DE102020212477A1

DE102020212477A1 - Hybridwandler mit impliziter Ein-Zeit-Regelung

Info

Publication number: DE102020212477A1
Application number: DE102020212477.9A
Authority: DE
Inventors: Mihail Jefremow; Simon Stark; Holger Petersen; Stephan Drebinger; Fabio Rigoni; Alessandro Angeli
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2019-12-05
Filing date: 2020-10-02
Publication date: 2021-06-10
Also published as: US11011988B1; US20210175801A1

Abstract

Ein DC/DC-Leistungswandler und ein Verfahren zum Umwandeln einer Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung werden dargestellt. Der Leistungswandler kann einen ersten fliegenden Kondensator, einen zweiten fliegenden Kondensator, einen Induktor und Schaltelemente haben. Er kann die Schaltelemente derart steuern, dass die Schaltelemente einen ersten Magnetisierungsstrompfad von dem Eingangsknoten über den ersten fliegenden Kondensator, über den zweiten fliegenden Kondensator, über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen. Der Wandler kann die Schaltelemente steuern, um den ersten Magnetisierungsstrompfad nach einem vorgegebenen Zeitintervall zu unterbrechen. Der Wandler kann die Schaltelemente derart steuern, dass die Schaltelemente einen Entmagnetisierungsstrompfad von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen. Der Wandler kann die Schaltelemente derart steuern, dass der Entmagnetisierungsstrompfad unterbrochen wird, wenn ein Strom durch den Induktor einen vorgegebenen Schwellenstromwert erreicht.

Description

Technischer Bereich
Das vorliegende Dokument betrifft Gleichstrom- bzw. DC(direct current)/DC-Leistungswandler. Insbesondere betrifft das vorliegende Dokument mehrstufige Leistungswandler zur Regelung einer Ausgangsspannung mit Hilfe von zwei fliegenden Kondensatoren und einem Induktor.
Hintergrund
Gegenwärtige Praxis besteht darin, einen herkömmlichen einstufigen Abwärtswandler zu verwenden, der auf einem Induktor/einer Spule basiert, um eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung umzuwandeln. Der Vorteil der Verwendung eines Induktor-basierten Leistungswandlers gegenüber Kondensator-basierten Leistungswandlern ist die Freiheit, die Ausgangsspannung zu regeln. Kondensator-basierte Leistungswandler müssten die Kondensatorschaltkonfiguration ändern, um unterschiedliche Ausgangsspannungspegel vorzusehen.
Jüngste Markttrends bei tragbaren bzw. wearablen Geräten (wie z.B. Ohrhörern, Uhren und Fitness-Trackern) machen es erforderlich, sehr kleine Induktorflächen und insbesondere sehr kleine vertikale Abmessungen der Induktoren zu wählen. Der geringe Platzbedarf wird jedoch normalerweise durch Einbußen bei der Qualität des Induktors erreicht. Es kann gezeigt werden, dass Induktoren mit geringem Platzbedarf die Leistungseffizienz von Abwärtswandlern des Standes der Technik erheblich verschlechtern können.
Es gibt neue Architekturen, die als mehrstufige Wandler (MLC - multilevel converters) bezeichnet werden, wie z.B. mehrstufige Abwärtswandler, die die Leistungseffizienz im Vergleich zu herkömmlichen einstufigen Abwärtswandlern verbessern können. Mehrstufige Abwärtswandler bestehen typischerweise aus zwei Stufen. Eine erste Stufe kann einen oder mehrere fliegende Kondensatoren zum Teilen der Eingangsspannung durch ein bestimmtes Teilungsverhältnis aufweisen. Die geteilte Eingangsspannung wird dann als Versorgungsspannung für die zweite Stufe verwendet, die einen Induktor-basierten Leistungswandler aufweist. Die MLC-Architektur kann einen wesentlichen Vorteil in Bezug auf die Leistungseffizienz erzielen, wenn die Ausgangsspannung nahe der Eingangsspannung geteilt durch das Teilungsverhältnis der ersten Stufe ist. In dieser Situation wird die Hauptleistungsumwandlung von dem (den) fliegenden Kondensator(en) durchgeführt und der Induktor wird nur zum Anpassen der endgültigen Ausgangsspannung verwendet. In diesem Fall ist die Leistungseffizienz viel weniger von der Spulenqualität abhängig und hängt mehr von der Kondensatorqualität ab, die für kleine Größen viel einfacher zu realisieren ist.
Eine große Herausforderung bei MLCs besteht darin, die Spannungen über dem (den) fliegenden Kondensator(en) der ersten Stufe zu regeln, was Steuerschaltungen mit erheblicher Komplexität, Stromverbrauch und Schaltungsfläche erfordert. Ein weiterer Nachteil von MLC-Architekturen besteht darin, dass die Leistungseffizienz im Vergleich zu herkömmlichen einstufigen Leistungswandlern nur dann verbessert wird, wenn das Umwandlungsverhältnis des MLC (d.h. das Verhältnis zwischen der gegebenen Eingangsspannung und der gewünschten Ausgangsspannung) ähnlich ist zu dem Teilungsverhältnis der ersten Stufe des MLC. Wenn jedoch das Umwandlungsverhältnis erheblich von dem Teilungsverhältnis abweicht, kann die Leistungseffizienz des MLC abnehmen. Insbesondere für sehr große oder sehr kleine Umwandlungsverhältnisse muss der Induktor einen großen Teil des Umwandlungsverhältnisses tragen, und der MLC wird wieder empfindlicher hinsichtlich der Induktorqualität. Daher kann die Leistungseffizienz des MLC ähnlich oder schlechter sein als die Leistungseffizienz eines herkömmlichen einstufigen Leistungswandlers, abhängig von dem erforderlichen Umwandlungsverhältnis und der Induktorqualität.
Zusammenfassung
Das vorliegende Dokument befasst sich mit den oben genannten technischen Problemen. Das vorliegende Dokument befasst sich insbesondere mit dem technischen Problem eines Vorsehens eines mehrstufigen Leistungswandlers mit verbesserter Leistungseffizienz für alle Umwandlungsverhältnisse, mit einem neuartigen Ansatz zur Regelung der Spannungen über den fliegenden Kondensatoren und mit einem reduzierten Gesamtenergieverbrauch.
Gemäß einem Aspekt wird ein Leistungswandler dargestellt. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein zum Umwandeln einer Eingangsspannung an einem Eingangsknoten in eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten. Der Leistungswandler kann einen ersten fliegenden Kondensator, einen zweiten fliegenden Kondensator, einen Induktor und Schaltelemente aufweisen. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in einem ersten Magnetisierungszustand die Schaltelemente derart zu steuern, dass die Schaltelemente einen ersten Magnetisierungsstrompfad von dem Eingangsknoten über den ersten fliegenden Kondensator, über den zweiten fliegenden Kondensator, über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in dem ersten Magnetisierungszustand die Schaltelemente derart zu steuern, dass die Schaltelemente den ersten Magnetisierungsstrompfad nach einem vorgegebenen Zeitintervall unterbrechen. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in einem Entmagnetisierungszustand die Schaltelemente derart zu steuern, dass die Schaltelemente einen Entmagnetisierungsstrompfad von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in dem Entmagnetisierungszustand die Schaltelemente derart zu steuern, dass der Entmagnetisierungsstrompfad unterbrochen wird, wenn ein Strom durch den Induktor einen vorgegebenen Schwellenstromwert erreicht. Zum Beispiel kann der vorgegebene Schwellenstromwert OA sein, d.h. der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um einen Nulldurchgang des Induktorstroms zu erfassen, und kann konfiguriert sein, um den Entmagnetisierungsstrompfad bei einem Erfassen des Nulldurchgangs zu unterbrechen.
Durch Magnetisieren des Induktors für eine konstante Zeitperiode (d.h. das vorgegebene Zeitintervall) und Entmagnetisieren des Induktors bis zum Erreichen des vorgegebenen Schwellenstromwerts kann eine implizite Regelung der Spannungen über dem ersten und dem zweiten fliegenden Kondensator erreicht werden. In einem stabilen Betrieb kann sich die Spannung über dem zweiten fliegenden Kondensator um ein Viertel der Eingangsspannung herum einstellen, und die Spannung über dem ersten fliegenden Kondensator kann sich um die Hälfte der Eingangsspannung herum einstellen. Daher sind keine zusätzlichen Spannungsregelkreise erforderlich, um letztere Spannungen zu regeln. Da weiter der erste Magnetisierungszustand nach einer konstanten Zeitperiode beendet wird, werden Spitzenstromerfassungsschaltungen, wie aus dem Stand der Technik bekannt, entbehrlich. Darüber hinaus ermöglicht der beschriebene Leistungswandler eine Verbesserung der Leistungseffizienz im Vergleich zu mehrstufigen Leistungswandlern, die aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Jedes der Schaltelemente kann mit einer geeigneten Vorrichtung implementiert werden, wie zum Beispiel einem Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET - metal-oxidesemiconductor field effect transistor), einem IGBT (insulated-gate bipolar transistor), einem MOS-gesteuerten Thyristor oder einer anderen geeigneten Leistungsvorrichtung . Jedes Schaltelement kann ein Gate haben, an das eine jeweilige Ansteuerspannung oder ein Steuersignal angelegt werden kann, um das Schaltelement einzuschalten (d.h. das Schaltelement zu schließen) oder das Schaltelement auszuschalten (d.h. das Schaltelement zu öffnen).
In diesem Dokument ist der Begriff „Referenzpotential“ in seinem weitesten Sinne anzusehen. Insbesondere ist das Referenzpotential nicht auf Masse beschränkt, d.h. ein Referenzpotential mit einer direkten physikalischen Verbindung zur Erde. Der Begriff „Referenzpotential“ kann sich vielmehr auf jeden Referenzpunkt beziehen, zu dem und von dem elektrische Ströme fließen können oder von dem Spannungen gemessen werden können. Darüber hinaus sollte angemerkt werden, dass sich die in diesem Dokument genannten Referenzpotentiale möglicherweise nicht unbedingt auf denselben physikalischen Kontakt beziehen. Stattdessen können sich die in diesem Dokument genannten Referenzpotentiale auf verschiedene physikalische Kontakte beziehen, obwohl zur Vereinfachung der Darstellung auf „das“ Referenzpotential Bezug genommen wird.
Im Allgemeinen können der erste und der zweite fliegende Kondensator passive elektronische Komponenten sein, die elektrische Energie in einem elektrischen Feld speichern können. Die Kondensatoren können unterschiedliche Kapazitätswerte oder den gleichen Kapazitätswert haben. Jeder Kondensator kann einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweisen. Die Kondensatoren werden als „fliegend“ bezeichnet, da während bestimmter Schaltzustände des beschriebenen Leistungswandlers der erste und der zweite Anschluss möglicherweise nicht auf einen definierten logischen Spannungspegel gesteuert werden, d.h. die Anschlüsse der Kondensatoren können auf beliebigen Spannungswerte schwebend sein. Mit anderen Worten können die Anschlüsse der Kondensatoren Knoten hoher Impedanz sein in bestimmten Schaltzuständen, wobei keine oder nur eine relativ kleine Strommenge durch die Anschlüsse fließt.
Für Fachleute dürfte offensichtlich sein, dass die Adjektive „magnetisierend (Magnetisierung)“ und „entmagnetisierend (Entmagnetisierung)“ hier verwendet werden, um den Zweck der jeweiligen Zustände und Strompfade zu beschreiben. In dem ersten Magnetisierungszustand kann ein zunehmender Strom entlang des ersten Magnetisierungsstrompfads fließen, was zu einem zunehmenden Magnetfeld führt, das von dem Induktor erzeugt wird. Mit anderen Worten kann gesagt werden, dass der Induktor während des ersten Magnetisierungszustands „magnetisiert“ ist. Umgekehrt kann in dem Entmagnetisierungszustand ein abnehmender Strom entlang des Entmagnetisierungsstrompfads fließen, was zu einer entsprechenden Verringerung des Magnetfelds führt. Es kann gesagt werden, dass der Induktor während des Entmagnetisierungszustands „entmagnetisiert“ ist.
Der Leistungswandler kann eine Steuereinheit aufweisen, die konfiguriert ist, um die Funktionsmerkmale des Leistungswandlers auszuführen. Das heißt, der Leistungswandler kann eine Steuereinheit aufweisen, die konfiguriert ist zum Steuern der Schaltelemente, wie in diesem Dokument beschrieben. Insbesondere kann die Steuereinheit konfiguriert sein, um zwischen den verschiedenen Zuständen zu schalten und die Schaltelemente gemäß dem aktuell ausgewählten Zustand zu steuern. Wie in den folgenden Absätzen beschrieben wird, kann die Steuereinheit konfiguriert sein, um Steuersignale von z.B. einem Timer bzw. Zeitgeber, einem ersten Komparator und einem zweiten Komparator zu empfangen, und die Steuereinheit kann konfiguriert sein, um eine Entscheidung hinsichtlich des nächsten Zustands basierend auf den Steuersignalen zu treffen. Die Steuereinheit kann in einer einzelnen zentralisierten Steuerlogik oder auf verteilte Weise in einer Vielzahl von miteinander verbundenen Steuerlogiken implementiert sein.
Zum Beispiel kann der Leistungswandler konfiguriert sein, um von dem ersten Magnetisierungszustand in den Entmagnetisierungszustand zu schalten, nachdem das vorgegebene Zeitintervall in dem ersten Magnetisierungszustand abgelaufen ist. Insbesondere kann der Leistungswandler konfiguriert sein, um den Magnetisierungsstrompfad nach dem Zeitintervall zu unterbrechen, durch sofortiges Schalten in den Entmagnetisierungszustand und Herstellen des Entmagnetisierungsstrompfads.
Der Leistungswandler kann einen ersten Komparator aufweisen, der konfiguriert ist, um die Ausgangsspannung an dem Ausgangsknoten mit einer Referenzspannung zu vergleichen. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, basierend auf dem Vergleich in den ersten Magnetisierungszustand einzutreten. Zum Beispiel kann der Komparator konfiguriert sein, um anzugeben, wenn die Ausgangsspannung die Referenzspannung erreicht oder unter diese fällt. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, wenn der Komparator angibt, dass die Ausgangsspannung die Referenzspannung erreicht oder unter diese fällt, einen Leerlaufzustand zu verlassen, während dem kein Strom durch den Induktor fließt, und in den ersten Magnetisierungszustand einzutreten. Wie oben bereits beschrieben, kann der Leistungswandler dann konfiguriert sein, um in dem ersten Magnetisierungszustand die Schaltelemente derart zu steuern, dass die Schaltelemente den oben beschriebenen ersten Magnetisierungsstrompfad von dem Eingangsknoten über den ersten fliegenden Kondensator, über den zweiten fliegenden Kondensator, über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen. Wiederum kann der Leistungswandler konfiguriert sein, um in dem ersten Magnetisierungszustand die Schaltelemente derart zu steuern, dass die Schaltelemente den ersten Magnetisierungsstrompfad nach dem vorgegebenen Zeitintervall unterbrechen.
Der Leistungswandler kann einen Zeitgeber aufweisen, der konfiguriert ist, um bei Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls ein Signal zu erzeugen. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in dem ersten Magnetisierungszustand den ersten Magnetisierungsstrom basierend auf dem Signal zu unterbrechen.
Der Leistungswandler kann einen zweiten Komparator aufweisen, der konfiguriert ist, um in dem Entmagnetisierungszustand den Strom (eine Spannung, die diesen angibt) durch den Induktor (mit einem vorgegebenen Schwellenspannungswert, der assoziiert ist) mit dem vorgegebenen Schwellwertstromwert zu vergleichen. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in dem Entmagnetisierungszustand den Entmagnetisierungsstrompfad basierend auf dem Vergleich zu unterbrechen. Zum Beispiel kann der vorgegebene Schwellenstromwert OA sein, der vorgegebene Schwellenspannungswert kann OV sein und die Spannung, die den Strom durch den Induktor angibt, kann durch Abgreifen eines beliebigen Knotens auf dem Entmagnetisierungsstrompfad erlangt werden.
Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in einem zweiten Magnetisierungszustand die Schaltelemente derart zu steuern, dass die Schaltelemente einen zweiten Magnetisierungsstrompfad von einem Referenzpotential über den zweiten fliegenden Kondensator, über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in dem zweiten Magnetisierungszustand die Schaltelemente derart zu steuern, dass die Schaltelemente den zweiten Magnetisierungsstrompfad nach dem vorgegebenen Zeitintervall unterbrechen.
Der oben angeführte Zeitgeber kann konfiguriert sein, um ein Signal bei Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls in dem zweiten Magnetisierungszustand zu erzeugen, und der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in dem zweiten Magnetisierungszustand den zweiten Magnetisierungsstrom basierend auf dem von diesem Zeitgeber erzeugten Signal zu unterbrechen. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um von dem zweiten Magnetisierungszustand in den Entmagnetisierungszustand zu schalten, nachdem das vorgegebene Zeitintervall in dem zweiten Magnetisierungszustand abgelaufen ist.
Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in einem dritten Magnetisierungszustand die Schaltelemente derart zu steuern, dass die Schaltelemente einen dritten Magnetisierungsstrompfad von einem Referenzpotential über den ersten fliegenden Kondensator, über den zweiten fliegenden Kondensator, über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in dem dritten Magnetisierungszustand die Schaltelemente derart zu steuern, dass die Schaltelemente den dritten Magnetisierungsstrompfad nach dem vorgegebenen Zeitintervall unterbrechen.
Wiederum kann der oben erwähnte Zeitgeber konfiguriert sein, um bei Ablauf eines vorgegebenen Zeitintervalls in dem dritten Magnetisierungszustand ein Signal zu erzeugen, und der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in dem dritten Magnetisierungszustand den dritten Magnetisierungsstrom basierend auf dem von dem Zeitgeber erzeugten Signal zu unterbrechen. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um von dem dritten Magnetisierungszustand in den Entmagnetisierungszustand zu schalten, nachdem das vorgegebene Zeitintervall in dem dritten Magnetisierungszustand abgelaufen ist.
Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in einen Leerlaufzustand zu schalten, nachdem der Strom durch den Induktor den vorgegebenen Schwellenstromwert in dem Entmagnetisierungszustand erreicht hat. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in dem Leerlaufzustand die Schaltelemente derart zu steuern, dass kein Strom durch den Induktor fließt. Daher kann gesagt werden, dass der beschriebene Leistungswandler konfiguriert ist für einen Betrieb in dem diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM - discontinuous conduction mode, auch als diskontinuierlicher Strommodus bekannt). Während des Leerlaufzustands können einige oder alle Schaltelemente offen sein. Darüber hinaus kann die Steuereinheit, die konfiguriert ist, um das Schaltverhalten der Schaltelemente zu steuern, ausgeschaltet werden, und nur der erste Komparator kann aktiv sein, wodurch der Energieverbrauch des Leistungswandlers während des Leerlaufzustands reduziert wird.
Der Leistungswandler kann den ersten Komparator aufweisen, der konfiguriert ist, um die Ausgangsspannung an dem Ausgangsknoten mit einer Referenzspannung zu vergleichen, und der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um basierend auf dem Vergleich von dem Leerlaufzustand in den dritten Magnetisierungszustand zu schalten.
Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um zwischen den verschiedenen Zuständen gemäß der folgenden geordneten Zustandssequenz zu schalten: der erste Magnetisierungszustand; der Entmagnetisierungszustand; der zweite Magnetisierungszustand; der Entmagnetisierungszustand; (der Leerlaufzustand;) der dritte Magnetisierungszustand; der Entmagnetisierungszustand; der zweite Magnetisierungszustand; der Entmagnetisierungszustand (; der Leerlaufzustand). Leerlaufzustände können nach jedem oder einem Teilsatz der Entmagnetisierungszustände eingefügt werden.
Insbesondere kann der Leistungswandler konfiguriert sein, um von dem ersten Magnetisierungszustand in den Entmagnetisierungszustand zu schalten, wenn das vorgegebene Zeitintervall abläuft. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um von dem Entmagnetisierungszustand in den zweiten Magnetisierungszustand (oder zuerst in den Leerlaufzustand und dann in den zweiten Magnetisierungszustand) zu schalten, wenn der Strom durch den Induktor unter den vorgegebenen Schwellenstromwert fällt. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um von dem zweiten Magnetisierungszustand in den Entmagnetisierungszustand zu schalten, wenn das vorgegebene Zeitintervall abläuft. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um von dem Entmagnetisierungszustand in den Leerlaufzustand zu schalten, wenn der Strom durch den Induktor unter den vorgegebenen Schwellenstromwert fällt. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um von dem Leerlaufzustand in den dritten Magnetisierungszustand zu schalten, wenn die Ausgangsspannung an dem Ausgangsknoten unter die Referenzspannung fällt. Alternativ kann der Leerlaufzustand übersprungen werden. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um von dem dritten Magnetisierungszustand in den Entmagnetisierungszustand zu schalten, wenn das vorgegebene Zeitintervall abläuft. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um von dem Entmagnetisierungszustand in den zweiten Magnetisierungszustand (oder zuerst in den Leerlaufzustand und dann in den zweiten Magnetisierungszustand) zu schalten, wenn der Strom durch den Induktor unter den vorgegebenen Schwellenstromwert fällt. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um von dem zweiten Magnetisierungszustand in den Entmagnetisierungszustand zu schalten, wenn das vorgegebene Zeitintervall abläuft. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um von dem Entmagnetisierungszustand in den Leerlaufzustand zu schalten, wenn der Strom durch den Induktor unter den vorgegebenen Schwellenstromwert fällt. Schließlich kann der Leistungswandler konfiguriert sein, um von dem Leerlaufzustand zurück in den ersten Magnetisierungszustand zu schalten, wenn die Ausgangsspannung an dem Ausgangsknoten unter die Referenzspannung fällt. Alternativ kann der Leerlaufzustand übersprungen werden.
Die Schaltelemente können ein erstes Schaltelement aufweisen, das zwischen dem Eingangsknoten und einem ersten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators gekoppelt ist, ein zweites Schaltelement, das zwischen einem zweiten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators und dem ersten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators gekoppelt ist, und ein sechstes Schaltelement, das zwischen einem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors gekoppelt ist. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in dem ersten Magnetisierungszustand den ersten Magnetisierungsstrompfad unter Verwendung des ersten, des zweiten und des sechsten Schaltelements herzustellen. Ein zweiter Anschluss der Induktor kann mit dem Ausgangsknoten des Leistungswandlers gekoppelt sein.
Die Schaltelemente können ein fünftes Schaltelement aufweisen, das zwischen einem ersten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors gekoppelt ist, und ein siebtes Schaltelement, das zwischen einem Referenzpotential und einem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators gekoppelt ist. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in dem zweiten Magnetisierungszustand den zweiten Magnetisierungsstrompfad unter Verwendung des fünften und des siebten Schaltelements herzustellen.
Die Schaltelemente können ein drittes Schaltelement aufweisen, das zwischen einem Referenzpotential und einem zweiten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators gekoppelt ist, ein viertes Schaltelement, das zwischen einem ersten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators und dem ersten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators gekoppelt ist. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in dem dritten Magnetisierungszustand den dritten Magnetisierungsstrompfad unter Verwendung des dritten, des vierten und des sechsten Schaltelements herzustellen.
Die Schaltelemente können ein siebtes Schaltelement aufweisen, das zwischen einem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators und einem Referenzpotential gekoppelt ist. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um in dem Entmagnetisierungszustand den Entmagnetisierungsstrompfad unter Verwendung des sechsten und des siebten Schaltelements herzustellen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungswandlers beschrieben. Das Verfahren kann Schritte aufweisen, die den Merkmalen des in diesem Dokument beschriebenen Leistungswandlers entsprechen. Insbesondere kann das Verfahren zum Betreiben eines Leistungswandlers geeignet sein, der konfiguriert ist zum Umwandeln einer Eingangsspannung an einem Eingangsknoten in eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten. Der Leistungswandler kann einen ersten fliegenden Kondensator, einen zweiten fliegenden Kondensator, einen Induktor und Schaltelemente aufweisen. Das Verfahren kann ein Steuern, in einem ersten Magnetisierungszustand, der Schaltelemente derart aufweisen, dass die Schaltelemente einen ersten Magnetisierungsstrompfad von dem Eingangsknoten über den ersten fliegenden Kondensator, über den zweiten fliegenden Kondensator, über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen. Das Verfahren kann ein Steuern, in dem ersten Magnetisierungszustand, der Schaltelemente derart aufweisen, dass die Schaltelemente den ersten Magnetisierungsstrompfad nach einem vorgegebenen Zeitintervall unterbrechen. Das Verfahren kann ein Steuern, in einem Entmagnetisierungszustand, der Schaltelemente derart aufweisen, dass die Schaltelemente einen Entmagnetisierungsstrompfad von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen. Das Verfahren kann ein Steuern, in dem Entmagnetisierungszustand, der Schaltelemente derart aufweisen, dass der Entmagnetisierungsstrompfad unterbrochen wird, wenn ein Strom durch den Induktor einen vorgegebenen Schwellenstromwert erreicht.
Der Leistungswandler kann einen ersten Komparator aufweisen, der konfiguriert ist, um die Ausgangsspannung an dem Ausgangsknoten mit einer Referenzspannung zu vergleichen. Das Verfahren kann ein Eintreten in den ersten Magnetisierungszustand basierend auf dem Vergleich aufweisen.
Der Leistungswandler kann einen Zeitgeber aufweisen, der konfiguriert ist, um bei Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls ein Signal zu erzeugen. Das Verfahren kann ein Unterbrechen, in dem ersten Magnetisierungszustand, des ersten Magnetisierungsstroms basierend auf dem Signal aufweisen.
Der Leistungswandler kann einen zweiten Komparator aufweisen, der konfiguriert ist, um in dem Entmagnetisierungszustand den Strom (eine Spannung, die diesen angibt) durch den Induktor (mit einem vorgegebenen Schwellenspannungswert, der assoziiert ist) mit dem vorgegebenen Schwellenstromwert zu vergleichen. Das Verfahren kann in dem Entmagnetisierungszustand ein Unterbrechen des Entmagnetisierungsstrompfads basierend auf dem Vergleich aufweisen.
Das Verfahren kann ein Steuern, in einem zweiten Magnetisierungszustand, der Schaltelemente derart aufweisen, dass die Schaltelemente einen zweiten Magnetisierungsstrompfad von einem Referenzpotential über den zweiten fliegenden Kondensator, über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen. Das Verfahren kann, in dem zweiten Magnetisierungszustand, ein Steuern der Schaltelemente derart aufweisen, dass die Schaltelemente den zweiten Magnetisierungsstrompfad nach dem vorgegebenen Zeitintervall unterbrechen.
Das Verfahren kann, in einem dritten Magnetisierungszustand, ein Steuern der Schaltelemente derart aufweisen, dass die Schaltelemente einen dritten Magnetisierungsstrompfad von einem Referenzpotential über den ersten fliegenden Kondensator, über den zweiten fliegenden Kondensator, über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen. Das Verfahren kann, in dem dritten Magnetisierungszustand, ein Steuern der Schaltelemente derart aufweisen, dass die Schaltelemente den dritten Magnetisierungsstrompfad nach dem vorgegebenen Zeitintervall unterbrechen.
Das Verfahren kann ein Schalten in einen Leerlaufzustand aufweisen, nachdem der Strom durch den Induktor den vorgegebenen Schwellenstromwert in dem Entmagnetisierungszustand erreicht. Das Verfahren kann ein Steuern, in dem Leerlaufzustand, der Schaltelemente derart aufweisen, dass kein Strom durch den Induktor fließt.
Der Leistungswandler kann einen ersten Komparator aufweisen, der konfiguriert ist, um die Ausgangsspannung an dem Ausgangsknoten mit einer Referenzspannung zu vergleichen. Das Verfahren kann ein Schalten von dem Leerlaufzustand in den dritten Magnetisierungszustand basierend auf dem Vergleich aufweisen. Im Allgemeinen können Leerlaufzustände nach jedem Entmagnetisierungszustand zufällig eingefügt werden.
Das Verfahren kann ein Schalten zwischen den verschiedenen Zuständen gemäß der folgenden geordneten Zustandssequenz aufweisen: der erste Magnetisierungszustand; der Entmagnetisierungszustand; der zweite Magnetisierungszustand; der Entmagnetisierungszustand; der Leerlaufzustand; der dritte Magnetisierungszustand; der Entmagnetisierungszustand; der zweite Magnetisierungszustand; der Entmagnetisierungszustand; der Leerlaufzustand. Wiederum können Leerlaufzustände nach jedem Entmagnetisierungszustand zufällig eingefügt werden.
Die Schaltelemente können ein erstes Schaltelement aufweisen, das zwischen dem Eingangsknoten und einem ersten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators gekoppelt ist, ein zweites Schaltelement, das zwischen einem zweiten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators und dem ersten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators gekoppelt ist, und ein sechstes Schaltelement, das zwischen einem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors gekoppelt ist. Das Verfahren kann ein Herstellen, in dem ersten Magnetisierungszustand, des ersten Magnetisierungsstrompfads durch Schließen des ersten, des zweiten und des sechsten Schaltelements aufweisen.
Die Schaltelemente können ein fünftes Schaltelement aufweisen, das zwischen einem ersten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors gekoppelt ist, und ein siebtes Schaltelement, das zwischen einem Referenzpotential und einem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators gekoppelt ist. Das Verfahren kann ein Herstellen, in dem zweiten Magnetisierungszustand, des zweiten Magnetisierungsstrompfads durch Schließen des fünften und des siebten Schaltelements aufweisen.
Die Schaltelemente können ein drittes Schaltelement aufweisen, das zwischen einem Referenzpotential und einem zweiten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators gekoppelt ist, ein viertes Schaltelement, das zwischen einem ersten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators und dem ersten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators gekoppelt ist. Das Verfahren kann ein Herstellen, in dem dritten Magnetisierungszustand, des dritten Magnetisierungsstrompfads durch Schließen des dritten, des vierten und des sechsten Schaltelements aufweisen.
Die Schaltelemente können ein siebtes Schaltelement aufweisen, das zwischen einem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators und einem Referenzpotential gekoppelt ist. Das Verfahren kann ein Herstellen, in dem Entmagnetisierungszustand, des Entmagnetisierungsstrompfads durch Schließen des sechsten und des siebten Schaltelements aufweisen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Softwareprogramm beschrieben. Das Softwareprogramm kann ausgebildet sein zur Ausführung auf einem Prozessor und zum Durchführen der in diesem Dokument beschriebenen Verfahrensschritte, wenn von dem Prozessor ausgeführt. Der Prozessor kann Teil der beschriebenen Steuereinheit bilden.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein Softwareprogramm aufweisen, das ausgebildet ist zur Ausführung auf einem Prozessor und zum Durchführen der in diesem Dokument beschriebenen Verfahrensschritte, wenn von dem Prozessor ausgeführt.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Computerprogrammprodukt beschrieben. Das Computerprogrammprodukt kann Anweisungen zum Durchführen der in diesem Dokument beschriebenen Verfahrensschritte aufweisen, wenn von dem Prozessor ausgeführt.
Es ist anzumerken, dass die Verfahren und Systeme, einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele, wie in dem vorliegenden Dokument beschrieben, 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 dem vorliegenden 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“, „verbinden“, „gekoppelt“ oder „verbunden“ auf Elemente, die in elektrischer Kommunikation miteinander sind, unabhängig davon, ob sie direkt verbunden sind, z.B. über Drähte, oder auf andere Weise.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung wird auf beispielhafte Weise und nicht einschränkend in den Figuren der beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder identische Elemente beziehen, und in denen

1 einen beispielhaften mehrstufigen Leistungswandler zeigt;
2 einen ersten Magnetisierungszustand des beispielhaften Leistungswandlers zeigt;
3 einen Entmagnetisierungszustand des beispielhaften Leistungswandlers zeigt;
4 einen zweiten Magnetisierungszustand des beispielhaften Leistungswandlers zeigt;
5 einen dritten Magnetisierungszustand des beispielhaften Leistungswandlers zeigt;
6 eine beispielhafte Zustandssequenz und Signalwellenformen des beispielhaften Leistungswandlers zeigt;
7 beispielhafte „fliegender Kondensator“-Spannungen und Spulenströme zeigt; und
8 eine beispielhafte Zustandssequenz und Signalwellenformen des beispielhaften Leistungswandlers zeigt.

Beschreibung
Diese Erfindung schlägt einen neuen Entwurf einer Hybridwandlerarchitektur vor, die einen Kondensator-basierten DC-DC-Teiler und einen Spulen-basierten Abwärtswandler in einer kombinierten Architektur verwendet. 1 zeigt einen beispielhaften mehrstufigen Leistungswandler 1 gemäß den Lehren des vorliegenden Dokuments. Der beispielhafte Leistungswandler 1 weist auf ein erstes Schaltelement 11 (M7), ein zweites Schaltelement 12 (M5), ein drittes Schaltelement 13 (M6), ein viertes Schaltelement 14 (M4), ein fünftes Schaltelement 15 (M3), ein sechstes Schaltelement 16 (M2), ein siebtes Schaltelement 17 (M1), einen ersten fliegenden Kondensator 21 (Cfly1), einen zweiten fliegenden Kondensator 22 (Cfly2), einen Induktor 23 (L), einen Ein-Zeit(Ton)-Timer 31, einen Unterspannungskomparator 32 (erster Komparator), einen Nulldurchgangskomparator 33 (zweiter Komparator), eine Steuerlogik 34 und eine Vielzahl von Ansteuerschaltungen zum Ansteuern der Schaltelemente 11-17.
Zum Beispiel können das fünfte Schaltelement 15 (M3), das sechste Schaltelement 16 (M2) und das siebte Schaltelement 17 (M1) Vorrichtungen mit reduzierter Niederspannungsnennleistung sein, um eine Leistungseffizienz zu erhöhen.
2 zeigt einen ersten Magnetisierungszustand (bezeichnet als Phase 1.1) des beispielhaften Leistungswandlers 1. Die Steuerlogik 34 steuert die Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente einen ersten Magnetisierungsstrompfad von dem Eingangsknoten über den ersten fliegenden Kondensator 21, über den zweiten fliegenden Kondensator 22, über den Induktor 23 zu dem Ausgangsknoten herstellen. Insbesondere stellt die Steuerlogik 34 den ersten Magnetisierungsstrompfad unter Verwendung des ersten 11, des zweiten 12 und des sechsten 16 Schaltelements her. In 2 wird angenommen, dass die letzteren Schaltelemente eingeschaltet sind. Es wird angenommen, dass die verbleibenden Schaltelemente 13, 14, 15 und 17 ausgeschaltet sind. Während dieses Zustands wird der Induktor 23 magnetisiert und beide fliegenden Kondensatoren 21 und 22 werden geladen.
3 zeigt einen Entmagnetisierungszustand (bezeichnet als Phase 2 und 4) des beispielhaften Leistungswandlers 1. Die Steuerlogik 34 steuert die Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente einen Entmagnetisierungsstrompfad von einem Referenzpotential über den Induktor 23 zu dem Ausgangsknoten herstellen. Insbesondere stellt die Steuerlogik 34 den Entmagnetisierungsstrompfad unter Verwendung des sechsten 16 und des siebten 17 Schaltelements her. In 3 wird angenommen, dass die letzteren Schaltelemente eingeschaltet sind. Es wird angenommen, dass die verbleibenden Schaltelemente 11, 12, 13, 14 und 15 ausgeschaltet sind. Während dieses Zustands wird der Induktor 23 entmagnetisiert und die Spannungen über den fliegenden Kondensatoren 21 und 22 bleiben unverändert.
4 zeigt einen zweiten Magnetisierungszustand (bezeichnet als Phase 3) des beispielhaften Leistungswandlers 1. Die Steuerlogik 34 steuert die Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente einen zweiten Magnetisierungsstrompfad von einem Referenzpotential über den zweiten fliegenden Kondensator 22, über den Induktor 23 zu dem Ausgangsknoten herstellen. Insbesondere stellt die Steuerlogik 34 den zweiten Magnetisierungsstrompfad unter Verwendung des fünften 15 und des siebten 17 Schaltelements her. In 4 wird angenommen, dass die letzteren Schaltelemente eingeschaltet sind. Es wird angenommen, dass die verbleibenden Schaltelemente 11, 12, 13, 14 und 16 ausgeschaltet sind. Während dieses Zustands wird der Induktor 23 magnetisiert, der zweite fliegende Kondensator 22 wird entladen und die Spannung über dem ersten fliegenden Kondensator 21 bleibt unverändert.
5 zeigt einen dritten Magnetisierungszustand (bezeichnet als Phase 2.1) des beispielhaften Leistungswandlers 1. Die Steuerlogik 34 steuert die Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente einen dritten Magnetisierungsstrompfad von einem Referenzpotential über den ersten fliegenden Kondensator 21, über den zweiten fliegenden Kondensator 22, über den Induktor 23 zu dem Ausgangsknoten herstellen. Insbesondere stellt die Steuerlogik 34 den dritten Magnetisierungsstrompfad unter Verwendung des dritten 13, des vierten 14 und des sechsten 16 Schaltelements her. In 5 wird angenommen, dass die letzteren Schaltelemente eingeschaltet sind. Es wird angenommen, dass die verbleibenden Schaltelemente 11, 12, 15 und 17 ausgeschaltet sind. Während dieses Zustands wird der Induktor 23 magnetisiert, der erste fliegende Kondensator 21 wird entladen und der zweite fliegende Kondensator 22 wird geladen.
6 zeigt eine beispielhafte Zustandssequenz und Signalwellenformen des beispielhaften Leistungswandlers 1. Ein erstes Diagramm 61 zeigt die beispielhafte Zustandssequenz über die Zeit. Die Zustandssequenz beginnt mit einer Tri-State-Phase, gefolgt von den Phasen 1.1, 2, 3 und 4. Anschließend schaltet der Leistungswandler 1 in eine andere Tri-State-Phase, gefolgt von den Phasen 2.1, 2, 3 und 4. Eine Tri-State-Phase nach einer Phase 4 kann übersprungen werden. Tri-State-Phasen können auch nach jeder oder einer der Phasen 2 eingefügt werden. In der Tri-State-Phase (Leerlaufzustand) fließt kein Strom durch den Induktor 23. Zum Beispiel können in der Tri-State-Phase alle Schaltelemente offen sein. Zumindest die Schaltelemente 16 und 17 sollten offen sein. In dem Tri-State-Zustand können alle Blöcke, außer der Unterspannungskomparator 32, abgeschaltet werden, was zu einem niedrigen Ruhestrom I_q des Leistungswandlers 1 während der Tri-State-Phase führt.
Ein zweites Diagramm 62 zeigt den Spulenstrom über die Zeit. Ein drittes Diagramm 63 zeigt das von dem Unterspannungskomparator 32 erzeugte Ausgangssignal. Nachdem das Ausgangssignal ausgelöst wurde, das eine Ausgangsspannung niedriger als eine Referenzspannung angibt, beginnt der Leistungswandler, durch die Phasen 1.1, 2, 3 und 4 zu schalten. Dabei haben die Phasen 1.1 und 3 eine vorgegebene Dauer, die durch den Zeitgeber 31 bestimmt wird, siehe Diagramm 64. Ferner wird das Ende der Phasen 2 und 4 durch das Ausgangssignal bestimmt, das von dem Nulldurchgangskomparator 33 erzeugt wird, siehe Diagramm 65.
Die zweite Tri-State-Phase endet, wenn der Unterspannungskomparator 32 eine niedrige Ausgangsspannung an dem Ausgangsknoten des Leistungswandlers 1 angibt. Der Leistungswandler schaltet dann durch die Phasen 2.1, 2, 3 und 4. Wie bereits oben erwähnt, kann der Leistungswandler auch in die Tri-State-Phase zwischen den Phasen 2 und 3 schalten, was zu der alternativen Phasenfolge 2.1, 2, Tri-State, 3 und 4 führt. Wiederum kann an dem Ende der Tri-State-Phase der Unterspannungskomparator 32 eine niedrige Ausgangsspannung an dem Ausgangsknoten des Leistungswandlers 1 angeben, wodurch der Übergang zu der Phase 3 ausgelöst wird. Dabei haben die Phasen 2.1 und 3 eine vorgegebene Dauer, die durch den Zeitgeber 31 bestimmt wird, siehe Diagramm 64. Die Dauer der Phasen 2 und 4 wird wiederum durch das Ausgangssignal bestimmt, das von dem Nulldurchgangskomparator 33 erzeugt wird, siehe Diagramm 65.
7 zeigt beispielhafte Spannungen des fliegenden Kondensators und Spulenströme zur Erläuterung des impliziten Ton-Regelungsprinzips. Der Spulenstrom in dem Leistungswandler 1 hängt von dem Spannungspotential an den fliegenden Kondensatoren ab. Wenn die Spannung C_F über dem fliegenden Kondensator höher als ihr gewünschter Wert ist, ist die Gesamtladung, die nach einem Puls aus dem fliegenden Kondensator entnommen wird (siehe Fall 1), höher als in einem Fall, in dem die Spannung C_F auf ihrer gewünschten Spannung ist (siehe Fall 2)), wie durch die Leistungswandlerarchitektur definiert. Dadurch nähert sich die Spannung C_F ihrem gewünschten Wert für den nächsten Puls an. Entsprechend in dem Fall, wenn die Spannung des fliegenden Kondensators im Vergleich zu der gewünschten Spannung niedriger ist (siehe Fall 3), führt die reduzierte Spitze des Spulenstroms zu einem geringeren Abfall der Spannung des fliegenden Kondensators im Vergleich zu dem gewünschten Fall. Somit gibt es eine negative Rückkopplung auf die gewünschte Spannung an den Spannungen des fliegenden Kondensators aufgrund der impliziten Ton-Regelung.
8 zeigt eine beispielhafte Zustandssequenz und Signalwellenformen des beispielhaften Leistungswandlers. Der stabile Betrieb des Leistungswandlers 1 ist erreicht, wenn der Spitzenstrom des Spulenstroms für die Phasen 1.1, 3 und 2.1 gleichbleibt (und der Spulenstrom nach jedem Puls zum Beispiel auf einen Nullpegel geht). Das Zeitintervall Ton hat während der Phasen 1.1, 2.1 und 3 die gleiche Dauer. Der Spitzenstrom des Spulenstroms ist in 8 durch die Linie 80 angegeben.
Für die Phasen 2.1 und 3 gelten in dem stabilen Zustand die folgenden Gleichungen: $(Vcfly 1 - Vcfly 2 -Vout) / L * Ton = (Vcfly 2 - Vout) / L * Ton$
$2 * Vcfly2 = Vcfly1$
In der obigen Gleichung bezeichnet Vcfly1 die Spannung über dem ersten fliegenden Kondensator, Vcfly2 bezeichnet die Spannung über dem zweiten fliegenden Kondensator, Vout bezeichnet die Ausgangsspannung an dem Ausgangsknoten des Leistungswandlers 1, L bezeichnet die Induktivität des Induktors, Ton bezeichnet das vorgegebene Zeitintervall (d.h. die Dauer der Phasen 1.1, 2.1 und 3). Für die Phasen 1.1 und 3 gelten in dem stabilen Zustand die folgenden Gleichungen: $(VDD - Vcfly 1 - Vcfly 2 - Vout) / L * Ton = (Vcfly 2 - Vout) / L * Ton$
In der obigen Gleichung bezeichnet VDD die Eingangsspannung an dem Eingangsknoten des Leistungswandlers 1. Die Kombination der obigen Gleichungen ergibt: $Vcfly 2 = \frac{1}{4} VDD$
und $Vcfly 1 = 1 / 2 VDD .$
Daher können die Spannungen des fliegenden Kondensators automatisch auf ihre gewünschten Werte geregelt werden.
Es sollte angemerkt werden, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme darstellen. 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. Darüber hinaus sollen alle in diesem 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 dafür, Äquivalente davon umfassen.

Claims

Leistungswandler, der konfiguriert ist, um eine Eingangsspannung an einem Eingangsknoten in eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten umzuwandeln, wobei der Leistungswandler einen ersten fliegenden Kondensator, einen zweiten fliegenden Kondensator, einen Induktor und Schaltelemente aufweist, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist - zum Steuern, in einem ersten Magnetisierungszustand, der Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente einen ersten Magnetisierungsstrompfad von dem Eingangsknoten über den ersten fliegenden Kondensator, über den zweiten fliegenden Kondensator, über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen, - zum Steuern, in dem ersten Magnetisierungszustand, der Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente den ersten Magnetisierungsstrompfad nach einem vorgegebenen Zeitintervall unterbrechen, - zum Steuern, in einem Entmagnetisierungszustand, der Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente einen Entmagnetisierungsstrompfad von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen, und - zum Steuern, in dem Entmagnetisierungszustand, der Schaltelemente derart, dass der Entmagnetisierungsstrompfad unterbrochen wird, wenn ein Strom durch den Induktor einen vorgegebenen Schwellenstromwert erreicht.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei der Leistungswandler einen ersten Komparator aufweist, der konfiguriert ist, um die Ausgangsspannung an dem Ausgangsknoten mit einer Referenzspannung zu vergleichen, und wobei der Leistungswandler konfiguriert ist, - um in den ersten Magnetisierungszustand basierend auf dem Vergleich einzutreten.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1 oder 2, der einen Zeitgeber aufweist, der konfiguriert ist, um ein Signal bei Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls zu erzeugen, und wobei der Leistungswandler konfiguriert ist, um in dem ersten Magnetisierungszustand den ersten Magnetisierungsstrom basierend auf dem Signal zu unterbrechen.
Der Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, der einen zweiten Komparator aufweist, der konfiguriert ist, um in dem Entmagnetisierungszustand den Strom durch den Induktor mit dem vorgegebenen Schwellenstromwert zu vergleichen, und wobei der Leistungswandler konfiguriert ist, um in dem Entmagnetisierungszustand den Entmagnetisierungsstrompfad basierend auf dem Vergleich zu unterbrechen.
Der Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist - zum Steuern, in einem zweiten Magnetisierungszustand, der Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente einen zweiten Magnetisierungsstrompfad von einem Referenzpotential über den zweiten fliegenden Kondensator, über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen, - zum Steuern, in dem zweiten Magnetisierungszustand, der Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente den zweiten Magnetisierungsstrompfad nach dem vorgegebenen Zeitintervall unterbrechen.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 5, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist - zum Steuern, in einem dritten Magnetisierungszustand, der Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente einen dritten Magnetisierungsstrompfad von einem Referenzpotential über den ersten fliegenden Kondensator, über den zweiten fliegenden Kondensator, über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen, - zum Steuern, in dem dritten Magnetisierungszustand, der Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente den dritten Magnetisierungsstrompfad nach dem vorgegebenen Zeitintervall unterbrechen.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 6, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist - zum Schalten in einen Leerlaufzustand, nachdem der Strom durch den Induktor den vorgegebenen Schwellenstromwert in dem Entmagnetisierungszustand erreicht hat, und - zum Steuern der Schaltelemente in dem Leerlaufzustand derart, dass kein Strom durch den Induktor fließt.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 7, wobei der Leistungswandler einen ersten Komparator aufweist, der konfiguriert ist, um die Ausgangsspannung an dem Ausgangsknoten mit einer Referenzspannung zu vergleichen, und wobei der Leistungswandler konfiguriert ist - zum Schalten von dem Leerlaufzustand in den dritten Magnetisierungszustand basierend auf dem Vergleich.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 8, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist, um zwischen den verschiedenen Zuständen gemäß der folgenden geordneten Zustandssequenz zu schalten: - der erste Magnetisierungszustand; - der Entmagnetisierungszustand; - der zweite Magnetisierungszustand; - der Entmagnetisierungszustand; - der dritte Magnetisierungszustand; - der Entmagnetisierungszustand; - der zweite Magnetisierungszustand; - der Entmagnetisierungszustand.
Der Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Schaltelemente aufweisen - ein erstes Schaltelement, das zwischen dem Eingangsknoten und einem ersten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators gekoppelt ist, - ein zweites Schaltelement, das zwischen einem zweiten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators gekoppelt ist, und - ein sechstes Schaltelement, das zwischen einem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors gekoppelt ist, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist, um in dem ersten Magnetisierungszustand den ersten Magnetisierungsstrompfad unter Verwendung des ersten, des zweiten und des sechsten Schaltelements herzustellen.
Der Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 5 bis 9, wobei die Schaltelemente aufweisen - ein fünftes Schaltelement, das zwischen einem ersten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors gekoppelt ist, und - ein siebtes Schaltelement, das zwischen einem Referenzpotential und einem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators gekoppelt ist, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist, um in dem zweiten Magnetisierungszustand den zweiten Magnetisierungsstrompfad unter Verwendung des fünften und des siebten Schaltelements herzustellen.
Der Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9, wobei die Schaltelemente aufweisen - ein drittes Schaltelement, das zwischen einem Referenzpotential und einem zweiten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators gekoppelt ist, - ein viertes Schaltelement, das zwischen einem ersten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators gekoppelt ist, und - ein sechstes Schaltelement, das zwischen einem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors gekoppelt ist, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist, um in dem dritten Magnetisierungszustand den dritten Magnetisierungsstrompfad unter Verwendung des dritten, des vierten und des sechsten Schaltelements herzustellen.
Der Leistungswandler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Schaltelemente aufweisen - ein sechstes Schaltelement, das zwischen einem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors gekoppelt ist, und - ein siebtes Schaltelement, das zwischen einem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators und einem Referenzpotential gekoppelt ist, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist, um in dem Entmagnetisierungszustand den Entmagnetisierungsstrompfad unter Verwendung des sechsten und des siebten Schaltelements herzustellen.
Verfahren zum Betreiben eines Leistungswandlers, wobei der Leistungswandler eine Eingangsspannung an einem Eingangsknoten in eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten umwandelt, wobei der Leistungswandler einen ersten fliegenden Kondensator, einen zweiten fliegenden Kondensator, einen Induktor und Schaltelemente aufweist, wobei das Verfahren aufweist - Steuern, in einem ersten Magnetisierungszustand, der Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente einen ersten Magnetisierungsstrompfad von dem Eingangsknoten über den ersten fliegenden Kondensator, über den zweiten fliegenden Kondensator, über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen, - Steuern, in dem ersten Magnetisierungszustand, der Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente den ersten Magnetisierungsstrompfad nach einem vorgegebenen Zeitintervall unterbrechen, - Steuern, in einem Entmagnetisierungszustand, der Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente einen Entmagnetisierungsstrompfad von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen, und - Steuern, in dem Entmagnetisierungszustand, der Schaltelemente derart, dass der Entmagnetisierungsstrompfad unterbrochen wird, wenn ein Strom durch den Induktor einen vorgegebenen Schwellenstromwert erreicht.
Das Verfahren gemäß Anspruch 14, wobei der Leistungswandler einen ersten Komparator aufweist, um die Ausgangsspannung an dem Ausgangsknoten mit einer Referenzspannung zu vergleichen, und wobei das Verfahren aufweist - Eintreten in den ersten Magnetisierungszustand basierend auf dem Vergleich.
Das Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei der Leistungswandler einen Zeitgeber aufweist, um ein Signal bei Ablauf des vorgegebenen Zeitintervalls zu erzeugen, und wobei das Verfahren aufweist - Unterbrechen, in dem ersten Magnetisierungszustand, des ersten Magnetisierungsstroms basierend auf dem Signal.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei der Leistungswandler einen zweiten Komparator aufweist, um in dem Entmagnetisierungszustand den Strom durch den Induktor mit dem vorgegebenen Schwellenstromwert zu vergleichen, und wobei das Verfahren aufweist - Unterbrechen, in dem Entmagnetisierungszustand, des Entmagnetisierungsstrompfads basierend auf dem Vergleich.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, das aufweist - Steuern, in einem zweiten Magnetisierungszustand, der Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente einen zweiten Magnetisierungsstrompfad von einem Referenzpotential über den zweiten fliegenden Kondensator, über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen, - Steuern, in dem zweiten Magnetisierungszustand, der Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente den zweiten Magnetisierungsstrompfad nach dem vorgegebenen Zeitintervall unterbrechen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 18, das aufweist - Steuern, in einem dritten Magnetisierungszustand, der Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente einen dritten Magnetisierungsstrompfad von einem Referenzpotential über den ersten fliegenden Kondensator, über den zweiten fliegenden Kondensator, über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herstellen, - Steuern, in dem dritten Magnetisierungszustand, der Schaltelemente derart, dass die Schaltelemente den dritten Magnetisierungsstrompfad nach dem vorgegebenen Zeitintervall unterbrechen.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, das aufweist - Schalten in einen Leerlaufzustand, nachdem der Strom durch den Induktor den vorgegebenen Schwellenstromwert in dem Entmagnetisierungszustand erreicht hat, und - Steuern der Schaltelemente in dem Leerlaufzustand derart, dass kein Strom durch den Induktor fließt.
Das Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei der Leistungswandler einen ersten Komparator aufweist, um die Ausgangsspannung an dem Ausgangsknoten mit einer Referenzspannung zu vergleichen, und wobei das Verfahren aufweist - Schalten von dem Leerlaufzustand in den dritten Magnetisierungszustand basierend auf dem Vergleich.
Das Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei das Verfahren ein Schalten zwischen den verschiedenen Zuständen gemäß der folgenden geordneten Zustandssequenz aufweist: - der erste Magnetisierungszustand; - der Entmagnetisierungszustand; - der zweite Magnetisierungszustand; - der Entmagnetisierungszustand; - der dritte Magnetisierungszustand; - der Entmagnetisierungszustand; - der zweite Magnetisierungszustand; - der Entmagnetisierungszustand.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 22, wobei die Schaltelemente aufweisen - ein erstes Schaltelement, das zwischen dem Eingangsknoten und einem ersten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators gekoppelt ist, - ein zweites Schaltelement, das zwischen einem zweiten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators gekoppelt ist, und - ein sechstes Schaltelement, das zwischen einem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors gekoppelt ist, wobei das Verfahren aufweist - Herstellen, in dem ersten Magnetisierungszustand, des ersten Magnetisierungsstrompfads durch Schließen des ersten, des zweiten und des sechsten Schaltelements.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 18 bis 22, wobei die Schaltelemente aufweisen - ein fünftes Schaltelement, das zwischen einem ersten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors gekoppelt ist, und - ein siebtes Schaltelement, das zwischen einem Referenzpotential und einem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators gekoppelt ist, wobei das Verfahren aufweist - Herstellen, in dem zweiten Magnetisierungszustand, des zweiten Magnetisierungsstrompfads durch Schließen des fünften und des siebten Schaltelements.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 22, wobei die Schaltelemente aufweisen - ein drittes Schaltelement, das zwischen einem Referenzpotential und einem zweiten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators gekoppelt ist, - ein viertes Schaltelement, das zwischen einem ersten Anschluss des ersten fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators gekoppelt ist, und - ein sechstes Schaltelement, das zwischen einem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors gekoppelt ist, wobei das Verfahren aufweist - Herstellen, in dem dritten Magnetisierungszustand, des dritten Magnetisierungsstrompfads durch Schließen des dritten, des vierten und des sechsten Schaltelements.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 25, wobei die Schaltelemente aufweisen - ein sechstes Schaltelement, das zwischen einem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors gekoppelt ist, und - ein siebtes Schaltelement, das zwischen einem zweiten Anschluss des zweiten fliegenden Kondensators und einem Referenzpotential gekoppelt ist, wobei das Verfahren aufweist - Herstellen, in dem Entmagnetisierungszustand, des Entmagnetisierungsstrompfads durch Schließen des sechsten und des siebten Schaltelements.