. Eine optionale Recyclingdiode D2 kann zwischen der Versorgungsspannung VDD und dem LY-Knoten verbunden sein.
Für einen negativen SIDO-Betrieb (Option 2) zeigen die 4A und 4B einen positiven Betrieb zu dem Ausgang VOUT0 bzw. einen negativen Betrieb zu dem Ausgang VOUT1 in einem kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM - continuous-conduction mode). Für eine zweite bipolare Lösung zeigt 4A 400 eine Phase A, ähnlich zu 3A, und ein positiver Strom wird an VOUT0 geliefert, in einem normalen Schaltwandlerbetrieb. Der Schalter SY0 ist eingeschaltet, der Schalter SY1 ist ausgeschaltet und der Schalter SB führt einen Abwärts-Schaltvorgang durch. Die Schalter SX0, SX1 und SZ sind ausgeschaltet.
4B 450 zeigt Phase B, wobei ein negativer Strom an VOUT1 geliefert wird, während gleichzeitig ein positiver Ausgangsstrom an VOUT0 geliefert wird. Die Schalter SX1 und SY0 sind eingeschaltet und die Schalter SX0, SY1, SB und SZ sind ausgeschaltet.
Der Vorteil des negativen Betriebs von 4B besteht darin, dass die überschüssige Spannung von VOUT1 verwendet wird, um einen Laststrom an VOUT0 zu liefern - ohne Versorgungsstrom zu verwenden und gespeicherte Energie in den Lastkondensatoren wird recycelt. Dies erhöht eine Leistungseffizienz in diesem negativen Betriebsmodus und verbessert eine Welligkeit der Ausgangsspannung, da beide Ausgänge gleichzeitig versorgt werden. In dem SIDO-Betrieb des Standes der Technik wird nur ein Ausgang für eine gegebene Phase versorgt.
Option 2 ist möglicherweise nicht bevorzugt, wenn sich VOUT0 in dem Ruhemodus befindet, z.B. gibt es keinen Laststrom bei VOUT0, da, während VOUT0 ansteigt, dies zu einem VOVER-Zustand führen kann. Dieser Modus ist möglicherweise auch nicht bevorzugt, wenn VOUT0 höher als VOUT1 ist und der Spulenstrom nicht hoch ist, z.B. bei einem DCM, da in diesem Zustand der Spulenstrom auf Null abfällt und dieser Modus nicht vorteilhaft ist. Für diese zwei Zustände ist Option 1, die in 3A und 3B dargestellt ist, gegenüber Option 2 bevorzugt.
Die Ausführungsbeispiele der Offenbarung, die in den 3A/3B und 4A/4B gezeigt sind, sind für einen positiven Ausgangsstrom bei VOUT0 und einen negativen Ausgangsstrom bei VOUT1. Wenn stattdessen ein negativer Ausgangsstrom an VOUT0 und ein positiver Strom an VOUT1 vorhanden ist, wären der Stromfluss und die verwendeten Schalter das Spiegelbild dessen, was in den 3A-4B gezeigt wird. Das heißt, Strom würde durch SY1 (anstelle von SY0, wie in 3A gezeigt), durch SX0 (anstelle von SX1, wie in 3B gezeigt), durch SY1 (anstelle von SY0, wie in 4A gezeigt) und durch SX0 (anstelle von SX1, wie in 4B gezeigt) fließen.
5 zeigt 500 ein Schaltungsdiagramm, das eine Modusauswahl- und Schaltsteuer-Logik für ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Schalttopologie der Offenbarung zeigt. OTA0- und OTA1-Zellen erzeugen Ausgangsfehlerströme I_ERR0 und I_ERR1 basierend auf den Eingangsspannungen VOUT0 und VREF0 bzw. VOUT1 und VREF1. Die Ströme I_ERR0 und I_ERR1 werden in die Kombinierer- und Spitzengrenze-Komparator-Logik zusammen mit I_SENSE von dem LX-Knoten eingegeben. Unter Verwendung der Strommodussteuerung wird die Ausgangsstromspitzengrenze I_PEAK zusammen mit anderen Kompensationsfaktoren, zum Beispiel den Komparatorausgängen VUNDER0 und VOVER0 und VUNDER1 und VOVER1, in die Modusauswahl- und Schaltsteuer-Logik eingegeben, um die Schaltwerte SB, SX0, SX1, SY0, SY1 und SZ zu bestimmen. Die Komparatoren V_UNDER und V_OVER treffen die Entscheidung über den negativen Betriebsmodus basierend auf den Eingangsspannungen VOUT0, VREF0-10mv und VOUT1, VREF1-10mv und VOUT0, VREF0+10mv und VOUT1, VREF1+10mv.
OTA0- und OTA1-Zellen sehen den absoluten Wert des Fehlerstroms bei den Ausgangsfehlerströmen I_ERR0 und I_ERR1 vor, wobei der Fehlerstrom immer positiv ist, auch wenn es ein Unterschwingen oder ein Überschwingen gibt. Wenn kein absoluter Wert verwendet würde, würde ein Überschwingen an einem Ausgang durch ein Unterschwingen an dem anderen Ausgang aufgehoben, was zu keiner Reaktion in dem System führen würde.
In den folgenden Simulationsergebnissen ändern die Schalter SX0, SX1, SY0 und SY1 logische Positionen synchron mit dem Takt. Dies ist keine Anforderung des Ausführungsbeispiels, sondern erfolgt nur zu Zwecken der Simulation selbst.
6 umfasst Strom-/Spannungsdiagramme 600, die den SIDO-Betrieb gemäß dem Stand der Technik zeigen, wobei beide Ausgänge VOUT0 und VOUT1 einen positiven Laststrom haben. Die Simulationsbedingungen sind wie folgt: VDD = 3,8 V, VOUT0 = 1V, VOUT1 = 1 V, L = 1 uH, C_OUT0 = 30 uF, C_OUT1 = 30 uF, f_SW = 3 MHz, I_LOAD0 = 500 mA, I_LOAD1 = 100 mA. Wenn beide Ausgangslasten positiv sind, wird der normale Betrieb durchgeführt. Zum Simulationszeitpunkt 11us ist VOUT1 niedriger, somit schaltet mit dem nächsten Takt der Schalter SY1 ein, und der Spulenstrom liefert VOUT1 während des Intervalls i1. Während des Intervalls i2 ist der Schalter SY0 eingeschaltet und der Spulenstrom versorgt VOUT0 bis 13us, wenn sich der obige Zyklus wiederholt.
7 umfasst Strom-/Spannungsdiagramme 700, die den negativen SIDO-Betrieb Option 1 in dem diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM - discontinuous-conduction mode) für die Offenbarung zeigen. Dieses Beispiel ist für die 3A und 3B, wobei es einen positiven Betrieb zu dem Ausgang VOUT0 bzw. einen negativen Betrieb zu dem Ausgang VOUT1 gibt. Die Simulationsbedingungen sind wie folgt: I_LOAD0 = 50 mA (niedriger Laststrom, DCM-Betrieb erwartet), I_LOAD1 = 100 mA. Zum Simulationszeitpunkt 32us wird VOVER1 hoch und fordert einen negative Betrieb für VOUT1 an. Während des Intervalls i1 sind die Schalter SX1 und SZ eingeschaltet und entladen VOUT1, wie in 3B definiert. Während des Intervalls i2 gibt es keine VOVER/VUNDER-Signale, daher schaltet das System nicht und bleibt in dem Ruhemodus. Der aufgebaute Induktorstrom kann durch die optionale Recyclingdiode D2 entladen werden. Zum Simulationszeitpunkt 38us wird VUNDER0 hoch, der Schalter SY0 wird eingeschaltet und ein positiver Laststrom wird an VOUT0 geliefert während des Intervalls i3.
8 umfasst Strom-/Spannungsdiagramme, die einen negativen SIDO-Betrieb Option 2 in dem kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM - continuous-conduction mode) für die Offenbarung zeigen. Dieses Beispiel ist für die 4A und 4B, wo es einen positiven Betrieb zu dem Ausgang VOUT0 bzw. einen negativen Betrieb zu dem Ausgang VOUT1 gibt. Die Simulationsbedingungen sind wie folgt: I_LOAD0 = 1A (höherer Laststrom, CCM-Betrieb erwartet), I_LOAD1 = -250 mA. Während der Simulation ist VUNDER0 eingeschaltet, da VOUT0 mit 1A belastet ist. Während des Intervalls i1 ist VOVER1 hoch und fordert einen negativen Betrieb für VOUT1 an. Der Schalter SX1 wird eingeschaltet und der Schalter SY0 bleibt weiterhin eingeschaltet. Somit wird VOUT1 mit dem Spulenstrom entladen und gleichzeitig Laststrom an VOUT0 geliefert, wie in 4B definiert. Während des Intervalls i2 ist VUNDER0 hoch und der Laststrom wird an VOUT0 geliefert. Der Schalter SY0 bleibt eingeschaltet und das Abwärts-Schalten von SB wird fortgesetzt.
Obwohl die vorliegende Erfindung eine neue Topologie am Beispiel eines SIDO-Abwärts-Schaltwandlers beschreibt, sind die beschriebenen Konzepte auf andere Schaltwandlertypen anwendbar. Die Idee, weitere Schalter zu einem SIMO-Abwärts-Schaltwandler hinzuzufügen, kann auch auf andere Topologien erweitert werden, wie einen SIMO-Boost- bzw. Aufwärts-Schaltwandler, einen SIMO-Buck/Boost- bzw. Abwärts/Aufwärts-Schaltwandler und einen invertierenden SIMO-Abwärts/Aufwärts-Schaltwandler. Der SZ-Schalter von dem LY-Knoten zu Masse ist vorteilhafterweise bereits in einem SIMO-Abwärts-Aufwärts-Schaltwandler verfügbar.
Zusammenfassend umfassen wesentliche Merkmale der Offenbarung den Abwärts-Schalter SB und die Diode D1, die SIDO-Abwärts-Schalter SY0 und SY1 und die Schalter SX0, SX1 und SZ, die ein Liefern von Komplementärstrom zu den Ausgängen von 2 ermöglichen. Die Merkmale umfassen auch den negativen SIDO-Schalt-Betrieb, wie in den 3B und 4B definiert, sowie die OTA-Zellen, die den Absolutwert des Fehlerstroms erzeugen, und die Steuerlogik unter Verwendung von VUNDER- und VOVER-Signalen, wie in 5 definiert, mit dem in den 7 und 8 gezeigten Betrieb.
9 ist ein Ablaufdiagramm 900 eines Verfahrens für einen Einzel-Induktor-Dual- oder Mehrfach-Ausgang(SIDO/SIMO - single-inductor dual- or multiple-output)-Schaltwandler mit negativem Strom. Die Schritte umfassen 910, in einem diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM - discontinuous-conduction mode), ein Vorsehen eines positiven Stroms an einem ersten Ausgang in einer ersten DCM-Phase und ein Entladen eines negativen Stroms an einem zweiten Ausgang durch einen Entladeschalter, der an einem Induktorausgangsknoten vorgesehen ist, in einer zweiten DCM-Phase. Die Schritte umfassen auch 920, in einem kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM - continuous-conduction mode), ein Vorsehen eines positiven Stroms an dem ersten Ausgang in einer ersten CCM-Phase und in einer zweiten CCM-Phase ein Verbinden eines negativen Stroms von dem zweiten Ausgang zu dem ersten Ausgang.
Der Hauptvorteil eines oder mehrerer Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung umfasst, dass, wenn ein Ausgang ein Überschwingen hat und der andere Ausgang unter einer Referenz ist, das System ein Entladen des Überschwingen-Ausgangs zu dem anderen Ausgang ermöglicht, was zu einem signifikanten Ladungsrecycling und einer erhebliche Steigerung der Leistungseffizienz führt. Ein weiterer Vorteil ist eine verbesserte Welligkeit der Ausgangsspannung, wenn ein Ausgang ein Überschwingen hat und der andere Ausgang unter einer Referenz ist, da beide Ausgänge gleichzeitig versorgt werden, im Vergleich zu dem SIDO-Betrieb nach dem Stand der Technik, bei dem nur ein Ausgang für eine gegebene Phase versorgt wird.
Während bestimmte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Offenbarung dargestellt und beschrieben wurden, ist für Fachleute offensichtlich, dass verschiedene Änderungen in Form und Details vorgenommen werden können, ohne von dem Sinn und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

Einzel-Induktor-Dual- oder Mehrfach-Ausgang(SIDO/SIMO - single-inductor dual- or multiple-output)-Schaltwandler mit negativem Strom, der aufweist: einen Induktoreingangsknoten an einem Ausgang des Schaltwandlers; einen Induktor, der zwischen dem Induktoreingangsknoten und einem Induktorausgangsknoten verbunden ist; einen positiven Ausgangsschalter, der zwischen dem Induktoreingangsknoten und einem ersten Ausgang verbunden ist, der konfiguriert ist zum Vorsehen eines positiven Stroms; einen negativen Ausgangsschalter, der zwischen dem Induktoreingangsknoten und einem zweiten Ausgang verbunden ist, der konfiguriert ist zum Vorsehen eines negativen Stroms; und einen Entladeschalter, der zwischen dem Induktorausgangsknoten und einer Referenz mit niedrigerer Spannung verbunden ist.
Der SIDO/SIMO-Schaltwandler gemäß Anspruch 1, der zum Betrieb in einem diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM - discontinuous-conduction mode) konfiguriert ist, in dem während einer ersten Phase der positive Strom an dem ersten Ausgang vorgesehen wird.
Der SIDO/SIMO-Schaltwandler gemäß Anspruch 2, wobei während einer zweiten Phase der negative Ausgangsschalter geschlossen ist, der negative Strom durch den zweiten Ausgang und durch den Induktor und durch den Entladeschalter fließt.
Der SIDO/SIMO-Schaltwandler gemäß Anspruch 1, der zum Betrieb in einem kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM - continuous-conduction mode) konfiguriert ist, in dem während einer ersten Phase der positive Strom an dem ersten Ausgang vorgesehen wird.
Der SIDO/SIMO-Schaltwandler gemäß Anspruch 4, bei dem während einer zweiten Phase der negative Ausgangsschalter geschlossen ist, der negative Strom durch den zweiten Ausgang und durch den Induktor und zu dem ersten Ausgang fließt.
Der SIDO/SIMO-Schaltwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, der weiter eine Recyclingdiode aufweist, die zwischen dem Induktorausgangsknoten und einer Versorgungsspannung verbunden ist.
Der SIDO/SIMO-Schaltwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Schaltwandler ein SIMO-Boost- bzw. Aufwärts-Schaltwandler, ein SIMO-Buck/Boost- bzw. Abwärts/Aufwärts-Schaltwandler oder ein invertierender SIMO-Abwärts/Aufwärts-Schaltwandler ist.
Der SIDO/SIMO-Schaltwandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, der weiter einen ersten und einen zweiten Operationstranskonduktanzverstärker aufweist, die konfiguriert sind zum Erzeugen eines ersten und zweiten Ausgangsfehlerstroms.
Der SIDO/SIMO-Schaltwandler gemäß Anspruch 8, wobei der erste und zweite Ausgangsfehlerstrom ein absoluter Wert und immer positiv sind.
Der SIDO/SIMO-Schaltwandler gemäß Anspruch 8 oder 9, der weiter eine Kombinierer- und Spitzengrenze-Komparator-Logik aufweist mit Eingängen, die den ersten und zweiten Ausgangsfehlerstrom aufweisen und ein Stromerfassungssignal von dem Induktorausgangsknoten.
Der SIDO/SIMO-Schaltwandler gemäß Anspruch 10, der weiter eine Modusauswahl- und Schaltsteuer-Logik aufweist mit Eingängen, die einen Ausgang der Kombinierer- und Spitzengrenze-Komparator-Logik und Unter- und Überspannungs-Komparatorausgängen aufweisen.
Der SIDO/SIMO-Schaltwandler gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei die Werte für positiven Ausgang, negativen Ausgang und Entladeschalter durch die Modusauswahl- und Schaltsteuer-Logik konfiguriert sind.
Verfahren zum Betreiben eines Einzel-Induktor-Dual- oder Mehrfach-Ausgang(SIDO/SIMO - single-inductor dual- or multiple-output)-Schaltwandlers mit negativem Strom, das die Schritte aufweist: in einem diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM - discontinuous-conduction mode), Vorsehen eines positiven Stroms an einem ersten Ausgang in einer ersten DCM-Phase und Entladen eines negativen Stroms an einem zweiten Ausgang über einen Entladeschalter, der an einem Induktorausgangsknoten vorgesehen ist, in einer zweiten DCM-Phase; und in einem kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM - continuous-conduction mode), Vorsehen eines positiven Stroms an dem ersten Ausgang in einer ersten CCM-Phase und in einer zweiten CCM-Phase Verbinden eines negativen Stroms von dem zweiten Ausgang zu dem ersten Ausgang.
Das Verfahren gemäß Anspruch 13, das weiter die Schritte aufweist: Vorsehen eines Induktors, der zwischen einem Induktoreingangsknoten an einem Ausgang des Schaltwandlers und dem Induktorausgangsknoten verbunden ist; Verbinden eines positiven Ausgangsschalters zwischen dem Induktoreingangsknoten und dem ersten Ausgang, der konfiguriert ist zum Vorsehen des positiven Stroms; Verbinden eines negativen Ausgangsschalters zwischen dem Induktoreingangsknoten und dem zweiten Ausgang, der konfiguriert ist zum Vorsehen des negativen Stroms; und Verbinden eines Entladeschalters zwischen dem Induktorausgangsknoten und einer Referenz mit niedrigerer Spannung.
Das Verfahren gemäß Anspruch 14, das weiter ein Verbinden einer Recyclingdiode zwischen dem Induktorausgangsknoten und einer Versorgungsspannung aufweist.