DE102020204966A1

DE102020204966A1 - Leistungsverwaltungsschaltung

Info

Publication number: DE102020204966A1
Application number: DE102020204966.1A
Authority: DE
Inventors: Pietro Gambetta; Mark Mercer
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2019-12-26
Filing date: 2020-04-20
Publication date: 2021-07-01
Also published as: US20210203179A1; US20220416558A1; US11456611B2

Abstract

Ein Verfahren zum Verwalten von Leistung und eine Leistungsverwaltungsschaltung, die in einer Vielzahl von Modi betrieben werden kann, werden vorgestellt. Die Leistungsverwaltungsschaltung umfasst einen Schaltwandler mit drei Anschlüssen, der mit einer Steuervorrichtung gekoppelt ist. Der Schaltwandler hat einen einzelnen Induktor, zwei Sätze von Schaltern, einen Bypass-Schalter und einen Umschaltschalter. Der erste Satz von Schaltern ist mit einem Eingangsanschluss gekoppelt. Der zweite Satz von Schaltern ist mit einem Batterieanschluss gekoppelt. Der Bypass-Schalter ist zwischen dem Batterieanschluss und einem Lastanschluss gekoppelt. Der einzelne Induktor ist zwischen einem ersten Schaltknoten und einem zweiten Schaltknoten vorgesehen. Der Umschaltschalter ist zwischen dem ersten Schaltknoten und der Batterie oder dem Lastanschluss vorgesehen. Eine Steuervorrichtung ist konfiguriert zum Auswählen eines Betriebsmodus durch Ändern eines Zustands von zumindest einem des Bypass-Schalters und des Umschaltschalters.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Leistungsverwaltungsschaltung, wie ein Ladegerät zum Laden einer Batterie einer mobilen Vorrichtung. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung ein Batterieladegerät mit drei Anschlüssen.
Hintergrund
Mobile Vorrichtungen, wie Mobiltelefone und Tablet-Computer, werden unter Verwendung eines Batterieladegeräts mit drei Anschlüssen geladen, das einen Eingangsanschluss, einen Eingangs-/Ausgangs-Batterieanschluss und einen Prioritätsanschluss hat, um Leistung an die mobile Vorrichtung zu liefern. Herkömmliche Batterieladegeräte mit drei Anschlüssen erfordern zumindest zwei Induktoren, wodurch diese Geräte relativ groß sind. Diese Systeme arbeiten basierend auf einem zweistufigen Prozess, bei dem Energie zuerst an eine Ladegerätbatterie und dann von der Ladegerätbatterie an die mobile Vorrichtung übertragen wird, wodurch die Effizienz des Ladegeräts begrenzt ist.
Zusammenfassung
Es ist eine Aufgabe der Offenbarung, eine oder mehrere der oben genannten Einschränkungen anzusprechen. Gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung ist eine Leistungsverwaltungsschaltung vorgesehen, die einen Schaltwandler aufweist, der mit einer Steuervorrichtung gekoppelt ist, um den Schaltwandler in einer Vielzahl von Modi zu betreiben, wobei der Schaltwandler einen ersten Satz von Schaltern aufweist, die mit einem ersten Anschluss zum Empfangen einer Eingangsspannung gekoppelt sind; einen zweiten Satz von Schaltern, die mit einem zweiten Anschluss zum Koppeln mit einer Batterie gekoppelt sind; einen Bypass-Schalter, der zwischen dem zweiten Anschluss und einem dritten Anschluss zum Koppeln mit einer Last gekoppelt ist; einen einzelnen Induktor, der zwischen einem ersten Schaltknoten des ersten Satzes von Schaltern und einem zweiten Schaltknoten des zweiten Satzes von Schaltern vorgesehen ist; und einen Umschaltschalter, der zwischen dem ersten Schaltknoten und dem zweiten oder dem dritten Anschluss vorgesehen ist; wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist zum Auswählen eines Betriebsmodus, indem ein Zustand von zumindest einem des Bypass-Schalters und des Umschaltschalters geändert wird.
Optional weist die Leistungsverwaltungsschaltung einen Rampengenerator auf, der konfiguriert ist zum Vorsehen einer Vielzahl von Rampensignalen, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist zum Vergleichen eines oder mehrerer Rampensignale mit einem ersten Fehlersignal, um zwischen den verschiedenen Modi zu wechseln.
Optional ist die Steuervorrichtung ausgebildet zum Aufrechterhalten einer Spannung an dem dritten Anschluss an oder über einem vorgegebenen Wert.
Optional ist das erste Fehlersignal proportional zu einer Differenz zwischen einer erfassten Spannung an dem dritten Anschluss und dem vorgegebenen Wert.
Optional ist der Rampengenerator ausgebildet zum Erzeugen eines ersten Rampensignals mit einem ersten Profil, eines zweiten Rampensignals mit einem zweiten Profil und eines dritten Rampensignals mit einem dritten Profil.
Optional variieren das erste und das zweite Profil zwischen einer Basisspannung, einer Zwischenspannung, die niedriger als die Basisspannung ist, und einer Schwellenspannung, die niedriger als die Basisspannung und die Zwischenspannung ist, wobei jedes Profil eine erste, eine zweite und eine dritte Periode aufweist.
Optional nimmt das erste Rampensignal von der Basisspannung zu der Zwischenspannung während der ersten Periode ab, bleibt dann während der zweiten Periode konstant und nimmt von der Zwischenspannung zu einer Schwellenspannung während der dritten Periode ab.
Optional nimmt das zweite Rampensignal von der Zwischenspannung zu der Schwellenspannung während der ersten Periode ab, bleibt dann während der zweiten Periode konstant bei der Basisspannung und nimmt von der Basisspannung zu der Zwischenspannung während der dritten Periode ab.
Optional nimmt das dritte Profil während einer vierten Periode zu.
Optional ist die Steuervorrichtung ausgebildet zum Schließen des Bypass-Schalters, um den Schaltwandler als einen Einzel-Eingang-Einzel-Ausgang-Abwärtswandler zu betreiben, wenn das erste Fehlersignal kleiner als die Schwellenspannung ist.
Optional ist die Steuervorrichtung ausgebildet zum Öffnen des Bypass-Schalters und des Umschaltschalters, um den Schaltwandler als einen Einzel-Eingang-Dual-Ausgang-Abwärtswandler zu betreiben, wenn das erste Fehlersignal zwischen der Zwischenspannung und der Schwellenspannung ist.
Optional ist die Steuervorrichtung ausgebildet zum Öffnen des Bypass-Schalters und Schließen des Umschaltschalters, um den Schaltwandler als einen Dual-Eingang-Dual-Ausgang-Abwärtswandler zu betreiben, wenn das erste Fehlersignal zwischen der Zwischenspannung und der Basisspannung ist.
Optional ist die Steuervorrichtung ausgebildet zum Öffnen des Bypass-Schalters und Schließen des Umschaltschalters, um den Schaltwandler als einen Dual-Eingang-Dual-Ausgang-Buck-Boost- bzw. Abwärts-Aufwärts-Wandler zu betreiben, wenn das erste Fehlersignal größer als die Basisspannung ist.
Optional weist der erste Satz von Schaltern einen ersten Schalter auf, der mit einem zweiten Schalter an einem ersten Schaltknoten gekoppelt ist; und wobei der zweite Satz von Schaltern einen dritten Schalter aufweist, der mit einem vierten Schalter an einem zweiten Schaltknoten gekoppelt ist.
Optional weist die Leistungsverwaltungsschaltung einen fünften Schalter auf, der zwischen dem zweiten Schaltknoten und dem dritten Anschluss gekoppelt ist.
Optional ist die Steuervorrichtung ausgebildet zum Erzeugen eines zweiten Fehlersignals basierend auf einer Differenz zwischen der Spannung an dem zweiten Anschluss und einem Referenzsignal.
Optional ist die Steuervorrichtung ausgebildet zum Vorsehen des Induktorstroms an den zweiten Anschluss, wenn das zweite Fehlersignal größer als das erste Fehlersignal ist, und zum Vorsehen des Induktorstroms an den dritten Anschluss, wenn das zweite Fehlersignal kleiner als das erste Fehlersignal ist.
Optional weist die Steuervorrichtung eine Batterieladegerät-Steuervorrichtung, die ausgebildet ist zum Erzeugen des zweiten Fehlersignals, einen Komparator, der ausgebildet ist zum Vergleichen des ersten und zweiten Fehlersignals, einen Treiber und eine Speichervorrichtung auf.
Optional weist die Leistungsverwaltungsschaltung einen Stromanpasser auf, der mit dem zweiten Anschluss gekoppelt ist, wobei der Stromanpasser ausgebildet ist zum Steuern eines Stroms zum Laden der Batterie.
Optional weist der Stromanpasser einen Stromspiegel auf, der mit einer Referenzschaltung gekoppelt ist, die ausgebildet ist zum Vorsehen einer Referenzbatteriespannung.
Optional weist der Stromanpasser einen Differenzverstärker auf, der ausgebildet ist zum Steuern des durch den Stromspiegel fließenden Stroms basierend auf der Referenzbatteriespannung.
Optional ist die Steuervorrichtung ausgebildet zum Betreiben des Schaltwandlers in einem Abwärts-Aufwärts-Modus, wenn eine Spannung an den ersten Anschluss geliefert wird.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung ist ein Verfahren zum Verwalten einer Leistung vorgesehen, das ein Vorsehen eines Schaltwandlers, der einen ersten Satz von Schaltern, die mit einem ersten Anschluss zum Empfangen einer Eingangsspannung gekoppelt sind; einen zweiten Satz von Schaltern, die mit einem zweiten Anschluss zum Koppeln mit einer Batterie gekoppelt sind; einen Bypass-Schalter, der zwischen dem zweiten Anschluss und einem dritten Anschluss zum Koppeln mit einer Last gekoppelt ist; einen einzelnen Induktor, der zwischen einem ersten Schaltknoten des ersten Satzes von Schaltern und einem zweiten Schaltknoten des zweiten Satzes von Schaltern vorgesehen ist; und einen Umschaltschalter, der zwischen dem ersten Schaltknoten und dem zweiten oder dem dritten Anschluss vorgesehen ist, aufweist; Auswählen eines Betriebsmodus durch Ändern eines Zustands von zumindest einem des Bypass-Schalters und des Umschaltschalters aufweist.
Optional weist das Verfahren ein Vorsehen einer Vielzahl von Rampensignalen und ein Vergleichen eines oder mehrerer Rampensignale mit einer Referenz auf, um zwischen den verschiedenen Modi zu wechseln.
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Offenbarung beschriebenen Optionen gelten auch für den zweiten Aspekt der Offenbarung.
Figurenliste
Die Offenbarung wird im Folgenden beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, in denen:

1 ein Diagramm eines Batterieladegeräts mit drei Anschlüssen gemäß dem Stand der Technik ist;
2 ein Diagramm eines anderen Batterieladegeräts mit drei Anschlüssen gemäß dem Stand der Technik ist;
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Laden einer Vorrichtung gemäß der Offenbarung ist;
4 ein Diagramm eines Ladegeräts zum Implementieren des Verfahrens von 3 ist;
5A ein Diagramm ist, das den Betrieb des Ladegeräts von 4 als einen Einzel-Eingang-Einzel-Ausgang(SISO - single input single output)-Abwärts-Aufwärts-Wandler darstellt;
5B ein Zeitdiagramm des Induktorstroms ist, wenn der Regler von 4 als SISO-Abwärtswandler arbeitet;
5C ein Zeitdiagramm des Induktorstroms ist, wenn der Regler von 4 als SISO-Aufwärtswandler arbeitet;
6A ein Diagramm ist, das den Betrieb des Ladegeräts von 4 als einen Einzel-Eingang-Dual-Ausgang(SIDO - single input dual output)-Abwärtswandler darstellt;
6B ein Zeitdiagramm des Induktorstroms ist, wenn der Regler von 4 als SIDO-Abwärtswandler arbeitet;
7A ein Diagramm ist, das den Betrieb des Ladegeräts von 4 als Dual-Eingang-Dual-Ausgang(DIDO - dual input dual output)-Abwärtswandler darstellt;
7B ein Zeitdiagramm des Induktorstroms ist, wenn der Regler von 4 als DIDO-Abwärtswandler arbeitet;
8A ein Diagramm ist, das den Betrieb des Ladegeräts von 4 als DIDO-Abwärts-Aufwärts-Wandler darstellt;
8B ein Zeitdiagramm des Induktorstroms ist, wenn der Regler von 4 als DIDO-Abwärts-Aufwärts-Wandler arbeitet;
9 ein Diagramm einer Steuervorrichtung zum Betreiben der Schaltung von 4 ist;
10A eine Explosionsdarstellung ist, die die Profile von drei Rampensignalen zeigt, die von dem Rampengenerator der Steuervorrichtung von 9 erzeugt werden;
10B eine Darstellung der Rampensignale Vramp-Hil, Vramp-Hi2 und Vramp-Hi3 ist, wie von dem Rampengenerator von 9 erzeugt;
11A ein Wellenformdiagramm der Rampensignalspannungen ist, die von dem Rampengenerator zum Betreiben des Reglers als SISO-Abwärtswandler erzeugt werden;
11B ein Wellenformdiagramm der Rampensignalspannungen ist, die von dem Rampengenerator zum Betreiben des Reglers als SIDO-Abwärtswandler erzeugt werden;
11C ein Wellenformdiagramm der Rampensignalspannungen ist, die von dem Rampengenerator zum Betreiben des Reglers als DIDO-Abwärtswandler erzeugt werden;
11D ein Wellenformdiagramm der Rampensignalspannungen ist, die von dem Rampengenerator zum Betreiben des Reglers als DIDO-Abwärts-Aufwärts-Wandler erzeugt werden;
12A eine Rampengeneratorschaltung zum Erzeugen der Rampe Vramp-Hi3 ist;
12B ein Rampengenerator zum Erzeugen der Rampe Vramp-Hi1 oder Vramp-Hi2 ist;
12C ein Diagramm ist, das den Betrieb des Rampengenerators von 12B darstellt;
13 ein Diagramm einer anderen Steuerschaltung zum Betreiben der Reglerschaltung von 4 als SIDO-Abwärts-Aufwärts-Wandler ist;
14 ein Diagramm ist, das den Betrieb des Ladegeräts von 4 zeigt, wenn durch die Steuervorrichtung von 13 betrieben;
15 eine Simulation des Betriebs des SIDO-Wandlers von 14 ist, die den Übergang von dem Aufwärts-Modus zu dem Abwärts-Aufwärts-Modus und schließlich zu dem Abwärts-Modus darstellt;
16 eine Nahaufnahme der Simulation von 15 bei einem Betrieb in dem Aufwärts-Modus ist;
17 eine Nahaufnahme der Simulation von 15 bei einem Betrieb in dem Abwärts-Aufwärts-Modus ist;
18 eine Nahaufnahme der Simulation von 15 bei einem Betrieb in dem Abwärts-Modus ist;
19 ein Diagramm eines anderen Ladegeräts gemäß der Offenbarung ist;
20 ein Diagramm einer Leistungspfadverwaltungsschaltung zum Betreiben der Reglerschaltung von 19 als SISO-Abwärts-Aufwärts-Wandler ist.

Beschreibung
1 zeigt ein herkömmliches Batterieladegerät mit drei Anschlüssen. Das Ladegerät 100 umfasst einen ersten integrierten Schaltungs-Chip 110, der mit einem zweiten integrierten Schaltungs-Chip 120 verbunden ist. Die erste Schaltung 110 hat einen Eingangsanschluss 105 zum Empfangen einer Spannung VIN, auch als VBUS bezeichnet, von einer externen Spannungsversorgung, wie einem Reiseadapter, einen Prioritätsausgangsanschluss 119 zum Vorsehen eine Spannung VHI und einen Batterieladegerät-Eingangs-/Ausgangs-Anschluss 117 mit einer Spannung VMAIN.
Der erste Chip 110 hat einen Abwärts-Schaltungsteil 112 und einen Abwärts-Aufwärts-Schaltungsteil 114 zum Vorsehen der Spannung VBUS an den zweiten Anschluss (VMAIN). Der erste Chip 110 ist auch vorgesehen mit einem Bypass-Schalter 116 zwischen dem Batterieanschluss 117 und dem Prioritätsanschluss 119 und einem Batterieschalter 118, der zwischen der Batterie und dem Batterieanschluss VMAIN vorgesehen ist.
In Betrieb steuern die Schaltungen 110 und 120 einen Leistungsfluss von dem Eingangsanschluss 105 zu einer Batterie 130 und zu einer Primärlast 140, die an den Prioritätsanschluss 119 angelegt ist, oder von der Batterie 130 zu der Primärlast 140. Die Spannungen an den verschiedenen Anschlüssen folgen spezifischen Anforderungen. Die Spannung VHI an dem Prioritätsausgang 119 muss auf einem Pegel gehalten werden, der gleich oder größer als ein vorgegebener Wert ist, der als VHI_MIN bezeichnet wird. Diese Anforderung hat Vorrang vor allen Leistungsanforderungen an dem Anschluss 117, einschließlich eines Ladens einer leeren Batterie oder eines Aufrechterhaltens einer vollständig geladenen Batterie.
Wenn eine externe Quelle an dem Eingangsanschluss 105 verbunden ist, muss die von der externen Quelle vorgesehene Energie an den Prioritätsanschluss 119 geliefert werden, um sicherzustellen, dass VHI nicht unter VHI_MIN fällt. Unter Bedingungen mit hoher Last kann das Ladegerät die an dem Eingangsanschluss vorgesehene Energie von der Batterie wegleiten und zu dem Prioritätsanschluss 119 umleiten.
Wenn die externe Quelle nicht vorhanden ist, wird Energie von der Batterie zu dem Prioritätsanschluss geliefert, um VHI ≥ VHI_MIN aufrechtzuerhalten. Dies wird erreicht, indem das Ladegerät in einem Bypass-Modus oder in einem Boost- bzw. Aufwärts-Modus betrieben wird. Wenn die Batteriespannung VBAT ≥ VHI_MIN ist, dann wird das Ladegerät in dem Bypass-Modus betrieben, in dem der BYPASS-FET vollständig eingeschaltet ist, was zu dem niedrigsten EIN-Widerstandszustand des Bypass-FETs führt. Wenn alternativ VBAT < VHI_MIN ist, dann wird das Ladegerät in dem Aufwärts-Modus-Betrieb betrieben. In dem Aufwärts-Modus wird der Bypass-FET ausgeschaltet und der Batterie-FET MBATFET wird eingeschaltet. Die Transistoren M7, M8 und der Induktor L3 arbeiten als Aufwärts-wandler, um den Prioritätsanschluss VHI mit Energie von der Batterie zu versorgen.
Wenn die maximal verfügbare Energie von der externen Quelle nicht ausreicht, um VHI ≥ VHI_MIN aufrechtzuerhalten, dann kann Energie gleichzeitig von sowohl der externen Quelle als auch der Batterie bezogen werden, um VHI ≥ VHI_MIN sicherzustellen. Dies wird durch Einschalten der Transistoren MBATFET und MBYPASS erreicht. Wenn zum Beispiel VBAT ≥ VHI_MIN ist, kann die Batterie verwendet werden, um den Prioritätsanschluss zusätzlich zu versorgen.
Zusammenfassend ist die Beziehung zwischen den drei Anschlussspannungen wie folgt:

i) Die an dem Eingangsanschluss vorgesehene Spannung VIN kann größer oder kleiner als die Spannung VMAIN oder die Spannung VHI sein.
ii) VHI muss immer größer oder gleich VHI_MIN sein.
iii) VMAIN kann größer oder kleiner als VHI_MIN sein.
iv) VHI wird gleich VMAIN gehalten, es sei denn, VMAIN ist kleiner als VHI_MIN.

2 zeigt ein kompakteres Ladegerät mit drei Anschlüssen. Im Vergleich zu dem Ladegerät 100 von 1 erfordert das Ladegerät 200 nur zwei Induktoren anstelle von drei. Das Ladegerät 200 ist mit einem Abwärts-Schaltungsteil 210, einem Abwärts-Aufwärts-Schaltungsteil 220, einem Bypass-Schalter 230 zwischen dem Batterieanschluss 217 (VMAIN) und dem Prioritätsanschluss 219 (VHI), einem Batterieschalter 240, der zwischen der Batterie und dem Batterieanschluss vorgesehen ist, und einem Batterie-Aufwärts-Schaltungsteil 250 vorgesehen.
Die Schaltung 200 kann betrieben werden, um die gleichen Ladefunktionen wie das Ladegerät 100 vorzusehen. Zum Beispiel kann der Abwärts-Aufwärts-Schaltungsteil 220 den Batterieanschluss 217 von dem Eingangsanschluss 205 versorgen, während die Batterie-Aufwärts-Schaltung 250 gleichzeitig eine Spannung an den Prioritätsanschluss 219 von dem Batterieanschluss 217 liefert. Wenn VBAT ≥ VHI_MIN ist, können die Abwärts-220 und Abwärts-Aufwärts- 210 -Schaltungsteile verwendet werden, um sowohl den Prioritätsanschluss als auch die Batterie zu versorgen. Dies erfordert, dass die Schalter MBYPASS 230 und MBATFET 240 eingeschaltet sind. Wenn jedoch der Batterie-Aufwärts-Schaltungsteil 250 aktiv ist, ist der Abwärts-Schaltungsteil 210 inaktiv aufgrund des gemeinsam genutzten niedrigseitigen FETs M2. Obwohl die Schaltung 200 in einem einzelnen Chip implementiert werden kann, erfordert sie immer noch zwei Induktoren.
3 ist ein Diagramm eines Verfahrens zum Verwalten der Leistung in einer Leistungsverwaltungsschaltung, wie einem Ladegerät, gemäß der Offenbarung. In Schritt 310 wird eine Schaltwandlerschaltung vorgesehen. Der Schaltwandler hat drei Anschlüsse: einen ersten Anschluss zum Empfangen einer Eingangsspannung, einen zweiten Anschluss zum Koppeln mit einer Batterie und einen dritten Anschluss zum Vorsehen einer Spannung an eine Last. Der Schaltwandler umfasst einen ersten Satz von Schaltern, die mit dem ersten Anschluss gekoppelt sind; einen zweiten Satz von Schaltern, die mit dem zweiten Anschluss gekoppelt sind; einen Bypass-Schalter, der zwischen dem zweiten Anschluss und dem dritten Anschluss gekoppelt ist; einen einzelnen Induktor, der zwischen einem ersten Schaltknoten des ersten Satzes von Schaltern und einem zweiten Schaltknoten des zweiten Satzes von Schaltern vorgesehen ist; und einen Umschaltschalter, der zwischen dem ersten Schaltknoten und dem zweiten oder dritten Anschluss vorgesehen ist.
Der erste Anschluss ist ein Eingangsanschluss zum Empfangen einer Eingangsspannung von einer Spannungsversorgung. Der zweite Anschluss kann entweder ein Eingangsanschluss oder ein Ausgangsanschluss sein, abhängig davon, ob die Batterie als Quelle oder als Last verwendet wird. Der dritte Anschluss ist ein Ausgangsanschluss, der verwendet werden kann zum Vorsehen einer Spannung an eine Systemlast, wie die Schaltungen einer mobilen Vorrichtung.
In Schritt 320 wird ein Betriebsmodus ausgewählt, indem ein Zustand von zumindest einem des Bypass-Schalters und des Umschaltschalters geändert wird. Die Konfiguration der den Schaltregler bildenden Schalter kann geändert werden, um den Schaltregler in verschiedenen Modi zu betreiben, zum Beispiel als SISO-Abwärtswandler, SIDO-Abwärtswandler, DIDOAbwärtswandler oder DIDO-Abwärts-Aufwärts-Wandler. Das vorgeschlagene Verfahren ist vorteilhaft, da es ein Vorsehen von Leistung an eine Systemlast unter Verwendung eines einzelnen Induktors ermöglicht.
4 ist ein Diagramm einer Leistungsverwaltungsschaltung mit drei Anschlüssen, die auch als Ladegerät zum Implementieren des Verfahrens von 3 bezeichnet wird. Das Ladegerät 400 umfasst einen Schaltwandler 410, der mit einer Steuervorrichtung 420 gekoppelt ist, um den Schaltwandler in einer Vielzahl von Betriebsbereichen oder Betriebsmodi zu betreiben.
Der Schaltwandler, der auch als Reglerschaltung 410 bezeichnet wird, hat drei Anschlüsse oder Ports: einen ersten Anschluss 412, einen zweiten Anschluss 414 und einen dritten Anschluss 416. Der erste Anschluss 412, der auch als Eingangsanschluss bezeichnet wird, ist konfiguriert zum Empfangen einer Spannung von einer externen Spannungsversorgung, nicht gezeigt. Der zweite Anschluss 414, der auch als Batterieanschluss bezeichnet wird, ist konfiguriert zum entweder Laden einer Batterie 430 oder zum Beziehen von Energie von dieser. Die Batterie 430 kann die Batterie einer Vorrichtung extern zu dem Ladegerät sein, wie ein Mobiltelefon. Der dritte Anschluss 416, der auch als Prioritätsanschluss bezeichnet wird, ist konfiguriert zum Vorsehen einer Spannung VHI an eine Last 440. Die Last 440 kann eine integrierte Leistungsverwaltungsschaltung (PMIC - power management integrated circuit) sein zum Verwalten der Leistung eines Prozessors der externen Vorrichtung.
Die Schaltwandlerschaltung 400 umfasst einen ersten Satz von Schaltern M1, M2, die mit dem Eingangsanschluss 412 gekoppelt sind, und einen zweiten Satz von Schaltern M5, M6, die mit dem zweiten Anschluss 414 und dem dritten Anschluss 416 gekoppelt sind. Der zweite Satz von Schaltern ist mit dem dritten Anschluss 416 über einen Bypass-Schalter MBYPASS (M4) gekoppelt. Der erste Satz von Schaltern ist durch eine Halbbrücke vorgesehen, die durch den Schalter M1 gebildet wird, der zwischen dem Eingangsanschluss 412 und einem ersten Schaltknoten LX1 vorgesehen ist, und den Schalter M2, der zwischen dem ersten Schaltknoten LX1 und Masse vorgesehen ist. In ähnlicher Weise ist der zweite Satz von Schaltern durch eine andere Halbbrücke vorgesehen, die durch den Schalter M6 gebildet wird, der zwischen dem zweiten Anschluss 414 und einem zweiten Schaltknoten LX2 vorgesehen ist, und den Schalter M5, der zwischen dem zweiten Schaltknoten LX2 und Masse vorgesehen ist. Zwischen den Schaltknoten LX1 und LX2 ist ein Induktor L vorgesehen. Der Bypass-Schalter MBYPASS (M4) ist zwischen dem zweiten Anschluss 414 und dem dritten Anschluss 416 gekoppelt. Ein Umschaltschalter M7 ist zwischen dem ersten Schaltknoten LX1 und dem zweiten Anschluss 414 vorgesehen. Ein Schalter M8 ist zwischen dem zweiten Schaltknoten LX2 und dem dritten Anschluss 416 vorgesehen. Ein Batterieschalter MBATFET (M3) kann zwischen dem zweiten Anschluss 414 und der Batterie 430 vorgesehen sein.
In diesem beispielhaften Ausführungsbeispiel ist der Schalter M1 durch zwei Transistoren M1A und M1B vorgesehen, die in einer Back-to-Back-Konfiguration verbunden sind. Zum Beispiel können M1A und M1B MOSFETs vom N-Typ sein. Der Drain des ersten Transistors M1A ist mit dem Drain des zweiten Transistors M1B verbunden, so dass die Körperdiode des Transistors M1A der Körperdiode des Transistors M1B zugewandt ist. Die Verwendung von zwei Schaltern in einer Back-to-Back-Konfiguration verhindert, dass ein Strom zu dem Eingangsanschluss fließt, während der Schalter M1 offen ist. Dies verhindert eine Beschädigung des Anschlusses, insbesondere bei Hochspannungsanwendungen. In ähnlicher Weise wird der Schalter M6 von zwei Transistoren M6A und M6B vorgesehen, die in einer Back-to-Back-Konfiguration verbunden sind, und der Schalter M7 wird ebenfalls von zwei Transistoren M7A und M7B vorgesehen, die in einer Back-to-Back-Konfiguration verbunden sind. Die Transistoren M6A, M6B, M7A und M7B können auch als MOSFETs des N-Typs implementiert werden.
Die Steuervorrichtung 420 ist ausgebildet ist zum Erzeugen einer Vielzahl von Steuersignalen zum Steuern der Schalter des Schaltwandlers 410. Es sind acht Steuersignale vorgesehen, die mit CI_1 bis CI_8 bezeichnet sind, um die Schalter M1 bis M8 zu steuern. Die Steuervorrichtung 420 umfasst einen Rampengenerator (nicht gezeigt), der konfiguriert ist zum Vorsehen einer Vielzahl von Rampensignalen und zum Vergleichen eines oder mehrerer Rampensignale mit einer Referenz, um zwischen verschiedenen Betriebsmodi zu wechseln.
In Betrieb ist die Steuervorrichtung 420 konfiguriert zum Auswählen eines Betriebsbereichs oder Betriebsmodus basierend auf den Werten der Spannungen VIN, VHI und VMAIN, die an dem ersten, zweiten bzw. dritten Anschluss vorgesehen sind. Wenn VHI = VMAIN ist, kann die Steuervorrichtung 420 die Reglerschaltung 410 als einen Einzel-Eingang-Einzel-Ausgang(SISO - single input single output)-Abwärts-Aufwärts-Wandler betreiben, als erster Modus bezeichnet. Wenn VHI ≥ VMAIN ist, kann die Steuervorrichtung 420 die Reglerschaltung 410 als einen Einzel-Eingang-Dual-Ausgang(SIDO - single input dual output)-Abwärtswandler betreiben, als zweiter Modus bezeichnet. Wenn VHI > VMAIN ist, kann die Steuervorrichtung 420 die Reglerschaltung 410 entweder als Dual-Eingang-Dual-Ausgang(DIDO - dual input dual output)-Abwärtswandler, als dritter Modus bezeichnet, oder als DIDO-Abwärts-Aufwärts-Wandler betreiben, als vierter Modus bezeichnet.
5A ist ein Diagramm, das den Betrieb des Ladegeräts von 4 in dem ersten Modus darstellt. In dem ersten Modus ist die Reglerschaltung als Abwärts-Aufwärts-Wandler mit einem Eingang und einem Ausgang konfiguriert. Der erste Anschluss 412 empfängt die Spannung VIN und der zweite und dritte Anschluss 414 und 416 haben die gleiche Spannung VMAIN = VHI. Die Schalter M7 und M8 sind ausgeschaltet (offen), während die Schalter M3 und M4 eingeschaltet (geschlossen) sind. Die Schalter M1, M2, M5 und M6 werden betätigt, um den Induktor L zu magnetisieren und zu entmagnetisieren, um Energie von dem Eingangsanschluss 412 sowohl zu dem zweiten als auch zu dem dritten Anschluss 414 bzw. 416 zu verteilen.
In dem ersten Betriebsmodus VMAIN ≥ VHI_MIN und die Steuervorrichtung erzwingt durch Einschalten des Bypass-Schalters M4, dass VMAIN und VHI gleich sind. Der Regler kann als Abwärts- oder Aufwärtswandler arbeiten, abhängig von dem Pegel von VIN. Wenn VIN > VMAIN = VHI, arbeitet der Regler als Abwärtswandler. Wenn jedoch VIN < VMAIN = VHI ist, dann arbeitet der Regler als Aufwärtswandler.
5B zeigt die Variation des Induktorstroms, wenn der Regler als SISO-Abwärtswandler arbeitet. Der Induktor L wird zuerst unter Verwendung eines durch M1, L, M6 gebildeten Pfades magnetisiert und dann unter Verwendung eines durch M2, L, M6 gebildeten Pfades entmagnetisiert. Der Induktorstrom steigt während der Magnetisierungsperiode mit einer Steigung SM = (VIN-VMAIN/L) an und nimmt während der Entmagnetisierungsperiode mit einer Steigung SD = -VMAIN/L ab.
5C zeigt die Variation des Induktorstroms, wenn der Regler als SISO-Aufwärtswandler arbeitet. Der Induktor L wird zuerst unter Verwendung eines durch M1, L, M5 gebildeten Pfades (M2 und M6 sind ausgeschaltet) magnetisiert und dann unter Verwendung eines durch M1, L, M6 gebildeten Pfades (M2 und M5 sind ausgeschaltet) entmagnetisiert. Der Induktorstrom steigt während der Magnetisierungsperiode mit einer Steigung SM = (VIN/L) an und nimmt während der Entmagnetisierungsperiode mit einer Steigung SD = (VIN-VMAIN)/L ab.
6A ist ein Diagramm, das den Betrieb des Ladegeräts von 4 in dem zweiten Modus darstellt. In dem zweiten Betriebsmodus ist VMAIN < VHI_MIN. Die Steuervorrichtung schaltet den Bypass-Schalter M4 aus, wodurch zwei unabhängige Ausgänge 414 und 416 erstellt werden. In diesem Fall arbeitet das System als ein Abwärtswandler mit einem Eingang (VIN) und zwei Ausgängen (VHI & VMAIN). Die Schalter M5, M7 und M4 sind ausgeschaltet (offen), während der Schalter M3 eingeschaltet (geschlossen) ist. Die Schalter M1, M2, M6 und M8 werden betätigt, um den Induktor L zu magnetisieren und zu entmagnetisieren, um Energie von dem Eingangsanschluss 412 sowohl zu dem zweiten als auch zu dem dritten Anschluss 414 bzw. 416 zu verteilen. Das Steuerschema leitet den Induktorstrom während des Entmagnetisierungsintervalls zwischen den zwei Ausgängen. Die Steuervorrichtung priorisiert ein Liefern von Leistung an den dritten Anschluss 416 (VHI) gegenüber dem zweiten Anschluss 414 (VMAIN).
6B zeigt die Variation des Induktorstroms während eines Schaltzyklus, wenn der Regler als SIDO-Abwärtswandler arbeitet. Zu Beginn des Zyklus hat der Induktorstrom einen Anfangswert IL0. Der Induktorstrom variiert dann während des Schaltzyklus, bevor er an dem Ende des Schaltzyklus auf den Anfangswert IL0 zurückkehrt. Während einer ersten Periode TM1 wird der Induktor L unter Verwendung eines durch M1, L, M6 gebildeten Pfades (M2, M5 und M8 sind ausgeschaltet) magnetisiert. Der Induktorstrom steigt während der Magnetisierungsperiode mit einer Steigung SM = (VIN-VMAIN)/L an. Während einer zweiten Periode TD1 wird der Induktor dann unter Verwendung eines durch M2, L, M6 gebildeten ersten Entmagnetisierungspfades (M1, M5 und M8 sind ausgeschaltet) entmagnetisiert. Der Induktorstrom nimmt mit einer Steigung SD1 = -VMAIN/L ab. Während einer dritten Periode TD2 wird der Induktor unter Verwendung eines durch M2, L, M8 gebildeten zweiten Entmagnetisierungspfades (M1, M5 und M6 sind ausgeschaltet) entmagnetisiert. Der Induktorstrom nimmt mit einer Steigung SD2 = -VH1/L ab. Die Steuervorrichtung passt die Induktormagnetisierungszeit TM1 an, um die Energieanforderungen für den zweiten Anschluss 414 (VMAIN) zu erfüllen. Die Steuervorrichtung passt auch die relativen Dauern der Entmagnetisierung TD1 und TD2 an, um die Energieanforderungen für den dritten Anschluss 416 (VHI) zu erfüllen.
7A ist ein Diagramm, das den Betrieb des Ladegeräts von 4 in einem dritten Modus darstellt. In dem dritten Modus ist die Reglerschaltung als Dual-Eingang-Dual-Ausgang(DIDO)-Abwärtswandler konfiguriert. Der erste Anschluss 412 empfängt die Spannung VIN, der zweite Anschluss 414 hat eine Spannung VMAIN und der dritte Anschluss 416 hat eine Spannung VHI > VMAIN. Die Schalter M4 und M5 sind ausgeschaltet (offen), während der Schalter M3 eingeschaltet (geschlossen) ist. Die Schalter M1, M2, M6, M7 und M8 werden betätigt, um den Induktor L zu magnetisieren und zu entmagnetisieren, um Energie von dem Eingangsanschluss 412 sowohl zu dem zweiten als auch zu dem dritten Anschluss 414 bzw. 416 zu verteilen.
7B zeigt die Variation des Induktorstroms während eines Schaltzyklus, wenn der Regler als DIDO-Abwärtswandler arbeitet. Während einer ersten Periode TM1 wird der Induktor L unter Verwendung eines durch M1, L, M6 gebildeten Pfades magnetisiert (M2, M5 und M8 sind ausgeschaltet). Der Induktorstrom steigt mit einer Steigung SM = (VIN-VMAIN)/L an. Energie wird von dem ersten Anschluss 412 zu dem zweiten Anschluss 414 geliefert. Während einer zweiten Periode TD1 wird der Induktor unter Verwendung eines ersten Entmagnetisierungspfades entmagnetisiert, der durch M2, L, M8 gebildet wird (M1, M5, M6 und M7 sind ausgeschaltet). Der Induktorstrom nimmt mit einer Steigung SD1 = -VHI/L ab. Die in dem Induktor gespeicherte Energie wird an den dritten Anschluss 416 geliefert. Während einer dritten Periode TD2 wird der Induktor unter Verwendung eines anderen Entmagnetisierungspfades entmagnetisiert, der durch M7, L, M8 gebildet wird (M1, M2, M5 und M6 sind ausgeschaltet). Der Induktorstrom nimmt mit einer Steigung SD2 = (VMAIN-VHI)/L ab. Energie wird von der Batterie an den dritten Anschluss 416 geliefert.
8A ist ein Diagramm, das den Betrieb des Ladegeräts von 4 in einem vierten Modus darstellt. In dem vierten Modus ist die Reglerschaltung als DIDO-Abwärts-Aufwärts-Wandler konfiguriert. Der erste Anschluss 412 empfängt die Spannung VIN, der zweite Anschluss 414 hat eine Spannung VMAIN und der dritte Anschluss 416 hat eine Spannung VHI > VMAIN. Die Schalter M2 und M4 sind ausgeschaltet (offen), während der Schalter M3 eingeschaltet (geschlossen) ist. Die Schalter M1, M5, M6, M7 und M8 werden betätigt, um den Induktor L zu magnetisieren und zu entmagnetisieren, um Energie von dem Eingangsanschluss 412 sowohl zu dem zweiten als auch zu dem dritten Anschluss 414 bzw. 416 zu verteilen.
8B zeigt die Variation des Induktorstroms während eines Schaltzyklus, wenn der Regler als DIDO-Abwärts-Aufwärts-Wandler arbeitet. Während einer ersten Periode TM1 wird der Induktor L unter Verwendung eines Magnetisierungspfades magnetisiert, der durch M1, L, M6 gebildet wird (M2, M5, M7 und M8 sind ausgeschaltet). Der Induktorstrom steigt mit einer Steigung SM1 = (VIN-VMAIN)/L an. Energie wird von dem ersten Anschluss 412 zu dem zweiten Anschluss 414 geliefert. Während einer zweiten Periode TM2 wird der Induktor unter Verwendung eines anderen Magnetisierungspfades magnetisiert, der durch M7, L, M5 gebildet wird (M1, M2, M6 und M8 sind ausgeschaltet). Energie wird von der Batterie geliefert, um den Induktor weiter zu magnetisieren. Der Induktorstrom steigt mit einer Steigung SM2 = VMAIN/L an. Während einer dritten Periode TD1 wird der Induktor unter Verwendung eines durch M7, L, M8 gebildeten Entmagnetisierungspfades entmagnetisiert (M1, M2, M5 und M6 sind ausgeschaltet). Der Induktorstrom nimmt mit einer Steigung SD = (VMAIN-VHI)/L ab. Energie wird von dem zweiten Anschluss 414 zu dem dritten Anschluss 416 geliefert. Zusammenfassend wird also die Energie von dem Eingangsanschluss 412 zuerst zu der Batterie übertragen, dann von der Batterie zurück zu dem Induktor und schließlich zu dem dritten Anschluss 416 übertragen.
9 ist ein Diagramm einer beispielhaften Steuervorrichtung zum Betreiben der Schaltung von 4. Die Steuervorrichtung 900 umfasst einen ersten Rampengenerator 905 zum Erzeugen von zwei Rampensignalen, die als boost ramp und buck ramp bezeichnet werden, und einen zweiten Rampenkomparator 930 zum Erzeugen der Rampensignale Vramp_Hi1, Vramp_Hi2 und Vramp_Hi3. Die Steuervorrichtung 900 ist auch mit ersten und zweiten Differenzverstärkern 920 und 925 und fünf Komparatoren, bezeichnet mit 910, 915, 952, 954 und 956, vorgesehen.
Der erste Differenzverstärker 920 hat einen ersten Eingang zum Empfangen einer Referenzspannung REF_VDD_Main, einen zweiten Eingang zum Empfangen einer Spannung VDD_Main und einen Ausgang zum Vorsehen eines Fehlersignals Verror_Main. Der zweite Differenzverstärker 925 hat einen ersten Eingang zum Empfangen einer Referenzspannung REF_VDD_HI, einen zweiten Eingang zum Empfangen einer Spannung VDD_HI und einen Ausgang zum Vorsehen eines Fehlersignals Verror_HI.
Der erste Komparator 910 hat einen ersten Eingang zum Empfangen der Fehlerspannung Verror_Main, einen zweiten Eingang zum Empfangen des Rampensignals Boost ramp und einen Ausgang zum Vorsehen eines PWM-Signals PWM Boost. Der zweite Komparator 915 hat einen ersten Eingang zum Empfangen der Fehlerspannung Verror_Main, einen zweiten Eingang zum Empfangen der Rampensignals Buck ramp und einen Ausgang zum Vorsehen eines PWM-Signals PWM Buck, das dem Steuersignal CL1 entspricht. Ein Inverter 916 ist zum Invertieren von PWM Buck vorgesehen, um das Steuersignal CL2 zu erhalten. Der dritte Komparator 952 hat einen ersten Eingang zum Empfangen der Fehlerspannung Verror_HI, einen zweiten Eingang zum Empfangen des Rampensignals Vramp_HI3 und einen Ausgang zum Vorsehen eines PWM-Signals PWM_HI_Boost. Ein ODER-Logikgatter 942 ist vorgesehen, um das Steuersignal CL5 basierend auf den PWM-Signalen PWM Boost und PWM_HI_Boost zu erzeugen, die an seinen Eingängen vorgesehen sind. Der vierte Komparator 954 hat einen ersten Eingang zum Empfangen der Fehlerspannung Verror_HI, einen zweiten Eingang zum Empfangen des Rampensignals Vramp_Hl1 und einen Ausgang, der mit einem ersten Eingang des UND-Gatters 962 und einem ersten Eingang des ODER-Gatters 964 gekoppelt ist. Der fünfte Komparator 956 hat einen ersten Eingang zum Empfangen der Fehlerspannung Verror_HI, einen zweiten Eingang zum Empfangen des Rampensignals Vramp_HI2 und einen Ausgang, der mit einem zweiten Eingang des UND-Gatters 962 und einem zweiten Eingang des ODER-Gatters 964 gekoppelt ist.
Ein NOR-Logikgatter 968 ist vorgesehen, um ein Entmagnetisierungssignal DEMAG basierend auf den Signalen PWM_HI_Boost und PWM_Buck zu erzeugen. Das DEMAG-Signal wird von den UND-Gattern 966 und 967 empfangen, um PWM-Signale PWM_HI_AND basierend auf dem Ausgang des UND-Gatters 962 und .PWM_HI_OR basierend auf dem Ausgang des ODER-Gatters 964 zu erzeugen. Das Signal PWM_HI_OR entspricht CL8. Ein weiteres ODER-Logikgatter 946 ist vorgesehen, um ein Steuersignal CL7 basierend auf PWM-Signalen PWM_HI_Boost und PWM_HI_AND zu erzeugen, die an seinen Eingängen vorgesehen sind. Ein weiteres ODER-Logikgatter 948 ist vorgesehen, um das Steuersignal CL6 basierend auf den an seinen Eingängen vorgesehenen PWM-Signalen PWM_Boost und PWM_HI_OR zu erzeugen.
Die Steuersignale CL3 und CL4 zum Steuern der Schalter M3 und M4 können unter Verwendung herkömmlicher Techniken erzeugt werden, die zu dem Beispiel in herkömmlichen Ladegeräten verwendet werden.
10A ist ein Wellenformdiagramm, das die Profile von drei Rampensignalen 1010, 1020 und 1030 zeigt, die von dem Rampengenerator 930 der Steuervorrichtung von 9 erzeugt werden. Zur Verdeutlichung sind die Rampensignale entlang der Amplitudenachse verschoben.
Das erste Signal 1010, das als Vramp-Hi1 bezeichnet wird, ist ein Ramp-Down-Signal. Vor dem Zeitpunkt t0 ist das Signal 1010 auf einer Basisspannung Vbase, die auch als Sockelspannung bezeichnet wird. Zwischen den Zeitpunkten t0 und t2 nimmt das Rampensignal linear bis zu der Zwischenspannung Vint ab und bleibt dann zwischen t2 und t3 konstant. Zwischen den Zeitpunkten t3 und t5 nimmt das Rampensignal linear bis zu einem minimalen Schwellenwert Vmin ab, bevor es an dem Zeitpunkt t5 zu Vbase zurückkehrt.
Das zweite Signal 1020 wird als Vramp-Hi2 bezeichnet. Vramp-Hi2 hat das gleiche Profil wie Vramp-Hil, ist jedoch um 180° phasenverschoben. Vor t0 ist das Rampensignal 1020 auf dem Zwischenpegel Vint (zwischen Vmin und Vbase). Zwischen den Zeitpunkten t0 und t2 nimmt Vramp-Hi2 linear bis auf Vmin ab. An dem Zeitpunkt t2 steigt Vramp-Hi2 sofort auf Vbase an und bleibt zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 konstant. Das Rampensignal 1020 nimmt dann linear ab, um seinen ursprünglichen Wert Vint an dem Zeitpunkt t5 zu erreichen.
Das dritte Signal 1030, das als Vramp-Hi3 bezeichnet wird, ist ein dreieckiges Ramp-Up-Signal. Vor dem Zeitpunkt t0 ist der Signalpegel auf der Basisspannung Vbase. Zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 steigt das Signal 1030 linear an und kehrt an dem Zeitpunkt t1 zu Vbase zurück. Zwischen den Zeitpunkten t1 und t3 bleibt Vramp-Hi3 bei Vbase. Dann steigt das Signal zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 wieder an.
Die Amplituden der Rampensignale 1010, 1020 und 1030 können abhängig von den Betriebsanforderungen variieren. Die Minimumspannung Vmin wird durch Vint minus der Höhe von Vramp-Hi2 bestimmt. Die Zwischensockelspannung Vint ist gleich Vbase minus der Höhe von Vramp_Hi1. Die Zwischenspannung Vint kann gleich Vmin + (Vbase-Vmin)/2 sein. Zum Beispiel können Vbase, Vint und Vmin die folgenden Werte von 2V, 1,5V bzw. 1V haben.
10B zeigt die Rampensignale Vramp-Hil, Vramp-Hi2 und Vramp-Hi3, überlagert wie durch den Rampengenerator 930 von 9 erzeugt.
11 (A, B, C, D) zeigt die Erzeugung der Rampensignalspannungen, wenn die Reglerschaltung in Bereich 1 (Modus 1), Bereich 2 (Modus 2), Bereich 3 (Modus 3) beziehungsweise Bereich 4 (Modus 4) betrieben wird. Die Steuervorrichtung von 9 erzeugt ein Fehlersignal Verror_Hi, das eine Funktion der Differenz zwischen der Referenzspannung VHI_MIN (in 9 als REF_VDD_HI gezeigt) und einem Rückkopplungssignal VHI_fbk (in 9 als VDD_HI gezeigt) ist. Das Fehlersignal Verror_Hi wird erst aktiv, wenn VHI unter VHI_MIN fällt.
Wenn die Fehlerspannung Verror_Hi unter der Minimumrampenspannung Vmin ist, wird der Regler in dem ersten Modus (Bereich 1) betrieben. In dem ersten Modus werden die Schaltzustände durch ein Rampensignal Vramp_Lo und ein Fehlersignal Verror_Lo gesteuert (nicht gezeigt). Die Rampensignale Vramp-Hi1 und Vramp-Hi2 müssen Vmain nicht regeln und können in einem statischen Zustand gehalten werden.
Wenn die Fehlerspannung Verror_Hi zwischen Vmin und der Zwischenspannung Vint liegt, wird der Regler in dem zweiten Modus (Bereich 2) betrieben. Der Rampengenerator erzeugt die Rampensignale Vramp-Hi1 und Vramp-Hi2. Während des Arbeitszyklus von VMAIN, der der Ein-Zeit von CL1 und CL6 (Magnetisierungsperiode TM1) entspricht, bleiben die Rampensignale auf einem konstanten Wert Vbase oder Vint.
Wenn die Fehlerspannung Verror_Hi zwischen Vint und Vbase ist, wird der Regler in dem dritten Modus (Bereich 3) betrieben. Der Rampengenerator erzeugt die Rampensignale Vramp-Hi1 und Vramp-Hi2.
Wenn die Fehlerspannung Verror_Hi über Vbase ist, wird der Regler in dem vierten Modus (Bereich 4) betrieben. Der Rampengenerator erzeugt die Rampensignale Vramp-Hil, Vramp-Hi2 und Vramp-Hi3. Die Rampenspannung Vramp-Hi3 wird am Ende (fallende Flanke) des Arbeitszykluspulses von VMAIN erzeugt.
Bei Betrieb in dem vierten Modus wird die Übertragung von Energie von dem ersten Anschluss 412 zu dem dritten Anschluss 416 in einem zweistufigen Prozess durchgeführt, bei dem erhebliche Energie abgeführt wird. Wenn außerdem VIN < VMAIN < VHI_MIN ist, kann das Ladegerät 400 VHI ≥ VHI_MIN nicht aufrechterhalten. Um diese Einschränkungen zu beseitigen, wird ein alternatives Steuerungsschema unter Bezugnahme auf die folgenden 13-18 vorgestellt.
12A ist eine beispielhafte Schaltung zum Erzeugen des Rampensignals Vramp_Hi3. Die Schaltung 1200A umfasst eine Stromquelle Isource, die in Serie mit einem Rampenkondensator Cramp gekoppelt ist. Ein Rücksetzschalter Mreset ist parallel zu dem Rampenkondensator zu dessen Entladen gekoppelt. Optional kann ein Stromsensor Isense vorgesehen sein, um den von der Stromquelle vorgesehenen Strom zu erfassen. In Betrieb kann der Rücksetzschalter unter Verwendung des in 9 oben beschriebenen PWM-Signals PWM_HI_Boost aktiviert werden.
12B ist eine beispielhafte Schaltung zum Erzeugen des Rampensignals Vramp_Hi1 oder Vramp_Hi2. Die Schaltung 1200B umfasst eine erste Stromquelle Isource1, die über einen Halteschalter M_Hold in Serie mit einem Rampenkondensator Cramp gekoppelt ist. Der Schalter M_Hold hat einen ersten Anschluss, der am Knoten A mit Isource_1 verbunden ist, und einen zweiten Anschluss, der am Knoten B mit Cramp gekoppelt ist. Ein Rücksetzschalter Mreset ist parallel zu dem Rampenkondensator zwischen Knoten B und Masse gekoppelt. Ein weiterer Schalter M_short ist zwischen Knoten A und Masse vorgesehen, um die erste Stromquelle Isource1 kurzzuschließen. Eine zweite Stromquelle Isource2 ist am Knoten C in Serie mit einem Widerstand R gekoppelt. Eine spannungsgesteuerte Stromquelle/-senke, wie ein Operationstranskonduktanzverstärker (OTA - operational transconductance amplifier), ist zwischen Knoten B und Knoten C vorgesehen.
12C zeigt den Betrieb der Schaltung 1200B. In Betrieb empfängt der Halteschalter M_Hold ein Steuersignal. Das Steuersignal kann das Inverse des Signals VMAIN Duty cycle sein, das an dem zweiten Anschluss 414 des Wandlers empfangen wird. Die Halte- und Rücksetzpulse haben eine Ein-Zeitdauer, die gleich der Induktormagnetisierungszeit TM1 ist. Wenn M_hold eingeschaltet (geschlossen) ist, ist M_short ausgeschaltet (offen) und Cramp lädt. Wenn M_hold ausgeschaltet ist, ist M_short eingeschaltet und kein Strom wird an Cramp geliefert. Die Spannung Vramp an dem Knoten B steuert einen Strom Isink zwischen dem Knoten C und Masse, so dass Isink = Vramp * Gm ist, wobei Gm die Transkonduktanz des OTA ist. Dies steuert die Spannung an dem Knoten C, der Vramp_Hi1 oder Vramp_Hi2 vorsieht.
13 zeigt ein Diagramm einer Steuerschaltung zum Betreiben der Reglerschaltung als SIDO-Abwärts-Aufwärts-Wandler. Die Steuervorrichtung 1300 umfasst eine Batterieladegerät-Steuervorrichtung 1310, eine erste und eine zweite PWM-Steuervorrichtung 1320 und 1330, einen Multiplexer 1340, einen Treiber 1350 und eine Speichervorrichtung 1360.
Ein erster Fehlerverstärker, wie ein Differenzverstärker EA1, ist vorgesehen, um die Spannung VHI an dem dritten Anschluss 416 mit einer Referenzspannung VHI_MIN zu vergleichen, um ein Fehlersignal Verror_HI zu erzeugen. Die Batterieladegerät-Steuervorrichtung 1310 umfasst drei Fehlerverstärker EA2, EA3 und EA4. Der Ausgang jedes Fehlerverstärkers EA2, EA3, EA4 ist über eine entsprechende Diode D2, D3 bzw. D4 mit dem Ausgang des Batterieladegeräts an Knoten A verbunden. Zum Beispiel ist der Ausgang von EA2 über die Diode D2 mit dem Knoten A verbunden.
Der Differenzverstärker EA2 ist vorgesehen zum Vergleichen der Spannung VMAIN (Batterieanschlussspannung) an dem zweiten Anschluss 414 mit einer Referenzspannung CV_REF, um ein Fehlersignal EA_error2 zu erzeugen. Der Differenzverstärker EA3 ist vorgesehen zum Vergleichen des an dem ersten Anschluss 412 vorgesehenen Eingangsstroms IIN_SNS mit einem maximalen Eingangsstrom MAX_IIN_REF, um ein Fehlersignal EA_error3 zu erzeugen. Der Differenzverstärker EA4 ist vorgesehen zum Vergleichen des Batterieladestroms IBAT_SNS mit einem Referenzstrom CC_REF, um ein Fehlersignal EA_error4 zu erzeugen.
Ein Komparator COMP1 hat einen ersten Eingang, zum Beispiel einen nicht-invertierenden Eingang, der mit dem Ausgang des ersten Differenzverstärkers EA1 gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang, zum Beispiel einen invertierenden Eingang, der mit dem Ausgang der Batterieladegerät-Steuervorrichtung 1310 gekoppelt ist. Die Speichervorrichtung 1360 hat einen Dateneingang D zum Empfangen des Ausgangs des Komparators COMP1, einen Takteingang zum Empfangen eines Taktsignals und zwei Ausgänge Q und Q zum Vorsehen von Enabling-Signalen EN_M7 bzw. EN_M6.
Die erste Abwärts-Aufwärts-PWM-Steuervorrichtung 1320 hat einen ersten Eingang zum Empfangen des Ausgangs Verror_HI des ersten Differenzverstärkers EA1, einen zweiten Eingang zum Empfangen eines Taktsignals CLK_BUCK, einen dritten Eingang zum Empfangen eines Taktsignals CLK_BOOST und zwei Ausgänge zum Vorsehen von PWM-Signalen BU_HS_ON_1 bzw. BO-LS-ON-1. In ähnlicher Weise hat die zweite Abwärts-Aufwärts-PWM-Steuervorrichtung 1330 einen ersten Eingang zum Empfangen des Ausgangs Verror_MAIN der Batterieladegerät-Steuervorrichtung 1310, einen zweiten Eingang zum Empfangen des Taktsignals CLK_BUCK, einen dritten Eingang zum Empfangen des Taktsignals CLK_BOOST und zwei Ausgänge zum Vorsehen von PWM-Signalen BU_HS_ON_2 bzw. BO_LS_ON_2.
Der Multiplexer 1340 hat vier Eingänge zum Empfangen der PWM-Signale der PWM-Steuervorrichtungen 1320 und 1330 und zwei Ausgänge zum Vorsehen der Signale M1_ON bzw. M5_ON. An dem Ausgang des Multiplexers 1340 sind zwei Inverter 1342 und 1344 zum Invertieren des Ml_ON-Signais (M2_ON) und des M5_ON-Signals vorgesehen. Zwei UND-Gatter 1362 und 1368 sind an dem Ausgang der Speichervorrichtung 1360 vorgesehen. Das erste UND-Gatter 1362 hat einen ersten Eingang zum Empfangen von EN_M6, einen zweiten Eingang zum Empfangen des Inversen von M5_ON und einen Ausgang zum Vorsehen von M6_ON. Das zweite UND-Gatter 1368 hat einen ersten Eingang zum Empfangen von EN_M7, einen zweiten Eingang zum Empfangen des Inversen von M5_ON und einen Ausgang zum Vorsehen von M7_ON. Der Treiber 1350 hat fünf Eingänge zum Empfangen der Signale M1_ON, M2_ON, M5_ON, M6_ON, M7_ON und fünf Ausgänge zum Vorsehen der Ansteuersignale M1_GATE, M2_GATE, M5_GATE, M6_GATE, M7_GATE.
In Betrieb bewirkt die Steuervorrichtung 1300, dass Energie nur an einen der zwei Ausgänge 414, 416 während eines einzelnen Schaltzyklus geliefert wird. Dies ist im Gegensatz zu der in Bezug auf die 6B, 7B und 8B beschriebene Operation, bei der der Induktorstrom Energie an beide Ausgänge 414 und 416 während eines einzigen Schaltzyklus liefert.
Wenn eine externe Versorgung mit dem ersten Anschluss 412 verbunden ist, um eine Spannung VIN vorzusehen, dann betreibt die Steuervorrichtung 1300 den Regler, um die Induktorenergie zwischen den zwei Ausgängen 414 und 416 zu verteilen. Die Induktorenergie wird daher direkt an den dritten Anschluss 416 übertragen, somit effizienter.
Die Steuervorrichtung 1300 bewirkt, dass der Abwärts-Aufwärts-Wandler zwischen einem Betrieb mit dem dritten Anschluss (VHI) als Ausgang oder dem zweiten Anschluss (VMAIN) als Ausgang wechselt. Die Batterieladegerät-Steuervorrichtung 1310 sieht eine Spannung Verror_MAIN vor. Der Wert von Verror_MAIN wird von dem Fehlerverstärker mit dem niedrigsten Ausgang aus EA_error2, EA_error3 und EA_error4 bestimmt. Die Fehlerverstärker EA1, EA3 und der Komparator COMP1 werden dann verwendet, um zu bestimmen, welcher Anschluss aus dem zweiten und dem dritten Anschluss priorisiert werden soll.
Der Schaltwandler wird entweder durch VHI oder durch VMAIN über die Fehlersignale Verror_HI bzw. Verror_MAIN geregelt. Das Fehlersignal mit dem höchsten Wert steuert die Leistungsstufe. Die Hysterese des Komparators COMP1 und die Bandbreite des Regelkreises bestimmen die Welligkeit jeder Ausgangsspannung. Zum Beispiel können Welligkeiten minimiert werden, indem die Komparatorhysterese reduziert und/oder die Bandbreite der Regelkreise erhöht wird.
14 ist ein Diagramm, das den Betrieb des Ladegeräts von 4 zeigt, wenn es von der Steuervorrichtung von 13 betrieben wird. In diesem Fall ist die Reglerschaltung als SIDO-Abwärts-Aufwärts-Wandler konfiguriert. Der erste Anschluss 412 empfängt die Spannung VIN, der zweite Anschluss 414 hat eine Spannung VMAIN und der dritte Anschluss 416 hat eine Spannung VHI. Die Schalter M4 und M7 sind ausgeschaltet (offen), während der Schalter M3 eingeschaltet ist (geschlossen). Die Schalter M1, M2, M5, M6 und M8 werden betätigt, um den Induktor L zu magnetisieren und zu entmagnetisieren, um Energie von dem Eingangsanschluss 412 entweder an den zweiten Anschluss 414 oder an den dritten Anschluss 416 zu verteilen.
Wenn das Fehlersignal Verror_HI > Verror_MAIN ist, wird der Induktorstrom über den Schalter M8 entlang eines Pfades 1410 an den dritten Anschluss 416 vorgesehen. Wenn das Fehlersignal Verror_HI < Verror_MAIN ist, wird der Induktorstrom an die Batterie 430 an dem zweiten Anschluss 414 entlang eines Pfades 1420 über die Schalter M6 und M3 vorgesehen.
15 ist eine Simulation des Betriebs des SIDO-Wandlers von 14, die den Übergang von dem Aufwärts-Modus zu dem Abwärts-Aufwärts-Modus und schließlich zu dem Abwärts-Modus darstellt. 15 zeigt die Simulationen der Spannungen VIN 1510, VHI 1520 und VMAIN 1530, der Fehlersignale Verror_HI, Verror_MAIN 1540, der Stromlast ILOAD VHI 1550 und des Batteriestroms IBAT 1560. Die folgenden Betriebsbedingungen wurden in der Simulation verwendet: VIN = 2,8 V, 3,7 V und 7 V (Schrittwerte); VHI = 4,35 V; VBAT = 3,15 V; IBAT = 0,5 A; Systemlast = 0,5 A (bei VHI); FSW = 1,5 MHz; L1 = 1 uH; COUT = 80 uF; COMP1-Hysterese = 10 mV.
16 ist eine Nahaufnahme der Simulation von 15 über ein Zeitfenster von etwa 16 µs, wenn der Schaltwandler in dem Aufwärts-Modus arbeitet. Die Simulation zeigt das Enable-Signal 1610 zum Aktivieren des Schalters M8, die Fehlersignale Verror_HI 1620 und Verror_MAIN 1630, den Batteriestrom IBat 1640, die Spannungen VHI_Load 1650, VMAIN 1660, Vbat 1670 und VHI 1680. 16 zeigt, dass der SIDO-Wandler zwischen VMAIN-Regelung und VHI-Regelung wechselt. Die VHI-Regelung findet statt, wenn Verror_MAIN 1630 geringfügig größer als Verror_HI 1620 ist. Die VMAIN-Regelung findet erst statt, nachdem Verror_HI 1620 Verror_MAIN um einen Wert überschritten hat, der durch die Hysteresespannung des Komparators vorgegeben ist (COMP1 in 13).
17 ist eine Nahaufnahme der Simulation von 15 bei einem Betrieb in dem Abwärts-Aufwärts-Modus.
18 ist eine Nahaufnahme der Simulation von 15 bei einem Betrieb in dem Abwärts-Modus.
19 zeigt ein Diagramm eines anderen Ladegeräts. Das Ladegerät 1900 ähnelt dem unter Bezugnahme auf 4 beschriebenen Ladegerät 400, bei dem bestimmte Teile der Schaltung modifiziert wurden. Die Komponenten, die ähnliche Komponenten wie die in 4 dargestellten darstellen, werden mit denselben Referenzen dargestellt und ihre Beschreibung wird der Kürze halber nicht wiederholt. Das Ladegerät 1900 umfasst eine Leistungspfadverwaltungsschaltung, die auch als Stromanpasser 1910 bezeichnet wird, um den Batteriestrom IBAT anzupassen. Im Vergleich zu dem Ladegerät 400 erfordert das Ladegerät 1900 den Schalter M8 nicht und der Batterieschalter M3 ist als Teil der Leistungspfadverwaltungsschaltung 1910 enthalten. Ein weiterer Unterschied liegt in der Kopplung des Schalters M7, der den ersten Schaltknoten LX1 mit dem dritten Anschluss 416 anstelle des zweiten Anschlusses 414 verbindet. Die Steuervorrichtung 1920 ist ausgebildet zum Erzeugen von sieben Steuersignalen mit der Bezeichnung CL_1' bis CL_7' zum Steuern der jeweiligen Schalter M1 bis M7. Die Steuervorrichtung 1920 kann ausgebildet sein zum Betreiben des Schaltwandlers als SISO-Abwärts-Aufwärts-Wandler unter Verwendung des Induktors L und der Schalter M1, M2, M5 und M6. Die Steuervorrichtung 1920 kann auch ausgebildet sein zum Betreiben des Schaltwandlers als einen System-Aufwärts-Wandler unter Verwendung des Induktors L und der Schalter M2, M6 und M7.
Die Schaltung von 19 bietet im Vergleich zu den vorhergehenden Ausführungsbeispielen eine bessere Effizienz, wenn die Batteriespannung VBAT gleich der Anschlussspannung VTERM der Batterie ist. Die Anschlussspannung VTERM entspricht einer maximalen Ladespannung der Batterie. Wenn die Batterie mit einem konstanten Strom geladen wird, steigt ihre Spannung. Wenn VBAT auf die Anschlussspannung VTERM ansteigt, sollte der Ladevorgang gestoppt werden, um ein Überladen der Batterie zu verhindern, was wiederum zu irreversiblen Schäden führen kann. Wenn die Batterie vollständig geladen ist, entspricht VBAT VMAIN.
20 zeigt eine beispielhafte Implementierung einer Leistungspfadverwaltungsschaltung zur Verwendung in dem SISO-Abwärts-Aufwärts-Wandler 1900. Die Leistungspfadverwaltung 2000 umfasst einen Stromspiegel mit einem ersten Ausgang, der mit der Batterie 430 gekoppelt ist, und einem zweiten Ausgang, der über einen Durchlasstransistor MPASS mit Masse gekoppelt ist. Ein erster Differenzverstärker A1 ist vorgesehen, um MPASS zu steuern. Der Stromspiegel ist über einen zweiten Differenzverstärker A2 mit einer Referenzschaltung 2010 gekoppelt.
Der Stromspiegel besteht aus zwei Schaltern, dem Batterieschalter MBATFET (M3) und einem Wiederholungsschalter REPFET. Der Transistor MBATFET hat einen mit VMAIN gekoppelten Drain-Anschluss und einen mit der Batterie 430 am Knoten N1 gekoppelten Source-Anschluss. In ähnlicher Weise hat der Transistor REPFET einen Drain-Anschluss, der mit VMAIN gekoppelt ist, und einen Source-Anschluss, der mit dem Durchlasstransistor MPASS am Knoten N2 gekoppelt ist. Der erste Differenzverstärker A1 hat einen invertierenden Eingang, der mit N1 gekoppelt ist, einen nicht-invertierenden Eingang, der mit N2 gekoppelt ist, und einen Ausgang, der mit dem Gate-Anschluss des Transistors MPASS gekoppelt ist. Der Source-Anschluss des Transistors MPASS ist über einen Widerstand an dem Knoten N3 mit Masse gekoppelt.
Der zweite Differenzverstärker A2 hat einen invertierenden Eingang, der mit dem Source-Anschluss von MPASS am Knoten N3 gekoppelt ist, einen nicht-invertierenden Eingang, der mit dem Ausgang der Referenzschaltung 2010 am Knoten N4 gekoppelt ist, und einen Ausgang, der mit den Gate-Anschlüssen von MBATFET und REPFET gekoppelt ist.
Die Referenzschaltung 2010 umfasst einen Referenzwiderstand RREF, der parallel mit einem Strom-DAC IDAC zwischen dem Knoten N4 und Masse gekoppelt ist, und zwei Differenzverstärker A3 und A4. Der dritte Differenzverstärker A3 hat einen invertierenden Eingang, der mit einer Eingangsstromreferenz IINLIM_REF gekoppelt ist, einen nicht-invertierenden Eingang zum Empfangen des Eingangsstroms IN und einen Ausgang, der mit dem Knoten N4 gekoppelt ist. Ein nicht gezeigter Wärmesensor ist vorgesehen, um eine Spannung THERMAL SENSE proportional zu der Temperatur der Reglerschaltung zu erzeugen. Der vierte Differenzverstärker A4 hat einen invertierenden Eingang, der mit einer Referenzspannung THERMAL_REF gekoppelt ist, einen nicht-invertierenden Eingang zum Empfangen der Spannung THERMAL_SENSE und einen Ausgang, der mit dem Knoten N4 gekoppelt ist.
In Betrieb arbeitet der Regler 1900 entweder in einem Abwärts-Aufwärts-Modus, wenn eine externe Versorgung mit dem ersten Anschluss 412 verbunden ist, oder in einem Bypass/Aufwärts-Modus, wenn keine externe Versorgung vorgesehen ist.
Wenn eine externe Versorgung vorgesehen ist, arbeitet der Regler 1900 in dem Abwärts-Aufwärts-Modus und die Leistungspfadverwaltung 1910 ist in Betrieb. Die Steuervorrichtung 1920 schaltet den Bypass-Schalter M4 MBYPASS vollständig ein, so dass VHI = VMAIN ist, und moduliert den Arbeitszyklus des Abwärts-Aufwärts-Wandlers, um VHI ≥ VHI_MIN aufrechtzuerhalten. Die Spannungen VMAIN und VHI werden so geregelt, dass sie zwischen VHI_MIN und der Ladeanschlussspannung der Batterie VTERM sind; mit VTERM ≥ VHI_MIN.
Wenn VBAT ≥ VHI_MIN ist, wird der Batterieschalter BATFET M3 vollständig eingeschaltet und der Arbeitszyklus moduliert, um entweder i) die Batteriespannung VBAT auf die Ladeanschlussspannung VTERM zu begrenzen, oder ii) den Ladestrom in die Batterie auf dem gewünschten Pegel zu halten. Wenn der Schalter M3 BATFET vollständig eingeschaltet ist, ist die Effizienz des Reglers 1900 besser als der oben beschriebene Regler 1400 oder 400.
Wenn VBAT < VHI_MIN ist, dann wird das Gate des Batterieschalters MBATFET M3 durch die Leistungspfadverwaltung 1910 moduliert, so dass MBATFET als spannungsgesteuerte Stromquelle arbeitet. Der Fehlerverstärker A2 vergleicht die von der Referenzschaltung 2010 vorgesehene Referenzspannung VREF mit der Spannung Vpass an dem Knoten N3 und sieht ein Steuersignal vor zur Steuerung der Gates der Transistoren MBATFET und REP_FET. Die Spannung Vpass ist proportional zu dem Batteriestrom IBAT.
Der Schalter MBYPASS M4 ist vollständig eingeschaltet, so dass VHI = VMAIN. Der mit dem Batterieschalter MBATFET assoziierte Leistungsverlust kann ausgedrückt werden als: $Pdiss (M3) = (VMAIN - VBAT) * IBAT,$
wobei IBAT der Batteriestrom ist.
Wenn VBAT << VH_MIN oder wenn IBAT relativ groß ist, ist Pdiss(M3) signifikant. Infolgedessen sollte IBAT gesteuert werden, um einen Leistungsverlust zu begrenzen.
Die Spannungsreferenz VREF an dem Knoten N4 wird durch Anpassen des durch RREF fließenden Stroms IBAT_REF moduliert. Dies wird unter Verwendung der Fehlerverstärker A3 und A4 erreicht. Der Fehlerverstärker A4 wird verwendet, um den Leistungsverlust unter einem akzeptablen Pegel zu halten, indem die von einem Temperatursensor (nicht gezeigt) erhaltene Temperatur mit einer Referenztemperatur verglichen wird. Der Fehlerverstärker A3 wird verwendet, um sicherzustellen, dass, wenn VBAT < VHI_MIN ist, die Regelung von IBAT nicht Vorrang vor einem Aufrechterhalten von VHI ≥ VHI_MIN hat, wenn die externe Quelle ihren maximalen Ausgangsstrom liefert. Der Fehlerverstärker A3 vergleicht einen erfassten Eingangsstrom mit dem vordefinierten maximalen Strompegel IIN-LIM_REF und sieht einen Ausgang vor, der bewirkt, dass IBAT reduziert wird, wenn der Eingangsstrom über die maximale Schwelle IINLIM_REF ansteigt. Die Stromerfassungsschaltung zum Überwachen des an den Abwärts-Aufwärts-Wandler vorgesehenen Eingangsstroms kann auf verschiedene Arten implementiert werden, die Fachleuten bekannt sind.
Wenn keine externe Versorgung vorhanden ist, arbeitet der Regler 1900 in einem Bypass-Modus (BYPASS FET vollständig eingeschaltet), wenn VBAT ≥ VHI_MIN ist, oder in einem Aufwärts-Modus, wenn VBAT < VHI_MIN. In dem Bypass-Modus sind sowohl der Batterieschalter MBATFET als auch der Bypass-Schalter MBYPASS FET M4 vollständig eingeschaltet. In dem Aufwärts-Modus ist der Batterieschalter MBATFET vollständig eingeschaltet und der Bypass-Schalter MBYPASS ist AUS. Die Steuervorrichtung 1920 regelt VHI, so dass die gleich VHI_MIN ist. In diesem Fall ist M6 die ganze Zeit EIN und die Schalter M2 und M7 werden betätigt, um eine Aufwärts-Funktion vorzusehen. Während des Aufwärts-Betriebs ist die Leistungspfadverwaltung nicht erforderlich und kann deaktiviert werden.
Für Fachleute ist offensichtlich, dass Variationen der offenbarten Anordnungen möglich sind, ohne von der Offenbarung abzuweichen. Dementsprechend erfolgt die obige Beschreibung der spezifischen Ausführungsbeispiele nur auf beispielhafte Weise und nicht zum Zweck einer Einschränkung. Für Fachleute ist klar, dass geringfügige Modifikationen ohne signifikante Änderungen an der beschriebenen Operation vorgenommen werden können.

Claims

Leistungsverwaltungsschaltung, die einen Schaltwandler aufweist, der mit einer Steuervorrichtung gekoppelt ist zum Betreiben des Schaltwandlers in einer Vielzahl von Modi, wobei der Schaltwandler aufweist einen ersten Satz von Schaltern, die mit einem ersten Anschluss zum Empfangen einer Eingangsspannung gekoppelt sind; einen zweiten Satz von Schaltern, die mit einem zweiten Anschluss zum Koppeln mit einer Batterie gekoppelt sind; einen Bypass-Schalter, der zwischen dem zweiten Anschluss und einem dritten Anschluss zum Koppeln mit einer Last gekoppelt ist; einen einzelnen Induktor, der zwischen einem ersten Schaltknoten des ersten Satzes von Schaltern und einem zweiten Schaltknoten des zweiten Satzes von Schaltern vorgesehen ist; und einen Umschaltschalter, der zwischen dem ersten Schaltknoten und dem zweiten oder dem dritten Anschluss vorgesehen ist; wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist zum Auswählen eines Betriebsmodus durch Ändern eines Zustands von zumindest einem des Bypass-Schalters und des Umschaltschalters.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß Anspruch 1, die einen Rampengenerator aufweist, der konfiguriert ist zum Vorsehen einer Vielzahl von Rampensignalen, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist zum Vergleichen eines oder mehrerer Rampensignale mit einem ersten Fehlersignal, um zwischen den verschiedenen Modi zu wechseln.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist zum Aufrechterhalten einer Spannung an dem dritten Anschluss an oder über einem vorgegebenen Wert.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß Anspruch 3, wobei das erste Fehlersignal proportional zu einer Differenz zwischen einer erfassten Spannung an dem dritten Anschluss und dem vorgegebenen Wert ist.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Rampengenerator ausgebildet ist zum Erzeugen eines ersten Rampensignals mit einem ersten Profil, eines zweiten Rampensignals mit einem zweiten Profil und eines dritten Rampensignals mit einem dritten Profil.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß Anspruch 5, wobei das erste und das zweite Profil zwischen einer Basisspannung, einer Zwischenspannung, die niedriger als die Basisspannung ist, und einer Schwellenspannung, die niedriger als die Basisspannung und die Zwischenspannung ist, variieren, wobei jedes Profil eine erste, eine zweite und eine dritte Periode aufweist.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß Anspruch 6, wobei das erste Rampensignal von der Basisspannung zu der Zwischenspannung während der ersten Periode abnimmt, dann während der zweiten Periode konstant bleibt und von der Zwischenspannung zu einer Schwellenspannung während der dritten Periode abnimmt.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß Anspruch 6 oder 7, wobei das zweite Rampensignal von der Zwischenspannung zu der Schwellenspannung während der ersten Periode abnimmt, dann konstant bei der Basisspannung bleibt während der zweiten Periode und von der Basisspannung zu der Zwischenspannung während der dritten Periode abnimmt.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das dritte Profil während einer vierten Periode zunimmt.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist zum Schließen des Bypass-Schalters, um den Schaltwandler als einen Einzel-Eingang-Einzel-Ausgang-Abwärtswandler zu betreiben, wenn das erste Fehlersignal kleiner als die Schwellenspannung ist.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist zum Öffnen des Bypass-Schalters und des Umschaltschalters, um den Schaltwandler als einen Einzel-Eingang-Dual-Ausgang-Abwärtswandler zu betreiben, wenn das erste Fehlersignal zwischen der Zwischenspannung und der Schwellenspannung ist.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist zum Öffnen des Bypass-Schalters und Schließen des Umschaltschalters, um den Schaltwandler als einen Dual-Eingang-Dual-Ausgang-Abwärtswandler zu betreiben, wenn das erste Fehlersignal zwischen der Zwischenspannung und der Basisspannung ist.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 12, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist zum Öffnen des Bypass-Schalters und Schließen des Umschaltschalters, um den Schaltwandler als einen Dual-Eingang-Dual-Ausgang-Abwärts-Aufwärts-Wandler zu betreiben, wenn das erste Fehlersignal größer als die Basisspannung ist.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste Satz von Schaltern einen ersten Schalter aufweist, der mit einem zweiten Schalter an einem ersten Schaltknoten gekoppelt ist; und wobei der zweite Satz von Schaltern einen dritten Schalter aufweist, der mit einem vierten Schalter an einem zweiten Schaltknoten gekoppelt ist.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß Anspruch 14, die einen fünften Schalter aufweist, der zwischen dem zweiten Schaltknoten und dem dritten Anschluss gekoppelt ist.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß einem der Ansprüche 4 bis 15, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist zum Erzeugen eines zweiten Fehlersignals basierend auf einer Differenz zwischen der Spannung an dem zweiten Anschluss und einem Referenzsignal.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß Anspruch 16, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist zum Vorsehen des Induktorstroms an den zweiten Anschluss, wenn das zweite Fehlersignal größer als das erste Fehlersignal ist, und zum Vorsehen des Induktors an den dritten Anschluss, wenn das zweite Fehlersignal kleiner als das erste Fehlersignal ist.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei die Steuervorrichtung eine Batterieladegerät-Steuervorrichtung, die ausgebildet ist zum Erzeugen des zweiten Fehlersignals, einen Komparator, der ausgebildet ist zum Vergleichen des ersten und zweiten Fehlersignals, einen Treiber und eine Speichervorrichtung aufweist.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, die einen Stromanpasser aufweist, der mit dem zweiten Anschluss gekoppelt ist, wobei der Stromanpasser ausgebildet ist zum Steuern eines Stroms zum Laden der Batterie.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß Anspruch 19, wobei der Stromanpasser einen Stromspiegel aufweist, der mit einer Referenzschaltung gekoppelt ist, die ausgebildet ist zum Vorsehen einer Referenzbatteriespannung.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß Anspruch 20, wobei der Stromanpasser einen Differenzverstärker aufweist, der ausgebildet ist zum Steuern des durch den Stromspiegel fließenden Stroms basierend auf der Referenzbatteriespannung.
Die Leistungsverwaltungsschaltung gemäß einem der Ansprüche 19 bis 21, wobei die Steuervorrichtung ausgebildet ist zum Betreiben des Schaltwandlers in einem Abwärts-Aufwärts-Modus, wenn eine Spannung an den ersten Anschluss geliefert wird.
Verfahren zum Verwalten von Leistung, das aufweist Vorsehen eines Schaltwandlers, der einen ersten Satz von Schaltern, die mit einem ersten Anschluss zum Empfangen einer Eingangsspannung gekoppelt sind; einen zweiten Satz von Schaltern, die mit einem zweiten Anschluss zum Koppeln mit einer Batterie gekoppelt sind; einen Bypass-Schalter, der zwischen dem zweiten Anschluss und einem dritten Anschluss zum Koppeln mit einer Last gekoppelt ist; einen einzelnen Induktor, der zwischen einem ersten Schaltknoten des ersten Satzes von Schaltern und einem zweiten Schaltknoten des zweiten Satzes von Schaltern vorgesehen ist; und einen Umschaltschalter, der zwischen dem ersten Schaltknoten und dem zweiten oder dem dritten Anschluss vorgesehen ist, aufweist; Auswählen eines Betriebsmodus durch Ändern eines Zustands von zumindest einem des Bypass-Schalters und des Umschaltschalters.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, das ein Vorsehen einer Vielzahl von Rampensignalen und ein Vergleichen eines oder mehrerer Rampensignale mit einer Referenz aufweist, um zwischen den verschiedenen Modi zu wechseln.