DE102020208772A1 - Leistungswandler mit hohem Umwandlungsverhältnis - Google Patents

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Horst Knoedgen
James Doyle
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Abstract

Das vorliegende Dokument beschreibt einen Leistungswandler, der konfiguriert ist zum Vorsehen von Energie an einem Ausgang basierend auf Energie, die an einem Eingang vorgesehen ist. Der Leistungswandler weist einen ersten Schalter auf, wobei ein erster Knoten mit dem Eingang gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten mit einem Zwischenpunkt gekoppelt ist, einen zweiten Schalter, wobei ein erster Knoten mit dem Zwischenpunkt gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten mit einem Induktorpunkt gekoppelt ist, einen Kondensator, wobei ein erster Knoten des Kondensators mit dem Zwischenpunkt gekoppelt ist, ein erstes Diodenelement, wobei ein erster Knoten mit einem zweiten Knoten des Kondensators gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten mit dem Induktorpunkt gekoppelt ist, ein zweites Diodenelement, wobei ein erster Knoten mit einem Referenzanschluss gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten mit dem zweiten Knoten des Kondensators gekoppelt ist; und einen Induktor, wobei ein erster Knoten mit dem Induktorpunkt gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten mit dem Ausgang gekoppelt ist.

Description

  • Technischer Bereich
  • Das vorliegende Dokument betrifft DC/DC-Leistungswandler. Insbesondere betrifft das vorliegende Dokument Leistungswandler, die ein relativ hohes Spannungsumwandlungsverhältnis vorsehen. Insbesondere betrifft das vorliegende Dokument einen Resonanzleistungswandler mit einem hohen Umwandlungsverhältnis.
  • Hintergrund
  • Ein DC/DC-Leistungswandler ist konfiguriert zum Umwandeln von elektrischer Leistung bei einer DC(Gleichstrom)-Eingangsspannung in elektrische Leistung bei einer DC-Ausgangsspannung. Verschiedene unterschiedliche Techniken können verwendet werden, um relativ hohe Umwandlungsverhältnisse zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung zu erreichen, wie mehrstufige (multi-level) Wandler, Transformator-Abwärtswandler, mehrstufige (multi-stage) Wandler, eine Kaskade von Wandlern usw. Diese Techniken sind relativ komplex in Bezug auf die Anzahl und/oder Größe von externen Komponenten, in Bezug auf die Anforderungen an elektromagnetische Interferenz (EMI - electromagnetic interference), in Bezug auf eine Größe einer Leiterplatte (PCB - printed circuit board) und/oder in Bezug auf eine Zeitsteuerung des einen oder der mehreren Schalter des Leistungswandlers, insbesondere für relativ niedrige Lastströme, die an dem Ausgang des Leistungswandlers vorzusehen sind.
  • Zusammenfassung
  • Das vorliegende Dokument befasst sich mit dem technischen Problem eines Vorsehens eines effizienten Leistungswandlers für relativ hohe Spannungsumwandlungsverhältnisse, insbesondere bei relativ niedrigen Lastströmen.
  • Gemäß einem Aspekt ist ein Leistungswandler (insbesondere ein Abwärtswandler) konfiguriert zum Vorsehen von elektrischer Energie oder Leistung an einem Ausgangsanschluss basierend auf elektrischer Energie oder Leistung, die an einem Eingangsanschluss vorgesehen wird. Der Leistungswandler weist einen ersten Schalter auf, wobei ein erster Knoten des ersten Schalters mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des ersten Schalters mit einem Zwischenpunkt gekoppelt ist. Weiter weist der Leistungswandler einen zweiten Schalter auf, wobei ein erster Knoten des zweiten Schalters mit dem Zwischenpunkt gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des zweiten Schalters mit einem Induktorpunkt gekoppelt ist. Zusätzlich weist der Leistungswandler einen Kondensator auf, wobei ein erster Knoten des Kondensators mit dem Zwischenpunkt gekoppelt ist. Der Leistungswandler weist auch ein erstes Diodenelement auf, wobei ein erster Knoten des ersten Diodenelements mit einem zweiten Knoten des Kondensators gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des ersten Diodenelements mit dem Induktorpunkt gekoppelt ist. Zusätzlich weist der Leistungswandler ein zweites Diodenelement auf, wobei ein erster Knoten des zweiten Diodenelements mit einem Referenzanschluss gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des zweiten Diodenelements mit dem zweiten Knoten des Kondensators gekoppelt ist. Weiter weist der Leistungswandler einen Induktor auf, wobei ein erster Knoten des Induktors mit dem Induktorpunkt gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des Induktors mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist. In einem bevorzugten Beispiel ist ein Diodenelement als aktive Diode und/oder als Schalter implementiert (insbesondere unter Verwendung eines Transistors). Daher kann der Begriff „Diodenelement“ als Repräsentation einer aktiven Diode und/oder als Schalter verstanden werden. Ein Diodenelement (insbesondere eine Diode) kann, wenn durch einen synchronen FET-Schalter ersetzt, eine asymmetrische Vorrichtung für eine kleinere Fläche, ein schnelleres Schalten und eine verbesserte Effizienz verwenden. Daher kann ein Diodenelement eine passive Diode (z.B. eine Schottky-Diode), eine aktive Diode und/oder ein Schalter sein oder diese aufweisen.
  • Gemäß einem anderen Aspekt wird ein Leistungswandler (insbesondere ein Aufwärtswandler) beschrieben, der konfiguriert ist zum Vorsehen von Energie an einem Ausgangsanschluss basierend auf Energie, die an einem Eingangsanschluss vorgesehen ist. Der Leistungswandler weist einen ersten Schalter auf, wobei ein erster Knoten (z.B. Source oder Drain) des ersten Schalters mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten (z.B. Drain oder Source) des ersten Schalters mit einem Zwischenpunkt gekoppelt ist. Weiter weist der Leistungswandler einen zweiten Schalter auf, wobei ein erster Knoten (z.B. Source oder Drain) des zweiten Schalters mit dem Zwischenpunkt gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten (z.B. Drain oder Source) des zweiten Schalters mit einem Referenzanschluss gekoppelt ist. Der Leistungswandler weist auch einen Kondensator auf, wobei ein erster Knoten des Kondensators mit dem Zwischenpunkt gekoppelt ist. Weiter weist der Leistungswandler ein erstes Diodenelement auf, wobei ein erster Knoten des ersten Diodenelements mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des ersten Diodenelements mit dem Induktorpunkt gekoppelt ist. Der Leistungswandler weist auch ein zweites Diodenelement auf, wobei ein erster Knoten des zweiten Diodenelements mit dem Induktorpunkt gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des zweiten Diodenelements mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist. Zusätzlich weist der Leistungswandler einen Induktor auf, wobei ein erster Knoten des Induktors mit einem zweiten Knoten des Kondensators gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des Induktors mit dem Induktorpunkt gekoppelt ist.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungswandlers beschrieben. Das Verfahren weist ein Betreiben des Leistungswandlers in verschiedenen Betriebszuständen auf, um Leistung an dem Ausgangsanschluss des Leistungswandlers vorzusehen.
  • Ein Verfahren weist in einem ersten Betriebszustand des Leistungswandlers ein Schließen eines ersten Schalters auf, der zwischen dem Eingangsanschluss und einem Kondensator des Leistungswandlers angeordnet ist, um den Kondensator zumindest teilweise zu laden. Weiter kann das Verfahren in dem ersten Betriebszustand ein Öffnen des zweiten Schalters aufweisen, der zwischen dem Kondensator und einem Induktor des Leistungswandlers angeordnet ist, wobei der Induktor mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist, um den Kondensator von dem Ausgangsanschluss zu entkoppeln.
  • Zusätzlich kann das Verfahren einen nachfolgenden zweiten Betriebszustand des Leistungswandlers aufweisen, Öffnen des ersten Schalters, um den Kondensator von dem Eingangsanschluss zu entkoppeln, und Schließen des zweiten Schalters, um den Kondensator zumindest teilweise über den Induktor zu dem Ausgangsanschluss zu entladen.
  • Es ist anzumerken, dass die in diesem Dokument beschriebenen Verfahren und Systeme einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele eigenständig oder in Kombination mit den anderen in diesem Dokument offenbarten Verfahren und Systemen verwendet werden können. Darüber hinaus sind die in dem Kontext eines Systems beschriebenen Merkmale auch auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Darüber hinaus können alle Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren und Systeme beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche auf beliebige Weise miteinander kombiniert werden.
  • In dem vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff „koppeln“ oder „gekoppelt“ auf Elemente, die in elektrischer Kommunikation miteinander sind, entweder direkt verbunden, z.B. über Drähte, oder auf eine andere Weise.
  • Figurenliste
  • Die Erfindung wird im Folgenden auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
    • 1A zeigt ein Schaltungsdiagramm eines beispielhaften Abwärtsleistungswandlers.
    • 1B zeigt ein weiteres Schaltungsdiagramm eines beispielhaften Abwärtsleistungswandlers.
    • 2 zeigt einen beispielhaften Ausgangsstrom des Leistungswandlers der 1A und 1B.
    • 3 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines beispielhaften Mehrphasen-Leistungswandlers.
    • 4 zeigt einen beispielhaften Ausgangsstrom des Leistungswandlers von 3.
    • 5 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines beispielhaften Leistungswandlers mit einem anpassbaren Kondensator.
    • 6 zeigt einen beispielhaften Ausgangsstrom für den Leistungswandler von 5.
    • 7 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines beispielhaften Aufwärtsleistungswandlers.
    • 8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben eines Leistungswandlers.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Wie oben erläutert, bezieht sich das vorliegende Dokument auf ein Vorsehen eines effizienten Leistungswandlers, der konfiguriert ist, um relativ hohe Spannungsumwandlungsverhältnisse vorzusehen.
  • 1A zeigt ein Schaltungsdiagramm eines (Abwärts- bzw. Step-Down- bzw. Buck)-Leistungswandlers 100, der konfiguriert ist zum Umwandeln einer Eingangsspannung Vin an einem Eingangsanschluss 111 in eine Ausgangsspannung Vout an einem Ausgangsanschluss 112. Der Leistungswandler 100 weist einen ersten Schalter 101 (z.B. einen Metalloxidhalbleiter(MOS - metaloxide semiconductor)-Transistor) und einen zweiten Schalter 102 (z.B. einen MOS-Transistor) auf. Ein erster Knoten (z.B. Source oder Drain) des ersten Schalters 101 ist direkt mit dem Eingangsanschluss 111 gekoppelt und ein zweiter Knoten (z.B. Drain oder Source) des ersten Schalters 102 ist direkt mit einem ersten Knoten (z.B. Source oder Drain) des zweiten Schalters 102 gekoppelt. Ein zweiter Knoten (z.B. Drain oder Source) des zweiten Schalters 102 ist direkt mit einem Induktor 104 des Leistungswandlers 100 gekoppelt, wobei der Induktor 104 mit dem Ausgangsanschluss 112 gekoppelt ist.
  • Der Leistungswandler 100 weist eine serielle Anordnung von Dioden 106, 107 (hier auch als Diodenelemente bezeichnet) auf, die zwischen dem zweiten Knoten des zweiten Schalters 102 und einem Referenzanschluss (z.B. Masse) angeordnet sind. Zusätzlich weist der Leistungswandler 100 einen Kondensator 103 auf, der zwischen dem zweiten Knoten des ersten Schalters 101 und dem Mittelpunkt zwischen der ersten Diode 106 und der zweiten Diode 107 angeordnet ist.
  • Zusätzlich kann der Leistungswandler 100 einen Ausgangskondensator 105 aufweisen, der zwischen dem Ausgangsanschluss 112 und dem Referenzanschluss angeordnet ist. Der Ausgangskondensator 105 ist konfiguriert zum Glätten von Spannungsschwankungen an dem Ausgangsanschluss 112. Ferner kann der Leistungswandler 100 eine (dritte) Diode 108 aufweisen, die zwischen dem zweiten Knoten des zweiten Schalters 102 und dem Referenzanschluss angeordnet ist.
  • Somit weist der Leistungswandler 100 einen LC-Tank (der den Kondensator 103 und den Induktor 104, die in Serie angeordnet sind, aufweist) auf, um Leistung von dem Eingangsanschluss 111 zu dem Ausgangsanschluss 112 zu übertragen. Der Zeitpunkt bzw. das Timing zum Steuern der Schalter 101, 102 kann von der Zeitkonstante des LC-Tanks abhängen, d.h. das Timing kann von der Induktivität L des Induktors 104 und/oder von der Kapazität C des Kondensators 103 abhängen.
  • Der Leistungswandler 100 kann in zwei Betriebszuständen betrieben werden, wobei die Betriebszustände unter Verwendung der Steuersignale 121, 122 gesteuert werden können, die an die Gates oder Steuerknoten der Schalter 101, 102 angelegt werden. Während eines ersten Betriebszustands ist der erste Schalter 101 eingeschaltet und der zweite Schalter 102 ist ausgeschaltet. Wenn der erste Schalter 101 eingeschaltet ist, fließt Strom von dem Eingangsanschluss 111 zu dem Kondensator 103 durch die (in Vorwärtsrichtung vorgespannte) erste Diode 106, durch den Induktor 104 zu dem Ausgangsanschluss 112. Sobald der Kondensator 103 auf die Eingangsspannung Vin geladen ist, stoppt der Stromfluss. Somit entspricht die Wellenform des Eingangsstroms (an dem Eingangsanschluss 111) einer halben Sinuskurve.
  • Während des zweiten Betriebszustands wird die Energie, die in dem Kondensator 103 gespeichert ist, an den Ausgangsanschluss 112 vorgesehen. Während des zweiten Zustands ist der erste Schalter 101 ausgeschaltet und der zweite Schalter 102 ist eingeschaltet. Infolgedessen fließt Strom von dem Referenzanschluss durch die zweite Diode 107, durch den Kondensator 103, durch den zweiten Schalter 102, durch den Induktor 104 zu dem Ausgangsknoten 112. Während des zweiten Betriebszustands wird kein Strom von diesem Eingangsanschluss 111 vorgesehen.
  • Der Leistungswandler 100 kann durch Abwechseln des ersten Betriebszustands und des zweiten Betriebszustands während einer Sequenz von Zyklen gesteuert werden. Jeder Zyklus kann ein (einzelnes) erstes Zeitintervall aufweisen, in dem der Leistungswandler 100 in dem ersten Betriebszustand ist, und ein (einzelnes) zweites Zeitintervall, in dem der Leistungswandler 100 in dem zweiten Betriebszustand ist. Die Zyklen können mit einer Zyklusrate wiederholt werden oder nicht, wobei die Zyklusrate typischerweise von dem Ausgangslaststrom, der Eingangsspannung, der Ausgangsspannung und/oder der Temperatur abhängt.
  • 1B zeigt ein weiteres Schaltungsdiagramm eines Leistungswandlers 100, wobei 1B ausdrücklich angibt, dass die Dioden 106, 107, 108 unter Verwendung aktiver Dioden und/oder Schalter implementiert werden können.
  • Es ist anzumerken, dass die Schalter 101, 102, 106, 107, 108 des Leistungswandlers 100 unter Verwendung von MOS-Transistoren, insbesondere optimierten MOS-Transistoren, implementiert werden können. Alternativ oder zusätzlich können die Schalter 101, 102, 106, 107, 108 (jeweils) durch eine Kaskode eines Hochspannungsschalters und eines Niedrigspannungsschalters implementiert werden, wobei der Niedrigspannungsschalter von dem Ausgang des Wandlers 100 für verbesserte Effizienz angesteuert werden kann.
  • 2 zeigt den Ausgangsstrom 212, der an dem Ausgangsanschluss 112 des Leistungswandlers vorgesehen ist, als eine Funktion der Zeit t. Es ist ersichtlich, dass der Ausgangsstrom 212 für jeden ersten Betriebszustand 201 und für jeden zweiten Betriebszustand 202 eine halbe Sinuskurve aufweist. Der Ausgangsstrom 212 wird von dem Eingangsanschluss 111 (z.B. von einer Batterie oder einer an den Eingangsanschluss 111 angeschlossenen Versorgung) bezogen, wenn der Leistungswandler 100 in dem ersten Betriebszustand 201 ist. Dies ist aus dem Eingangsstrom 211 ersichtlich, der auch in 2 gezeigt ist. Andererseits wird kein Strom von dem Eingangsanschluss 111 bezogen, wenn der Leistungswandler 100 in dem zweiten Betriebszustand 202 ist. Ferner zeigt 2 ein beispielhaftes Steuersignal 121 für den ersten Schalter 101 (Referenznummer 213) und ein beispielhaftes Steuersignal 122 für den zweiten Schalter 102 (Referenznummer 214).
  • Es ist anzumerken, dass im Gegensatz zu anderen Schaltmodus-Leistungswandler-Topologien die in den 1A und 1B gezeigte Topologie nicht erfordert, dass auf einen ersten Betriebszustand 201 direkt ein zweiter Betriebszustand 202 folgt. Alternativ oder zusätzlich kann die Dauer von nachfolgenden Zyklen in Abhängigkeit von einem Strom- und/oder Energiebedarf an dem Ausgangsanschluss 112 variiert werden. Wenn der Energiebedarf an dem Ausgangsanschluss 112 durch den ersten Betriebszustand 201 erfüllt ist, muss der zweite Betriebszustand 202 nicht initiiert werden. Die Energie bleibt in dem Kondensator 103 gespeichert, und wenn an dem Ausgangsanschluss 112 erneut Energie angefordert wird, kann eine Energieübertragung unter Verwendung des zweiten Betriebszustands 202 initiiert werden.
  • Um einen Leistungswandler 100 mit einer relativ hohen Effizienz vorzusehen, werden die Dioden 106, 107, 108 vorzugsweise unter Verwendung von Schaltern (insbesondere Transistoren) und/oder aktiven Dioden implementiert. Alternativ oder zusätzlich kann ein Nullspannungsschalten (ZVS - zero voltage switching) für den ersten Schalter 101 implementiert werden. Dies kann auf zuverlässige Weise erreicht werden, indem der Leistungswandler 100 derart betrieben wird, dass auf den ersten Betriebszustand 201 direkt der zweite Betriebszustand folgt. Daher kann es vorteilhaft sein, den Leistungswandler 100 wiederholt unter Verwendung abwechselnder erster und zweiter Betriebszustände 201, 202 zu betreiben, insbesondere für Schaltungen mit geringer Leistung.
  • 3 zeigt einen Leistungswandler 100 mit mehreren Phasen 331, 332 in Verbindung mit einer einzelnen Induktor 104. Der Leistungswandler 100 weist eine erste Phase 331 auf, die einen ersten Satz von Schaltern 101, 102, einen ersten Kondensator 103 und eine erste Anordnung von Dioden 106 aufweist. Ferner weist der Leistungswandler 100 eine zweite Phase 332 auf, die parallel zu der ersten Phase 331 angeordnet ist und auf die gleiche Weise wie die erste Phase 331 ausgelegt ist, die einen zweiten Satz von Schaltern 301, 302, einen zweiten Kondensator 303 und eine zweite Anordnung von Dioden 306, 307 aufweist.
  • Die verschiedenen Phasen 331, 332 des Leistungswandlers 100 werden vorzugsweise auf eine zueinander phasenverschobene oder zeitversetzte Weise betrieben, um den Welligkeitsstrom innerhalb des Induktors 104 zu reduzieren. Daher können die Steuersignale 221, 222 der ersten Phase 331 und die Steuersignale 321, 322 der zweiten Phase 332 in Bezug zueinander phasenverschoben sein. Insbesondere kann die erste Phase 331 in dem ersten Betriebszustand 201 betrieben werden, und anschließend oder verzögert kann die zweite Phase 332 in dem ersten Betriebszustand 201 betrieben werden. Anschließend kann die erste Phase in dem zweiten Betriebszustand 202 betrieben werden und anschließend oder verzögert kann die zweite Phase 332 in dem zweiten Betriebszustand 202 betrieben werden.
  • 4 zeigt den Ausgangsstrom 212 des Mehrphasen-Leistungswandlers 100 von 3. Der Ausgangsstrom 212 weist eine Folge von ersten Spitzen 401 entsprechend eines Betriebs der ersten Phase 331 und von zweiten Spitzen 402 entsprechend eines Betrieb der zweiten Phase 332 auf. Es ist ersichtlich, dass durch Erhöhen der Anzahl von Phasen 331, 332 und/oder durch Erhöhen der Zyklusrate und/oder der Wiederholungsfrequenz die Welligkeit des Ausgangsstroms 212 reduziert werden kann.
  • 5 zeigt einen Leistungswandler 100, der einen Kondensator 103 mit einer anpassbaren Kapazität C aufweist. In dem dargestellten Beispiel kann die Kapazität des Kondensators 103 angepasst werden, indem ein oder mehrere zusätzliche Kondensatoren 503 parallel zu dem Kondensator 103 unter Verwendung von Schaltern 504 angeordnet werden. Die Kapazität kann z.B. zwischen 100pF und 500pF variiert werden (wenn in Silizium integriert). Der eine oder die mehreren Kondensatoren 103, 503 können als On-Chip-Kondensatoren implementiert sein.
  • 6 zeigt den Ausgangsstrom 212 für die verschiedenen Kondensatorwerte. Es ist ersichtlich, dass die Stromspitzen 601, 602, 603 mit zunehmenden Kondensatorwerten oder Kapazität C zunehmen.
  • Der Leistungswandler 100 weist eine Steuereinheit 151 auf, die konfiguriert ist zum Betreiben des Leistungswandlers 100, insbesondere der Schalter 101, 102 des Leistungswandlers 100, in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung Vout an dem Ausgangsanschluss 112, z.B. um die Ausgangsspannung auf eine Sollspannung zu regeln. Die Regelung kann durchgeführt werden durch
    • • Anpassen der Wiederholungsfrequenz und/oder der Zyklusrate eines Zyklus, der den ersten und den zweiten Betriebszustand 201, 202 aufweist;
    • • Aktivieren und/oder Deaktivieren einer oder mehrerer Phasen 331, 332 des Leistungswandlers 100; und/oder
    • • Anpassen der Kapazität des einen oder der mehreren Kondensatoren 103 des Leistungswandlers 100.
  • 7 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Step-up- bzw. Boost- bzw. Aufwärts-Leistungswandlers 100. Der Leistungswandler 100 weist einen ersten Schalter 101 auf mit einem ersten Knoten, der direkt mit dem Eingangsanschluss 111 gekoppelt ist, und mit einem zweiten Knoten, der direkt mit dem ersten Knoten des zweiten Schalters 102 gekoppelt ist. Der zweite Knoten des zweiten Schalters 102 ist direkt mit dem Referenzanschluss (z.B. Masse) gekoppelt. Weiter ist der zweite Knoten des ersten Schalters 101 direkt mit dem Kondensator 103 gekoppelt, der in Serie mit dem Induktor 104 angeordnet ist.
  • Weiter weist der Leistungswandler 100 von 7 eine erste-Diode 106 auf, die direkt mit dem Eingangsanschluss 111 gekoppelt ist und auf die direkt eine zweite Diode 107 folgt, die direkt mit dem Ausgangsanschluss 112 gekoppelt ist. Der Induktor 104 ist direkt mit dem Mittelpunkt 114 zwischen der ersten Diode 106 und der zweiten Diode 107 gekoppelt.
  • Der Leistungswandler 100 von 7 kann in einem ersten Betriebszustand betrieben werden, in dem der erste Schalter 101 ausgeschaltet ist und in dem der zweite Schalter 102 eingeschaltet ist. Infolgedessen fließt Strom von dem Eingangsanschluss 111 durch die erste Diode 106, durch den Induktor 104, durch den Kondensator 103, durch den zweiten Schalter 102 zu dem Referenzanschluss sowie von dem Eingangsanschluss 111 durch die erste Diode 106, durch die zweite Diode 107 zu dem Ausgangsanschluss 112. Während des ersten Betriebszustands wird Energie in dem Induktor 104 und in dem Kondensator 103 gespeichert.
  • Weiter kann der Leistungswandler 100 von 7 in einem zweiten Betriebszustand betrieben werden, in dem der erste Schalter 101 eingeschaltet ist und in dem der zweite Schalter 102 ausgeschaltet ist. Während dieses Zustands ist die erste Diode 106 in Sperrrichtung vorgespannt. Strom fließt von dem Eingangsanschluss 111 durch den ersten Schalter 101, durch den Kondensator 103, durch den Induktor 104, durch die zweite Diode 107 zu dem Ausgangsanschluss 112.
  • Der Leistungswandler 100 kann auf abwechselnde Weise in dem ersten Betriebszustand und in dem zweiten Betriebszustand betrieben werden (wie oben für den Abwärtsleistungswandler 100 ausgeführt).
  • Somit wird eine DC-DC-Wandlertopologie beschrieben. Der DC-DC-Leistungswandler 100 weist einen Kondensator 103 auf, der in Serie mit einem Induktor 104 angeordnet ist, der durch einen unidirektionalen Schalter (d.h. die erste Diode 106) getrennt sein kann, um eine Energieübertragung in nur einer Richtung zu ermöglichen. Der Leistungswandler 100 kann eine Mehrphasen-Implementierung unter Verwendung nur eines einzelnen Induktors 104 verwenden. Alternativ oder zusätzlich können eine oder mehrere zusätzliche kapazitive Speicherelemente 503 parallel zu dem ersten Kondensator 103 verwendet werden.
  • Weiter wird ein Verfahren zum Ansteuern einer DC-DC-Wandlertopologie unter geringer Last beschrieben. Unter Verwendung eines hochseitigen Schalters 101 wird ein Stromfluss über den internen Kondensator 103 zu dem Ausgangsanschluss 112 ermöglicht, wodurch der Kondensator 103 geladen und der Induktorstrom durch den Induktor 104 auf Null reduziert wird. Infolgedessen muss der niedrigseitige Schalter 102 nicht aktiviert werden. Daher kann eine reduzierte Menge an Ladung an den Ausgangsanschluss 112 geliefert werden, was zu einer reduzierten Welligkeit führt.
  • Zur Verbesserung der Effizienz kann auf das Einschalten des niedrigseitigen Schalters 102 das Einschalten des hochseitigen Schalters 101 folgen. Infolgedessen kann ZVS für den hochseitigen Schalter 101 erreicht werden.
  • Insbesondere wurden die folgenden Aspekte beschrieben:
    • • Eine Buck- bzw. Abwärts-Topologie, um ein relativ großes Umwandlungsverhältnis zu erreichen, ohne die Notwendigkeit für eine genaue Steuerung eines Timings des hochseitigen Schalters 101 und/oder der anderen Schalter;
    • • Eine Abwärts-Topologie, für die ein Mehrphasenschema unter Verwendung eines einzelnen Induktors 104 implementiert werden kann;
    • • Eine Abwärts-Topologie, für die der maximale Eingangsstrom durch den Wert des Kondensators 103 und/oder des Induktors 104 begrenzt sein kann;
    • • Eine Schalttopologie, für die das Timing für die Schaltsteuerung durch den Induktorwert und/oder den Kondensatorwert definiert werden kann.
    • • Eine Abwärts-Topologie, für die ein Einschalten des niedrigseitigen Schalters 102 nicht unmittelbar auf ein Einschalten des hochseitigen Schalters 101 folgen muss;
    • • Eine Abwärts-Topologie, für die Energie in dem Leistungswandler 100 gespeichert werden kann;
    • • Eine Abwärts-Topologie, für die in dem Leistungswandler 100 gespeicherte Energie bei Bedarf vorgesehen werden kann, wenn der Ausgangsanschluss 112 Energie anfordert; möglicherweise muss keine Energie von dem Eingangsanschluss 111 vorgesehen werden; und/oder
    • • Eine Schalttopologie, die mit Induktor- und Kondensatorwerten arbeiten kann, die auf einem Die implementiert werden können und/oder die eine lockere Zeitsteuerung für die Schalter 101, 102 haben.
  • Der LC-Tank des Leistungswandlers 100 kann die Funktion eines Filters 2. Ordnung an dem Ausgang des Leistungswandlers 100 haben. Dieses Filter kann in ein Filter vierter Ordnung umgewandelt werden, indem der Induktor 104 in zwei getrennte Induktoren aufgeteilt wird und ein zusätzlicher Kondensator in der Mitte zwischen den Induktoren hinzugefügt wird. Auf diese Weise kann der Welligkeitsstrom an dem Ausgangsanschluss 112 weiter reduziert werden.
  • Somit wird ein (DC-DC)-Leistungswandler 100 beschrieben, der konfiguriert ist zum Vorsehen von Energie an einem Ausgangsanschluss 112 basierend auf Energie, die an einem Eingangsanschluss 111 vorgesehen wird. Der Leistungswandler 100 kann konfiguriert sein zum Durchführen einer Abwärtswandlung, so dass die Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss 112 kleiner als die Eingangsspannung an dem Eingangsanschluss 111 ist. Der Eingangsanschluss 111 und/oder der Ausgangsanschluss 112 können relativ zu dem Referenzanschluss betrieben werden. Insbesondere können die Eingangsspannung und/oder die Ausgangsspannung relativ zu dem Referenzpotential an dem Referenzanschluss (z.B. Masse) angegeben werden. Der Leistungswandler 100 kann ausgelegt sein wie in den 1A, 1B, 3 oder 5 gezeigt.
  • Der Leistungswandler 100 weist einen ersten Schalter 101 auf, wobei ein erster Knoten des ersten Schalters 101 (direkt) mit dem Eingangsanschluss 111 gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des ersten Schalters 101 (direkt) mit einem Zwischenpunkt 113 gekoppelt ist. Weiter weist der Leistungswandler 100 einen zweiten Schalter 102 auf, wobei ein erster Knoten des zweiten Schalters 102 (direkt) mit dem Zwischenpunkt 113 gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des zweiten Schalters 102 (direkt) mit einem Induktorpunkt 114 gekoppelt ist. Die Schalter 101, 102 können MOS-Transistoren sein.
  • Zusätzlich weist der Leistungswandler 100 einen Kondensator 103 auf, wobei ein erster Knoten des Kondensators 103 (direkt) mit dem Zwischenpunkt 113 gekoppelt ist.
  • Weiter weist der Leistungswandler 100 ein erstes Diodenelement 106 auf, wobei ein erster Knoten des ersten Diodenelements 106 (direkt) mit einem zweiten Knoten des Kondensators 103 gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des ersten Diodenelements 106 (direkt) mit dem Induktorpunkt 114 gekoppelt ist. Das erste Diodenelement 106 kann konfiguriert sein zum Ermöglichen eines Stroms von dem ersten Knoten zu dem zweiten Knoten und zum Blockieren eines Stroms von dem zweiten Knoten zu dem ersten Knoten. Das erste Diodenelement 106 kann unter Verwendung eines oder mehrerer Schalter implementiert werden, die betätigt werden, um eine Diodenfunktion vorzusehen.
  • Weiter weist der Leistungswandler 100 ein zweites Diodenelement 107 auf, wobei ein erster Knoten des zweiten Diodenelements 107 (direkt) mit dem Referenzanschluss gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des zweiten Diodenelements 107 (direkt) mit dem zweiten Knoten des Kondensators 103 gekoppelt ist. Das zweite Diodenelement 107 kann konfiguriert .sein zum Ermöglichen eines Stroms von dem ersten Knoten zu dem zweiten Knoten und zum Blockieren eines Stroms von dem zweiten Knoten zu dem ersten Knoten. Das zweite Diodenelement 107 kann unter Verwendung eines oder mehrerer Schalter implementiert werden, die betätigt werden, um eine Diodenfunktion vorzusehen.
  • Zusätzlich weist der Leistungswandler 100 einen (einzelnen) Induktor 104 auf, wobei ein erster Knoten des Induktors 104 (direkt) mit dem Induktorpunkt 114 gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des Induktors 104 (direkt) mit dem Ausgangsanschluss 112 gekoppelt ist.
  • Somit wird ein Leistungswandler 100 beschrieben, der eine serielle Anordnung eines Induktors 104 und eines Kondensators 103 aufweist, wodurch relativ große Spannungsumwandlungsverhältnisse auf effiziente Weise ermöglicht werden.
  • Der Leistungswandler 100 kann eine Steuereinheit 151 aufweisen, die konfiguriert ist, um den Leistungswandler 100 in verschiedenen Betriebszuständen (oder Betriebsmodi) 201, 202 zu betreiben, um eine (geregelte) Leistung an dem Ausgangsanschluss 112 vorzusehen. Die Vielzahl verschiedener Betriebszustände 201 202 kann einen ersten Betriebszustand 201 aufweisen, wobei innerhalb des ersten Betriebszustands 201 der erste Schalter 101 geschlossen oder EIN ist und der zweite Schalter 102 offen oder AUS ist. Weiter kann die Vielzahl verschiedener Betriebszustände 201, 202 einen zweiten Betriebszustand 202 aufweisen, wobei innerhalb des zweiten Betriebszustands 202 der erste Schalter 101 offen oder AUS ist und der zweite Schalter 102 geschlossen oder EIN ist. Die Verwendung dieser Betriebszustände 201, 202 ermöglicht das Vorsehen von Leistung auf eine flexible und effiziente Weise.
  • Die Steuereinheit 151 kann konfiguriert sein zum Erfassen, dass Energie an dem Ausgangsanschluss 112 angefordert wird. Dies kann z.B. aufgrund eines Abfalls der Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss 112 erfasst werden (z.B. weil die Ausgangsspannung unter eine vorgegebene untere Spannungsschwelle fällt). In Reaktion darauf kann der Leistungswandler 100 in dem ersten Betriebszustand 201 betrieben werden, um Energie (direkt) von dem Eingangsanschluss 111 zu dem Ausgangsanschluss 112 vorzusehen und Energie von dem Eingangsanschluss 111 zu dem Kondensator 103 zu laden. Infolgedessen kann die Energie schnell vorgesehen werden.
  • Die Steuereinheit 151 kann konfiguriert sein zum Erfassen, dass keine weitere Energie an dem Ausgangsanschluss 112 benötigt wird, während der Leistungswandler 100 in dem ersten Betriebszustand 201 betrieben wird. Dies kann z.B. aufgrund eines Anstiegs der Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss 112 erfasst werden (z.B. weil die Ausgangsspannung über eine vorgegebene obere Spannungsschwelle ansteigt). In Reaktion darauf kann der Leistungswandler 100 in dem ersten Betriebszustand 201 gehalten werden und/oder der weitere Betrieb des Leistungswandlers 100 in dem zweiten Betriebszustand 202 kann ausgesetzt werden. In anderen Worten kann die in dem Kondensator 103 gespeicherte Energie in dem Kondensator 103 gehalten werden, ohne dass der Betrieb des Leistungswandlers 100 mit dem zweiten Betriebszustand 202 fortgesetzt werden muss. Auf diese Weise kann die Flexibilität und Effizienz des Leistungswandlers 100 erhöht werden.
  • Die Steuereinheit 151 kann konfiguriert sein zum Erfassen, dass Energie an dem Ausgangsanschluss 112 angefordert wird. Dies kann z.B. aufgrund eines Abfalls der Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss 112 erfasst werden (z.B. weil die Ausgangsspannung unter eine vorgegebene untere Spannungsschwelle fällt). Weiter kann bestimmt werden, dass der Leistungswandler 100 (zuvor) in dem ersten Betriebszustand 201 betrieben wurde und/oder betrieben wird. In anderen Worten kann bestimmt werden, dass der Kondensator 103 geladen ist/wird. In Reaktion darauf kann der Leistungswandler 100 in dem zweiten Betriebszustand 202 betrieben werden, um in dem Kondensator 103 gespeicherte Energie an den Ausgangsanschluss 112 vorzusehen. Daher kann Energie auf flexible und effiziente Weise an den Ausgangsanschluss 112 vorgesehen werden.
  • Der erste Schalter 101, der zweite Schalter 102, der Kondensator 103, das erste Diodenelement 106 und das zweite Diodenelement 107 können eine Phase 331 des Leistungswandlers 100 bilden, wobei die Phase 331 zwischen dem Eingangsanschluss 111 und dem Induktorpunkt 114 angeordnet ist. Der Leistungswandler 100 kann eine Vielzahl von verschiedenen Phasen 331, 332 aufweisen, die parallel zueinander zwischen dem Eingangsanschluss 111 und dem Induktorpunkt 114 angeordnet sind. Die verschiedenen Phasen 331, 332 können jeweils einen jeweiligen ersten Schalter 101, 301, einen jeweiligen zweiten Schalter 102, 302, einen jeweiligen Kondensator 103, 303, ein jeweiliges erstes Diodenelement 106, 306 und ein jeweiliges zweites Diodenelement 107, 307 aufweisen. Die verschiedenen Phasen 331, 332 können die gleiche Struktur haben. Daher kann ein Mehrphasen-Leistungswandler 100 vorgesehen werden.
  • Der Mehrphasen-Leistungswandler 100 kann nur einen einzelnen Induktor 104 und/oder einen gemeinsamen Induktor 104 zwischen dem Induktorpunkt 114 und dem Ausgangsanschluss 112 für die Vielzahl von verschiedenen Phasen 331, 332 aufweisen, wodurch ein effizienter Leistungswandler 100 mit reduzierter Stromwelligkeit vorgesehen wird.
  • Die Steuereinheit 151 kann konfiguriert sein zum Betreiben der Vielzahl von verschiedenen Phasen 331, 332 zueinander phasenverschoben, so dass Spitzen der Ausgangsströme 212, die von den verschiedenen Phasen 332, 332 an dem Ausgangsanschluss 112 vorgesehen werden, über die Zeit verteilt sind und/oder nicht zusammenfallen. Auf diese Weise kann die Stromwelligkeit an dem Ausgangsanschluss 112 reduziert werden.
  • Der Kapazitätswert des Kondensators 103 kann anpassbar sein (z.B. unter Verwendung einer Matrix von Kondensatoren 103, 503, wie in 5 gezeigt). Die Steuereinheit 151 kann konfiguriert sein zum Anpassen des Kapazitätswerts des Kondensators 103 während eines Betriebs des Leistungswandlers 100, wodurch die Flexibilität und/oder die Effizienz des Leistungswandlers 100 weiter erhöht wird.
  • Die Steuereinheit 151 kann konfiguriert sein zum Bestimmen einer Spannungsangabe der Ausgangsspannung der an dem Ausgangsanschluss 112 vorgesehenen Energie. Die Spannungsangabe kann unter Verwendung von Spannungserfassungsmitteln (z.B. einem Spannungsteiler) bestimmt werden. Die Steuereinheit 151 kann konfiguriert sein zum Betreiben des Leistungswandlers 100 in Abhängigkeit von der Spannungsangabe, insbesondere zum Regeln der Ausgangsspannung auf eine Sollspannung. Auf diese Weise kann eine geregelte Ausgangsspannung vorgesehen werden, um elektrische Leistung an eine oder mehrere Vorrichtungen an dem Ausgangsanschluss 112 zu liefern.
  • Insbesondere kann die Steuereinheit 151 konfiguriert sein zum Anpassen der Zyklusrate zum Wiederholen eines Zyklus, der eine Vielzahl von verschiedenen Betriebszuständen des Leistungswandlers 100 aufweist, in Abhängigkeit von der Spannungsangabe. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit 151 konfiguriert sein zum Anpassen der Anzahl von aktiven Phasen 331, 332 aus einer Vielzahl verschiedener Phasen 331, 332 des Leistungswandlers 100 in Abhängigkeit von der Spannungsangabe. Alternativ oder zusätzlich kann die Steuereinheit 151 konfiguriert sein zum Anpassen des Kapazitätswerts des Kondensators 103 in Abhängigkeit von der Spannungsangabe. Daher kann der Leistungswandler 100 auf verschiedene Arten angepasst werden, um eine genaue Regelung der Ausgangsspannung vorzusehen.
  • Die Steuereinheit 151 kann konfiguriert sein zum Setzen eines oder mehrerer aufeinanderfolgender Zeitpunkte zum Wechseln zwischen verschiedenen Betriebszuständen 201, 202 in Abhängigkeit von einer Zeitkonstante, die von der Kapazität C des Kondensators 103 und der Induktivität L des Induktors 104 abhängt, insbesondere von L*C. Auf diese Weise kann eine effiziente Leistungsumwandlung vorgesehen werden.
  • Der Leistungswandler 100 kann ein LC-Filter aufweisen, das zwischen dem Induktor 104 und dem Ausgangsanschluss 112 angeordnet ist. Das LC-Filter kann einen Filterinduktor und einen Filterkondensator aufweisen, wobei der Filterinduktor in Serie mit dem Induktor des Leistungswandlers angeordnet ist und wobei der Filterkondensator zum Koppeln des Mittelpunkts zwischen dem Induktor und dem Filterinduktor mit dem Referenzanschluss angeordnet ist. Die Gesamtinduktivität des Leistungswandlers kann durch die Summe der Induktivität des Induktors und des Filterinduktors vorgesehen werden.
  • Insbesondere kann der Leistungswandler 100 einen Ausgangskondensator 105 aufweisen, der mit dem Ausgangsanschluss 112 gekoppelt ist. Der Ausgangskondensator 105 und der Induktor 104 können in mehrere Teilkondensatoren und mehrere Teilinduktoren aufgeteilt sein, um ein Ausgangsfilter einer vierten oder höheren Ordnung zu bilden. Durch Verwendung eines LC-Filters kann die Welligkeit des Ausgangsstroms reduziert werden.
  • Wie oben angegeben, können das erste Diodenelement 106, das zweite Diodenelement 107 und/oder das dritte Diodenelement 108 jeweils unter Verwendung eines oder mehrerer Schalter implementiert werden. In diesem Fall kann der Leistungswandler 100 ausgebildet sein zum Vorsehen von relativ niedrigen Leistungsumwandlungsverhältnissen (z.B. zwischen 1 und 0,5) auf effiziente Weise. Insbesondere können das erste Diodenelement 106 und das zweite Diodenelement 107 offengehalten werden. Weiter kann der zweite Schalter 102 geschlossen gehalten werden. Der erste Schalter 101 und das dritte Diodenelement 108 (das unter Verwendung eines Schalters implementiert ist) können dann betätigt werden, um einen Schaltmodus-Leistungswandler vorzusehen.
  • Daher kann das erste Diodenelement 106 unter Verwendung eines Schalters implementiert werden und das zweite Diodenelement 107 kann unter Verwendung eines Schalters implementiert werden. Wie oben ausgeführt, kann der Leistungswandler 100 ein drittes Diodenelement 108 aufweisen, das konfiguriert ist zum Koppeln des Induktorpunkts 114 mit dem Referenzanschluss. Das dritte Diodenelement 108 kann in der Richtung von dem Referenzanschluss zu dem Induktoranschluss 114 in Vorwärtsrichtung vorgespannt sein. Das dritte Diodenelement 108 kann ebenfalls unter Verwendung eines Schalters implementiert werden.
  • Um relativ niedrige Umwandlungsverhältnisse vorzusehen, kann die Steuereinheit 151 konfiguriert sein, um das erste Diodenelement 106 und das zweite Diodenelement 107 offen zu halten und den zweiten Schalter 102 geschlossen zu halten. Weiter kann die Steuereinheit 151 konfiguriert sein, um eine Leistungsumwandlung zwischen dem Eingangsanschluss 111 und dem Ausgangsanschluss 112 durch abwechselndes Ein- und Ausschalten des ersten Schalters 101 und des dritten Diodenelements 108 durchzuführen. Daher kann der Leistungswandler 100 auch für relativ niedrige Leistungsumwandlungsverhältnisse verwendet werden.
  • Zusätzlich wird ein Leistungswandler 100 (insbesondere ein Step-up- bzw. Boost- bzw. Aufwärts-Leistungswandler) beschrieben, der konfiguriert ist, um Energie an einen Ausgangsanschluss 112 basierend auf Energie vorzusehen, die an einem Eingangsanschluss 111 vorgesehen ist. Die für den (Abwärts-) Leistungswandler 100 beschriebenen Aspekte und/oder Funktionen sind auch auf den (Aufwärts-) Leistungswandler 100 anwendbar. Ein beispielhafter Aufwärtsleistungswandler 100 ist in 7 gezeigt.
  • Der Leistungswandler 100 weist einen ersten Schalter 101 auf, wobei ein erster Knoten des ersten Schalters 101 (direkt) mit dem Eingangsanschluss 111 gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des ersten Schalters 101 (direkt) mit einem Zwischenpunkt 113 gekoppelt ist. Weiter weist der Leistungswandler 100 einen zweiten Schalter 102 auf, wobei ein erster Knoten des zweiten Schalters (direkt) mit dem Zwischenpunkt 113 gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des zweiten Schalters 102 (direkt) mit einem Referenzanschluss gekoppelt ist.
  • Zusätzlich weist der Leistungswandler 100 einen Kondensator 103 auf, wobei ein erster Knoten des Kondensators 103 (direkt) mit dem Zwischenpunkt 113 gekoppelt ist.
  • Der Leistungswandler 100 weist weiter ein erstes Diodenelement 106 auf, wobei ein erster Knoten des ersten Diodenelements 106 (direkt) mit dem Eingangsanschluss 111 gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des ersten Diodenelements 106 (direkt) mit dem Induktorpunkt 114 gekoppelt ist. Zusätzlich weist der Leistungswandler 100 ein zweites Diodenelement 107 auf, wobei ein erster Knoten des zweiten Diodenelements 107 (direkt) mit dem Induktorpunkt 114 gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des zweiten Diodenelements 107 (direkt) mit dem Ausgangsanschluss 112 gekoppelt ist.
  • Weiter weist der Leistungswandler 100 einen -Enduktor 104 auf, wobei ein erster Knoten des Induktors 104 (direkt) mit einem zweiten Knoten des Kondensators 103 gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des Induktors 104 (direkt) mit dem Induktorpunkt 114 gekoppelt ist.
  • 8 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 800 zum Betreiben eines in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Leistungswandlers 100. Das Verfahren 800 weist auf 801, Betreiben des Leistungswandlers 100 in verschiedenen Betriebszuständen 201, 202, insbesondere, um Leistung an dem Ausgangsanschluss 112 bei einer geregelten Ausgangsspannung vorzusehen.
  • Weiter sieht ein Verfahren Energie an einem Ausgangsanschluss 112 eines Leistungswandlers 100 basierend auf Energie vor, die an einem Eingangsanschluss 111 des Leistungswandlers 100 vorgesehen wird. Der Leistungswandler 100 kann eine oder mehrere der in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Komponenten aufweisen. Insbesondere kann der Leistungswandler 100 ausgelegt sein wie in dem Kontext der 1A und 1B beschrieben.
  • Das Verfahren weist auf, in einem ersten Betriebszustand 201 des Leistungswandlers 100, ein Schließen des ersten Schalters 101, der zwischen dem Eingangsanschluss 111 und einem Kondensator 103 des Leistungswandlers 100 angeordnet ist, um den Kondensator 103 zumindest teilweise zu laden. Weiter kann das Verfahren aufweisen, in dem ersten Betriebszustand 201, ein Öffnen des zweiten Schalters 102, der zwischen dem Kondensator 103 und einem Induktor 104 des Leistungswandlers 100 angeordnet ist, wobei der Induktor 104 mit dem Ausgangsanschluss 112 gekoppelt ist, um den Kondensator 103 von dem Ausgangsanschluss 112 zu entkoppeln.
  • Zusätzlich kann das Verfahren in einem nachfolgenden zweiten Betriebszustand 202 des Leistungswandlers 100 aufweisen ein Öffnen des ersten Schalters 101 zum Entkoppeln des Kondensators 103 von dem Eingangsanschluss 111 und ein Schließen des zweiten Schalters 102 zum zumindest teilweisen Entladen des Kondensators 103 über den Induktor 104 zu dem Ausgangsanschluss 112.
  • Die Stromwellenform an dem Eingang und an dem Ausgang des Leistungswandlers 100 kann halb sinusförmig sein oder eine Überlagerung einer Vielzahl von halben Sinuskurven (im Fall eines Mehrphasen-Leistungswandlers 100), wie in den 2, 4 und 6 dargestellt. Die Spitze der Eingangsstrompulse kann variieren, wenn die Last an dem Ausgangsanschluss 112 zunimmt.
  • Der in dem vorliegenden Dokument beschriebene Leistüngswandler100 kann in einem LDO-(Low-Drop-Out)-Spannungsregler verwendet werden. Infolgedessen kann eine relativ hohe Leistungseffizienz mit einem relativ hohen Spannungsumwandlungsverhältnis erreicht werden (z.B. 60% Effizienz für Vin von 5V und Vout von 1V). Darüber hinaus können EMI-Anforderungen reduziert werden.
  • Es ist anzumerken, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme veranschaulichen. Fachleute werden in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, obwohl hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Sinn und Umfang enthalten sind. Weiter sollen alle in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Beispiele und Ausführungsbeispiele ausdrücklich nur zu Erläuterungszwecken dienen, um dem Leser ein Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu erleichtern. Darüber hinaus sollen alle hierin enthaltenen Aussagen, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung vorsehen, sowie spezifische Beispiele davon, Äquivalente davon umfassen.

Claims (20)

  1. Ein Leistungswandler, der konfiguriert ist zum Vorsehen von Energie an einem Ausgangsanschluss basierend auf Energie, die an einem Eingangsanschluss vorgesehen ist; wobei der Leistungswandler aufweist: - einen ersten Schalter, wobei- ein erster Knoten des ersten-Schalters mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des ersten Schalters mit einem Zwischenpunkt gekoppelt ist; - einen zweiten Schalter, wobei ein erster Knoten des zweiten Schalters mit dem Zwischenpunkt gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des zweiten Schalters mit einem Induktorpunkt gekoppelt ist; - einen Kondensator, wobei ein erster Knoten des Kondensators mit dem Zwischenpunkt gekoppelt ist; - ein erstes Diodenelement, wobei ein erster Knoten des ersten Diodenelements mit einem zweiten Knoten des Kondensators gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des ersten Diodenelements mit dem Induktorpunkt gekoppelt ist; - ein zweites Diodenelement, wobei ein erster Knoten des zweiten Diodenelements mit einem Referenzanschluss gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des zweiten Diodenelements mit dem zweiten Knoten des Kondensators gekoppelt ist; und - einen Induktor, wobei ein erster Knoten des Induktors mit dem Induktorpunkt gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des Induktors mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist.
  2. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei - der Leistungswandler eine Steuereinheit aufweist; und - die Steuereinheit konfiguriert ist zum Betreiben des Leistungswandlers in verschiedenen Betriebszuständen, um Leistung an dem Ausgangsanschluss vorzusehen.
  3. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 2, wobei - die Steuereinheit konfiguriert ist zum Betreiben des Leistungswandlers in einem ersten Betriebszustand, und - in dem ersten Betriebszustand der erste Schalter geschlossen oder EIN ist und der zweite Schalter offen oder AUS ist.
  4. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 2, wobei - die Steuereinheit konfiguriert ist zum Betreiben des Leistungswandlers in einem zweiten Betriebszustand; und - in dem zweiten Betriebszustand der erste Schalter offen oder AUS ist und der zweite Schalter geschlossen oder EIN ist.
  5. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 3, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum - Erfassen, dass an dem Ausgangsanschluss Energie angefordert wird; und - Betreiben des Leistungswandlers in dem ersten Betriebszustand, um Energie von dem Eingangsanschluss zu dem Ausgangsanschluss vorzusehen und Energie von dem Eingangsanschluss zu dem Kondensator zu laden.
  6. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 5, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum - Erfassen, dass keine weitere Energie an dem Ausgangsanschluss benötigt wird, während der Leistungswandler in dem ersten Betriebszustand betrieben wird; und - Halten des Leistungswandlers in dem ersten Betriebszustand und/oder Aussetzen des Betriebs des Leistungswandlers in dem zweiten Betriebszustand.
  7. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 3, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum - Erfassen, dass Energie an dem Ausgangsanschluss angefordert wird; und - Bestimmen, dass der Leistungswandler in dem ersten Betriebszustand betrieben wurde und/oder betrieben wird; und - Betreiben des Leistungswandlers in dem zweiten Betriebszustand, um in dem Kondensator gespeicherte Energie an den Ausgangsanschluss vorzusehen.
  8. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 2, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum - Bestimmen einer Spannungsangabe einer Ausgangsspannung der an dem Ausgangsanschluss vorgesehenen Energie; und - Betreiben des Leistungswandlers in Abhängigkeit von der Spannungsangabe, um die Ausgangsspannung auf eine Sollspannung zu regeln.
  9. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 8, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum - Anpassen einer Zyklusrate zum Wiederholen eines Zyklus, der eine Vielzahl von verschiedenen Betriebszuständen des Leistungswandlers aufweist; - Anpassen einer Anzahl von aktiven Phasen aus einer Vielzahl von verschiedenen Phasen des Leistungswandlers; und/oder -Anpassen eines Kapazitätswerts des Kondensators in Abhängigkeit von der Spannungsangabe.
  10. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 2, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum Setzen eines oder mehrerer aufeinanderfolgender Zeitpunkte zum Wechseln zwischen verschiedenen Betriebszuständen in Abhängigkeit von einer Zeitkonstante, die von einer Kapazität des Kondensators und einer Induktivität des Induktors abhängt.
  11. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei - der erste Schalter, der zweite Schalter, der Kondensator, das erste Diodenelement und das zweite Diodenelement eine Phase des Leistungswandlers bilden, die zwischen dem Eingangsanschluss und dem Induktorpunkt angeordnet ist; und - der Leistungswandler eine Vielzahl von Phasen aufweist, die parallel zueinander zwischen dem Eingangsanschluss und dem Induktorpunkt angeordnet sind.
  12. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 11, wobei der Leistungswandler nur einen einzelnen Induktor und/oder einen gemeinsamen Induktor zwischen dem Induktorpunkt und dem Ausgangsanschluss für die Vielzahl von verschiedenen Phasen aufweist.
  13. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 11; wobei - der Leistungswandler eine Steuereinheit aufweist; und - die Steuereinheit konfiguriert ist zum Betreiben der Vielzahl von verschiedenen Phasen zueinander phasenverschoben, so dass Spitzen von Ausgangsströmen, die von den verschiedenen Phasen an dem Ausgangsanschluss vorgesehen werden, über die Zeit verteilt sind und/oder nicht zusammenfallen.
  14. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei - ein Kapazitätswert des Kondensators anpassbar ist; und - der Leistungswandler eine Steuereinheit aufweist, die konfiguriert ist zum Anpassen des Kapazitätswerts des Kondensators während eines Betriebs des Leistungswandlers.
  15. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei - das erste Diodenelement und/oder das zweite Diodenelement konfiguriert sind zum Ermöglichen eines Stroms von dem jeweiligen ersten Knoten zu dem jeweiligen zweiten Knoten und zum Blockieren eines Stroms von dem jeweiligen zweiten Knoten zu dem jeweiligen ersten Knoten; und/oder - das erste Diodenelement und/oder das zweite Diodenelement unter Verwendung eines oder mehrerer Schalter implementiert sind, die betätigt werden, um eine Diodenfunktion vorzusehen.
  16. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei - der Leistungswandler einen Ausgangskondensator aufweist, der mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist; und - der Ausgangskondensator und der Induktor in mehrere Teilkondensatoren und mehrere Teilinduktoren aufgeteilt sind, um ein Ausgangsfilter vierter oder höherer Ordnung zu bilden.
  17. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei - das erste Diodenelement unter Verwendung eines Schalters implementiert ist; - das zweite Diodenelement unter Verwendung eines Schalters implementiert ist; - der Leistungswandler ein drittes Diodenelement aufweist, das konfiguriert ist zum Koppeln des Induktorpunkts mit dem Referenzanschluss; wobei das dritte Diodenelement unter Verwendung eines Schalters implementiert ist; - der Leistungswandler eine Steuereinheit aufweist; und - die Steuereinheit konfiguriert ist zum - Offen-Halten des ersten Diodenelements und des zweiten Diodenelements; - Geschlossen-Halten des zweiten Schalters; - Durchführen einer Leistungsumwandlung zwischen dem Eingangsanschluss und dem Ausgangsanschluss durch abwechselndes Ein- und Ausschalten des ersten Schalters und des dritten Diodenelements.
  18. Ein Leistungswandler, der konfiguriert ist zum Vorsehen von Energie an einem Ausgangsanschluss basierend auf Energie, die an einem Eingangsanschluss vorgesehen ist; wobei der Leistungswandler aufweist - einen ersten Schalter, wobei ein erster Knoten des ersten Schalters mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des ersten Schalters mit einem Zwischenpunkt gekoppelt ist; - einen zweiten Schalter, wobei ein erster Knoten des zweiten Schalters mit dem Zwischenpunkt gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des zweiten Schalters mit einem Referenzanschluss gekoppelt ist; - einen Kondensator, wobei ein erster Knoten des Kondensators mit dem Zwischenpunkt gekoppelt ist; - ein erstes Diodenelement, wobei ein erster Knoten des ersten Diodenelements mit dem Eingangsanschluss gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des ersten Diodenelements mit einem Induktorpunkt gekoppelt ist; ein zweites Diodenelement, wobei ein erster Knoten des zweiten Diodenelements mit dem Induktorpunkt gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des zweiten Diodenelements mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist; und - einen Induktor, wobei ein erster Knoten des Induktors mit einem zweiten Knoten des Kondensators gekoppelt ist und wobei ein zweiter Knoten des Induktors mit dem Induktorpunkt gekoppelt ist.
  19. Verfahren zum Betreiben eines Leistungswandlers gemäß Anspruch 1; wobei das Verfahren aufweist - Betreiben des Leistungswandlers in verschiedenen Betriebszuständen, um Leistung an dem Ausgangsanschluss bei einer geregelten Ausgangsspannung vorzusehen.
  20. Verfahren zum Vorsehen von Energie an einem Ausgangsanschluss eines Leistungswandlers basierend auf Energie, die an einem Eingangsanschluss des Leistungswandlers vorgesehen wird; wobei das Verfahren aufweist - in einem ersten Betriebszustand des Leistungswandlers, - Schließen eines ersten Schalters, der zwischen dem Eingangsanschluss und einem Kondensator angeordnet ist, um den Kondensator zumindest teilweise zu laden; und - Öffnen eines zweiten Schalters, der zwischen dem Kondensator und einem Induktor angeordnet ist, wobei der Induktor mit dem Ausgangsanschluss gekoppelt ist, um den Kondensator von dem Ausgangsanschluss zu entkoppeln; und - in einem nachfolgenden zweiten Betriebszustand des Leistungswandlers, - Öffnen des ersten Schalters, um den Kondensator von dem Eingangsanschluss zu entkoppeln; und - Schließen des zweiten Schalters, um den Kondensator über den Induktor zu dem Ausgangsanschluss zumindest teilweise zu entladen.
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