DE102020213005A1 - power converter - Google Patents
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Abstract
Ein Leistungswandler umfasst ein Netzwerk von Schaltern mit einem ersten Kondensatorschalter, der mit einem ersten fliegenden Kondensator gekoppelt ist, einem ersten Schalter zum Koppeln eines zweiten fliegenden Kondensators mit einem ersten Port, einem Induktor, der mit einem Masseschalter gekoppelt ist. Eine Ansteuervorrichtung steuert das Netzwerk von Schaltern in zwei Zuständen an. In dem ersten Zustand ist der Masse-Port über einen ersten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, mit einem zweiten Port gekoppelt, und der erste Port ist über einen zweiten Pfad, der den ersten Schalter, den zweiten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, mit dem zweiten Port gekoppelt. In dem zweiten Zustand ist die Masse über einen dritten Pfad, der den Masseschalter und den Induktor aufweist, mit dem zweiten Port gekoppelt ist, und einer des ersten Ports und des Masse-Ports ist über einen vierten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator aufweist, während der Induktor umgangen wird, mit dem zweiten Port gekoppelt.A power converter includes a network of switches including a first capacitor switch coupled to a first flying capacitor, a first switch for coupling a second flying capacitor to a first port, an inductor coupled to a ground switch. A driver drives the network of switches in two states. In the first state, the ground port is coupled to a second port through a first path that includes the first flying capacitor and the inductor, and the first port is coupled through a second path that includes the first switch, the second flying capacitor, and having the inductor is coupled to the second port. In the second state, ground is coupled to the second port via a third path including the ground switch and the inductor, and one of the first port and the ground port is coupled via a fourth path including the first flying capacitor, coupled to the second port while bypassing the inductor.
Description
Technischer BereichTechnical part
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen Leistungswandler und ein Verfahren zu dessen Betrieb. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung einen Leistungswandler, der mit einem kleinen Ausgangs-zu-Eingangs-Spannungsumwandlungsverhältnis betrieben werden kann, zum Beispiel ein Umwandlungsverhältnis Vout/Vin < 1/4.The present disclosure relates to a power converter and a method of operating the same. In particular, the present disclosure relates to a power converter that can be operated with a small output-to-input voltage conversion ratio, for example a conversion ratio Vout/Vin < 1/4.
Hintergrundbackground
Typische Spannungsreglermodule (VRMs - Voltage-Regulator-Modules), wie sie in Industrie-, Server-, Netzwerk- und Computeranwendungen verwendet werden, werden von einer Versorgungsspannung (z.B. 12V) versorgt, die viel höher ist als die maximale Eingangsspannung der Last. Zum Beispiel kann die Spannungsversorgung 12V sein und die Eingangsspannung der Last kann < 1,8V für CPU, GPU, SoC oder ein anderes Speichermodul sein. Es besteht daher ein Bedarf für eine effiziente Leistungsumwandlung, wenn das Ausgangs-zu-Eingangsspannungsverhältnis VOUT/VIN relativ klein ist, zum Beispiel weniger als ¼.Typical Voltage Regulator Modules (VRMs) used in industrial, server, networking, and computing applications are powered by a supply voltage (eg, 12V) that is much higher than the maximum input voltage of the load. For example, the power supply can be 12V and the input voltage of the load can be <1.8V for CPU, GPU, SoC or other memory module. There is therefore a need for efficient power conversion when the output-to-input voltage ratio V OUT /V IN is relatively small, for example less than ¼.
Herkömmliche Buck- bzw. Abwärtswandler und dreistufige Abwärtswandler implementieren eine Abwärts- bzw. Step-Down-Spannungsumwandlung durch Aufnehmen (für einen Arbeitszyklus D < 1) eines Strompulses von dem Eingangs-Terminal gleich dem Laststrom. Infolgedessen ist die Amplitude der Eingangsstrompulse gleich dem Laststrom, was zu Anwendungsrauschen und EMI-Problemen führt. Mehrphasenwandler verteilen den Laststrom auf mehrere Induktoren, wodurch sich der Arbeitszyklus erhöht, während dem ein Strom von dem Eingangs-Terminal bezogen wird. Somit wird der Pegel des geschalteten Eingangsstroms um die Anzahl von Phasen bis zu einem bestimmten Arbeitszyklus reduziert. Dieser Ansatz erfordert jedoch die Verwendung von mehreren Spulen, die den Gesamtinduktorkernverlust erhöhen.Conventional buck converters and three-level buck converters implement step-down voltage conversion by sinking (for a duty cycle D<1) a current pulse from the input terminal equal to the load current. As a result, the amplitude of the input current pulses is equal to the load current, leading to application noise and EMI problems. Polyphase converters distribute the load current across multiple inductors, increasing the duty cycle during which current is drawn from the input terminal. Thus, the level of the switched input current is reduced by the number of phases up to a given duty cycle. However, this approach requires the use of multiple coils, which increases the overall inductor core loss.
Daneben wirkt bei herkömmlichen DC-DC-Wandlern der Induktor für kurze Zeitintervalle als Konstantstromquelle. Folglich erfordert der Induktor eine signifikante Zeit, um auf eine plötzliche Änderung des Laststroms zu reagieren, wodurch eine begrenzte transiente Lastantwort vorgesehen wird.In addition, in conventional DC-DC converters, the inductor acts as a constant current source for short time intervals. Consequently, the inductor requires a significant time to respond to a sudden change in load current, thereby providing a limited transient load response.
Es ist eine Aufgabe der Offenbarung, eine oder mehrere der oben angeführten Einschränkungen zu adressieren.It is an object of the disclosure to address one or more of the limitations noted above.
Zusammenfassungsummary
Gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung ist ein Leistungswandler zum Vorsehen einer Ausgangsspannung mit einem Sollumwandlungsverhältnis vorgesehen, wobei der Leistungswandler einen Masse-Port, einen ersten Port und einen zweiten Port hat, wobei, wenn der Leistungswandler als ein Step-Down- bzw. Abwärtswandler arbeitet, der erste Port eine Eingangsspannung empfängt und der zweite Port die Ausgangsspannung vorsieht, und, wenn der Leistungswandler als Step-Up- bzw. Aufwärtswandler arbeitet, der zweite Port eine Eingangsspannung empfängt und der erste Port die Ausgangsspannung vorsieht; wobei der Leistungswandler einen ersten fliegenden Kondensator, der mit einem Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist, einen Induktor, der mit dem zweiten Port gekoppelt ist, und eine Ansteuervorrichtung aufweist; wobei das Netzwerk von Schaltern einen ersten Schalter aufweist, um den ersten fliegenden Kondensator mit dem ersten Port zu koppeln; einen zweiten Schalter, um den Induktor mit Masse zu koppeln; wobei die Ansteuervorrichtung ausgebildet ist zum Ansteuern des Netzwerks von Schaltern mit einer Sequenz von Zuständen während einer Ansteuerperiode, wobei die Sequenz von Zuständen einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand aufweist, wobei in dem ersten Zustand der Masse-Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen ersten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, und der erste Port von dem zweiten Port entkoppelt ist, wobei in dem zweiten Zustand der Masse-Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen zweiten Pfad, der den zweiten Schalter und den Induktor aufweist, und wobei der erste Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen dritten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator aufweist, während der Induktor umgangen wird.According to a first aspect of the disclosure, there is provided a power converter for providing an output voltage with a desired conversion ratio, the power converter having a ground port, a first port and a second port, wherein when the power converter operates as a step-down converter , the first port receives an input voltage and the second port provides the output voltage, and when the power converter operates as a step-up converter, the second port receives an input voltage and the first port provides the output voltage; wherein the power converter includes a first flying capacitor coupled to a network of switches, an inductor coupled to the second port, and a driver; wherein the network of switches includes a first switch to couple the first flying capacitor to the first port; a second switch to couple the inductor to ground; wherein the drive device is configured to drive the network of switches with a sequence of states during a drive period, the sequence of states having a first state and a second state, wherein in the first state the ground port is coupled to the second port via a first path including the first flying capacitor and the inductor and the first port being decoupled from the second port, wherein in the second state the ground port is coupled to the second port via a second path including the second switch and comprises the inductor, and wherein the first port is coupled to the second port via a third path comprising the first flying capacitor while bypassing the inductor.
Optional weist der Leistungswandler weiter einen zweiten fliegenden Kondensator auf, der über einen ersten Induktorschalter mit dem zweiten Port gekoppelt ist, wobei das Netzwerk von Schaltern einen Kondensatorschalter zwischen dem ersten fliegenden Kondensator und dem zweiten fliegenden Kondensator aufweist.Optionally, the power converter further includes a second flying capacitor coupled to the second port via a first inductor switch, wherein the network of switches includes a capacitor switch between the first flying capacitor and the second flying capacitor.
Optional, wobei in dem ersten Zustand der erste Pfad den ersten fliegenden Kondensator, den Kondensatorschalter, den zweiten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, und wobei in dem zweiten Zustand der Masse-Terminal mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen Massepfad, der den zweiten Schalter, den zweiten fliegenden Kondensator und den ersten Induktorschalter aufweist, während der Induktor umgangen wird.Optionally, wherein in the first state the first path includes the first flying capacitor, the capacitor switch, the second flying capacitor and the inductor, and wherein in the second state the ground terminal is coupled to the second port via a ground path connecting the second switch, the second flying capacitor and the first inductor switch while bypassing the inductor.
Optional weist das Netzwerk von Schaltern einen zweiten Kondensatorschalter zwischen dem ersten fliegenden Kondensator und dem zweiten fliegenden Kondensator und einen Masseschalter auf, um den zweiten fliegenden Kondensator mit Masse zu koppeln.Optionally, the network of switches includes a second capacitor switch between the first flying capacitor and the second flying capacitor and a ground switch to couple the second flying capacitor to ground.
Optional ist der Induktor über einen zweiten Induktorschalter mit dem ersten fliegenden Kondensator gekoppelt, und der erste fliegende Kondensator ist über einen dritten Kondensatorschalter mit dem zweiten Port gekoppelt.Optionally, the inductor is coupled to the first flying capacitor through a second inductor switch, and the first flying capacitor is coupled to the second port through a third capacitor switch.
Optional, wobei in dem ersten Zustand der Masse-Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen anderen Pfad, der den Masseschalter, den zweiten fliegenden Kondensator, den ersten Induktorschalter und den Induktor aufweist; und wobei in dem zweiten Zustand der erste Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen Pfad, der den Kondensatorschalter, den zweiten fliegenden Kondensator, den zweiten Kondensatorschalter, den ersten fliegenden Kondensator und den dritten Kondensatorschalter aufweist, während der Induktor umgangen wird.Optionally, wherein in the first state the ground port is coupled to the second port via another path that includes the ground switch, the second flying capacitor, the first inductor switch, and the inductor; and wherein in the second state the first port is coupled to the second port via a path comprising the capacitor switch, the second flying capacitor, the second capacitor switch, the first flying capacitor and the third capacitor switch while bypassing the inductor.
Optional weist der Leistungswandler weiter einen dritten fliegenden Kondensator auf, wobei der dritte fliegende Kondensator einen ersten Terminal hat, der über einen ersten Kopplungsschalter mit dem ersten fliegenden Kondensator gekoppelt ist, und einen zweiten Terminal, der über einen zweiten Kopplungsschalter mit dem ersten fliegenden Kondensator gekoppelt ist.Optionally, the power converter further includes a third flying capacitor, the third flying capacitor having a first terminal coupled to the first flying capacitor through a first coupling switch and a second terminal coupled to the first flying capacitor through a second coupling switch is.
Optional weist die Ansteuersequenz einen primären ersten Zustand, einen sekundären ersten Zustand, einen primären zweiten Zustand und einen sekundären zweiten Zustand auf.Optionally, the drive sequence includes a primary first state, a secondary first state, a primary second state, and a secondary second state.
Optional, wobei in dem primären zweiten Zustand der Masse-Port über einen ersten Massepfad, der den zweiten fliegenden Kondensator aufweist, während der Induktor umgangen wird, mit dem zweiten Port gekoppelt ist, und wobei der erste Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen Pfad, der den ersten und den dritten fliegenden Kondensator aufweist, während der Induktor umgangen wird.Optionally, in the primary second state, the ground port is coupled to the second port via a first ground path having the second flying capacitor while bypassing the inductor, and the first port is coupled to the second port via a Path that has the first and third flying capacitors while bypassing the inductor.
Optional, wobei in dem sekundären zweiten Zustand der Masse-Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über den ersten Massepfad und einen zweiten Massepfad, der den ersten und den dritten fliegenden Kondensator aufweist, während der Induktor umgangen wird.Optionally, wherein in the secondary second state the ground port is coupled to the second port via the first ground path and a second ground path having the first and third flying capacitors while bypassing the inductor.
Optional, wobei in dem primären und dem sekundären ersten Zustand der Masse-Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator, den zweiten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist.Optionally, in the primary and secondary first states, the ground port is coupled to the second port via a path comprising the first flying capacitor, the second flying capacitor, and the inductor.
Optional weist die Ansteuersequenz einen ersten zusätzlichen Zustand und einen zweiten zusätzlichen Zustand auf, wobei in dem ersten zusätzlichen Zustand der erste Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen Pfad, der den zweiten und den dritten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, und wobei in dem zweiten zusätzlichen Zustand der Masse-Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen Pfad, der den zweiten und den dritten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist.Optionally, the driving sequence has a first additional state and a second additional state, wherein in the first additional state the first port is coupled to the second port via a path including the second and third flying capacitors and the inductor, and wherein in in the second additional state, the ground port is coupled to the second port via a path comprising the second and third flying capacitors and the inductor.
Optional weist die Ansteuersequenz einen anderen ersten Zustand auf, in dem der Masse-Port von dem zweiten Port entkoppelt ist und wobei der erste Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen Pfad, der den Induktor aufweist.Optionally, the drive sequence has another first state in which the ground port is decoupled from the second port and the first port is coupled to the second port via a path that includes the inductor.
Optional weist der Leistungswandler weiter einen Stromsensor zum Erfassen eines Induktorstroms durch den Induktor auf, wobei die Ansteuervorrichtung ausgebildet ist zum Öffnen des zweiten Schalters während des zweiten Zustands, wenn erfasst wird, dass der Induktorstrom einen Schwellenwert erreicht hat. Zum Beispiel kann der Schwellenwert ein Nullstromwert sein.Optionally, the power converter further includes a current sensor for detecting an inductor current through the inductor, wherein the drive device is configured to open the second switch during the second state when it is detected that the inductor current has reached a threshold value. For example, the threshold may be a zero current value.
Optional ist der Leistungswandler ein Step-Down- bzw. Abwärtswandler, wobei der erste Zustand ein Magnetisierungszustand ist und der zweite Zustand ein Entmagnetisierungszustand ist.Optionally, the power converter is a step-down converter, where the first state is a magnetization state and the second state is a demagnetization state.
Optional ist der Leistungswandler ein Step-Up- bzw. Aufwärtswandler, wobei der erste Zustand ein Entmagnetisierungszustand ist und der zweite Zustand ein Magnetisierungszustand ist.Optionally, the power converter is a step-up converter, where the first state is a demagnetization state and the second state is a magnetization state.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung wird ein Verfahren zum Umwandeln von Leistung mit einem Sollumwandlungsverhältnis vorgesehen, wobei das Verfahren aufweist ein Vorsehen eines Leistungswandlers mit einem Masse-Port, einem ersten Port und einem zweiten Port, wobei, wenn der Leistungswandler als ein Step-Down- bzw. Abwärtswandler arbeitet, der erste Port eine Eingangsspannung empfängt und der zweite Port die Ausgangsspannung vorsieht, und, wenn der Leistungswandler als Step-Up- bzw. Aufwärtswandler arbeitet, der zweite Port eine Eingangsspannung empfängt und der erste Port die Ausgangsspannung vorsieht; wobei der Leistungswandler einen ersten fliegenden Kondensator, der mit einem Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist, einen Induktor, der mit dem zweiten Port gekoppelt ist, und eine Ansteuervorrichtung aufweist; wobei das Netzwerk von Schaltern einen ersten Schalter aufweist, um den ersten fliegenden Kondensator mit dem ersten Port zu koppeln; einen zweiten Schalter, um den Induktor mit Masse zu koppeln; ein Ansteuern des Netzwerks von Schaltern mit einer Sequenz von Zuständen während einer Ansteuerperiode, wobei die Sequenz von Zuständen einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand aufweist, wobei in dem ersten Zustand der Masse-Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen ersten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, und der erste Port von dem zweiten Port entkoppelt ist, wobei in dem zweiten Zustand der Masse-Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen zweiten Pfad, der den zweiten Schalter und den Induktor aufweist, und wobei der erste Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen dritten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator aufweist, während der Induktor umgangen wird.According to a second aspect of the disclosure, there is provided a method of converting power at a target conversion ratio, the method comprising providing a power converter having a ground port, a first port and a second port, wherein when the power converter operates as a step-down - operates, the first port receives an input voltage and the second port provides the output voltage, and when the power converter operates as a step-up converter, the second port receives an input voltage and the first port provides the output voltage; wherein the power converter includes a first flying capacitor coupled to a network of switches, an inductor coupled to the second port, and a driver; wherein the network of switches includes a first switch to couple the first flying capacitor to the first port; a second switch to couple the inductor to ground; driving the network of switches to a sequence of states during a driving period, the sequence of states having a first state and a second state, wherein in the first state the ground port is coupled to the second port via a first path that comprises the first flying capacitor and the inductor, and the first port is decoupled from the second port, wherein in the second state the ground port is coupled to the second port via a second path comprising the second switch and the inductor, and wherein the first port is coupled to the second port via a third path comprising the first flying capacitor while bypassing the inductor.
Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Offenbarung beschriebenen Optionen sind auch dem zweiten Aspekt der Offenbarung gemeinsam.The options described in relation to the first aspect of the disclosure are also common to the second aspect of the disclosure.
Gemäß einem dritten Aspekt der Offenbarung wird ein Leistungswandler zum Vorsehen einer Ausgangsspannung mit einem Sollumwandlungsverhältnis vorgesehen, wobei der Leistungswandler einen Masse-Port, einen ersten Port und einen zweiten Port hat, wobei, wenn der Leistungswandler als ein Step-Down- bzw. Abwärtswandler arbeitet, der erste Port eine Eingangsspannung empfängt und der zweite Port die Ausgangsspannung vorsieht, und, wenn der Leistungswandler als Step-Up- bzw. Aufwärtswandler arbeitet, der zweite Port eine Eingangsspannung empfängt und der erste Port die Ausgangsspannung vorsieht, wobei der Leistungswandler einen ersten fliegenden Kondensator, der mit einem Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist, einen zweiten fliegenden Kondensator, der mit dem Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist, einen Induktor, der mit dem zweiten Port gekoppelt ist, und eine Ansteuervorrichtung aufweist; das Netzwerk von Schaltern einen ersten Schalter aufweist, um den zweiten fliegenden Kondensator mit dem ersten Port zu koppeln; einen Masseschalter, um den Induktor mit Masse zu koppeln; einen ersten Kondensatorschalter, der mit dem ersten fliegenden Kondensator gekoppelt ist; wobei die Ansteuervorrichtung ausgebildet ist zum Ansteuern des Netzwerks von Schaltern mit einer Sequenz von Zuständen während einer Ansteuerperiode, wobei die Sequenz von Zuständen einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand aufweist, wobei in dem ersten Zustand der Masse-Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen ersten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, und wobei der erste Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen zweiten Pfad, der den ersten Schalter, den zweiten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, wobei in dem zweiten Zustand der Masse-Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen dritten Pfad, der den Masseschalter und den Induktor aufweist, und wobei einer des ersten Ports und des Masse-Ports mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen vierten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator aufweist, während der Induktor umgangen wird.According to a third aspect of the disclosure, there is provided a power converter for providing an output voltage with a desired conversion ratio, the power converter having a ground port, a first port and a second port, wherein when the power converter operates as a step-down converter , the first port receives an input voltage and the second port provides the output voltage, and when the power converter operates as a step-up converter, the second port receives an input voltage and the first port provides the output voltage, the power converter having a first on-the-fly a capacitor coupled to a network of switches, a second flying capacitor coupled to the network of switches, an inductor coupled to the second port, and a driver; the network of switches includes a first switch to couple the second flying capacitor to the first port; a ground switch to couple the inductor to ground; a first capacitor switch coupled to the first flying capacitor; wherein the drive device is configured to drive the network of switches with a sequence of states during a drive period, the sequence of states having a first state and a second state, wherein in the first state the ground port is coupled to the second port via a first path including the first flying capacitor and the inductor, and wherein the first port is coupled to the second port via a second path including the first switch, the second flying capacitor and the inductor, wherein in the second state the The ground port is coupled to the second port via a third path including the ground switch and the inductor, and one of the first port and the ground port is coupled to the second port via a fourth path including the first flying capacitor , while bypassing the inductor.
Optional ist in dem zweiten Zustand der erste Port von dem zweiten Port entkoppelt und wobei der vierte Pfad den zweiten fliegenden Kondensator aufweist.Optionally, in the second state, the first port is decoupled from the second port and the fourth path includes the second flying capacitor.
Optional ist in dem zweiten Zustand der Masse-Port mit dem zweiten Port gekoppelt über einen fünften Pfad, der den zweiten fliegenden Kondensator aufweist, während der Induktor umgangen wird.Optionally, in the second state, the ground port is coupled to the second port via a fifth path that includes the second flying capacitor while bypassing the inductor.
Optional hat der Induktor einen ersten Terminal, der mit dem ersten fliegenden Kondensator gekoppelt ist über einen ersten Induktorschalter, und einen zweiten Terminal, der mit dem zweiten Port gekoppelt ist, und wobei der erste fliegende Kondensator über einen zweiten Kondensatorschalter mit dem zweiten Port gekoppelt ist.Optionally, the inductor has a first terminal coupled to the first flying capacitor via a first inductor switch and a second terminal coupled to the second port and the first flying capacitor coupled to the second port via a second capacitor switch .
Optional ist der zweite fliegende Kondensator über einen dritten Kondensatorschalter mit dem zweiten Port gekoppelt.Optionally, the second flying capacitor is coupled to the second port via a third capacitor switch.
Optional weist der Leistungswandler weiter einen Stromsensor zum Erfassen eines Induktorstroms durch den Induktor auf, wobei die Ansteuervorrichtung ausgebildet ist zum Öffnen des Masseschalters während des zweiten Zustands, wenn erfasst wird, dass der Induktorstrom einen Schwellenwert erreicht hat. Zum Beispiel kann der Schwellenwert ein Nullstromwert sein.Optionally, the power converter further includes a current sensor for detecting an inductor current through the inductor, wherein the drive device is configured to open the ground switch during the second state when it is detected that the inductor current has reached a threshold value. For example, the threshold may be a zero current value.
Optional ist der Leistungswandler ein Abwärtswandler, wobei der erste Zustand ein Magnetisierungszustand ist und der zweite Zustand ein Entmagnetisierungszustand ist.Optionally, the power converter is a buck converter, where the first state is a magnetization state and the second state is a demagnetization state.
Optional ist der Leistungswandler ein Aufwärtswandler, wobei der erste Zustand ein Entmagnetisierungszustand ist und der zweite Zustand ein Magnetisierungszustand ist.Optionally, the power converter is a boost converter, where the first state is a demagnetization state and the second state is a magnetization state.
Gemäß einem vierten Aspekt der Offenbarung wird ein Verfahren zum Umwandeln von Leistung mit einem Sollumwandlungsverhältnis vorgesehen, wobei das Verfahren aufweist ein Vorsehen eines Leistungswandlers mit einem Masse-Port, einem ersten Port und einem zweiten Port, wobei, wenn der Leistungswandler als ein Step-Down- bzw. Abwärtswandler arbeitet, der erste Port eine Eingangsspannung empfängt und der zweite Port die Ausgangsspannung vorsieht, und, wenn der Leistungswandler als Step-Up- bzw. Aufwärtswandler arbeitet, der zweite Port eine Eingangsspannung empfängt und der erste Port die Ausgangsspannung vorsieht, wobei der Leistungswandler weiter einen ersten fliegenden Kondensator, der mit einem Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist, einen zweiten fliegenden Kondensator, der mit dem Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist, einen Induktor, der mit dem zweiten Port gekoppelt ist, und eine Ansteuervorrichtung aufweist; wobei das Netzwerk von Schaltern einen ersten Schalter aufweist, um den zweiten fliegenden Kondensator mit dem ersten Port zu koppeln; einen Masseschalter, um den Induktor mit Masse zu koppeln; einen ersten Kondensatorschalter, der mit dem ersten fliegenden Kondensator gekoppelt ist; ein Ansteuern des Netzwerks von Schaltern mit einer Sequenz von Zuständen während einer Ansteuerperiode, wobei die Sequenz von Zuständen einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand aufweist, wobei in dem ersten Zustand der Masse-Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen ersten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, und wobei der erste Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen zweiten Pfad, der den ersten Schalter, den zweiten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, wobei in dem zweiten Zustand der Masse-Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen dritten Pfad, der den Masseschalter und den Induktor aufweist, und wobei einer des ersten Ports und des Masse-Ports mit dem zweiten Port über einen vierten Pfad gekoppelt ist, der den ersten fliegenden Kondensator aufweist, während der Induktor umgangen wird.According to a fourth aspect of the disclosure, there is provided a method of converting power at a target conversion ratio, the method comprising providing a power converter having a ground port, a first port and a second port, wherein when the power converter operates as a step-down - or buck converter operates, the first port receives an input voltage and the second port provides the output voltage, and when the power converter operates as a step-up or boost converter, the second port receives an input voltage and the first port provides the output voltage, wherein the power converter further comprises a first flying capacitor coupled to a network of switches, a second flying capacitor coupled to the network of switches, an inductor coupled to the second port, and a driver; wherein the network of switches includes a first switch to couple the second flying capacitor to the first port; a ground switch to couple the inductor to ground; a first capacitor switch coupled to the first flying capacitor; driving the network of switches to a sequence of states during a driving period, the sequence of states having a first state and a second state, wherein in the first state the ground port is coupled to the second port via a first path that comprises the first flying capacitor and the inductor, and wherein the first port is coupled to the second port via a second path comprising the first switch, the second flying capacitor and the inductor, wherein in the second state the ground port is connected to the second port is coupled via a third path comprising the ground switch and the inductor, and wherein one of the first port and the ground port is coupled to the second port via a fourth path comprising the first flying capacitor while bypassing the inductor will.
Optional ist in dem zweiten Zustand der erste Port von dem zweiten Port entkoppelt und wobei der vierte Pfad den zweiten fliegenden Kondensator aufweist.Optionally, in the second state, the first port is decoupled from the second port and the fourth path includes the second flying capacitor.
Optional ist in dem zweiten Zustand der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen fünften Pfad gekoppelt, der den zweiten fliegenden Kondensator aufweist, während der Induktor umgangen wird.Optionally, in the second state, the ground port is coupled to the second port via a fifth path that includes the second flying capacitor while bypassing the inductor.
Die in Bezug auf den dritten Aspekt der Offenbarung beschriebenen Optionen sind auch dem vierten Aspekt der Offenbarung gemeinsam.The options described in relation to the third aspect of the disclosure are also common to the fourth aspect of the disclosure.
Figurenlistecharacter list
Die Offenbarung wird im Folgenden beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, in denen:
-
1A ein Diagramm eines zweistufigen Buck- bzw. Abwärtswandlers ist; -
1B ein Diagramm eines dreistufigen Abwärtswandlers ist; -
1C ein Diagramm eines kombinierten Abwärtswandlers und kapazitiven Teilers ist; -
1D ein Diagramm eines mehrstufigen Abwärtswandlers ist; -
1E ein Diagramm eines anderen mehrstufigen Abwärtswandlers ist; -
2 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Vorsehen einer Spannung mit einem Eingangs-zu-Ausgangs-Umwandlungsverhältnis gemäß der Offenbarung ist; -
3 ein Diagramm eines Leistungswandlers zum Implementieren des Verfahrens von2 ist; -
4A ein Diagramm eines Magnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von3 ist; -
4B ein Diagramm eines Entmagnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von3 ist; -
4C ein Diagramm eines anderen Magnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von3 ist; -
4D ein Diagramm eines anderen Entmagnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von3 ist; -
5 eine Darstellung einer Ansteuersequenz zum Betreiben des Leistungswandlers von3 mit einem spezifischen Umwandlungsverhältnis ist; -
6 ein Diagramm eines anderen Leistungswandlers zum Implementieren des Verfahrens von2 ist; -
7A ein Diagramm eines Magnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von6 ist; -
7B ein Diagramm eines Entmagnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von6 ist; -
7C ein Diagramm eines anderen Magnetisierungszustands zum Betreiben desLeistungswandlers von 6 ist; -
8 ein Diagramm eines anderen Leistungswandlers zum Implementieren desVerfahrens von 2 ist; -
9A ein Diagramm eines Magnetisierungszustands zum Betreiben desLeistungswandlers von 8 ist; -
9B ein Diagramm eines Entmagnetisierungszustands zum Betreiben desLeistungswandlers von 8 ist; -
10 ein Diagramm eines anderen Leistungswandlers zum Implementieren desVerfahrens von 2 ist; -
11A ein Diagramm eines ersten Magnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von10 ist; -
11B ein Diagramm eines ersten Entmagnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von10 ist; -
11C ein Diagramm eines zweiten Magnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von10 ist; -
11D ein Diagramm eines zweiten Entmagnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von10 ist; -
12 eine Darstellung einer Ansteuersequenz zum Betreiben des Leistungswandlers von10 ist; -
13A ein Diagramm eines anderen Magnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von10 ist; -
13B ein Diagramm eines weiteren Magnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von10 ist. -
14 ein Ablaufdiagramm eines anderen Verfahrens zum Vorsehen einer Spannung mit einem Eingangs-zu-Ausgangs-Umwandlungsverhältnis gemäß der Offenbarung ist; -
15 ein Diagramm eines Leistungswandlers zum Implementieren des Verfahrens von14 ist; -
16A ein Diagramm eines Magnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von15 ist; -
16B ein Diagramm eines Entmagnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von15 ist; -
17 ein Diagramm eines anderen Leistungswandlers zum Implementieren des Verfahrens von14 ist; -
18A ein Diagramm eines Magnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von17 ist; -
18B ein Diagramm eines Entmagnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von17 ist. -
19 ein Diagramm von 3 ist, das mit invertierten Eingangs- und Ausgangs-Ports dargestellt ist; -
20A ein Diagramm eines Magnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von19 ist; -
20B ein Diagramm eines Entmagnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von19 ist; -
21 ein Diagramm eines anderen Entmagnetisierungszustands zum Betreiben des Leistungswandlers von19 ist.
-
1A Figure 12 is a diagram of a two stage buck converter; -
1B Figure 12 is a diagram of a three stage buck converter; -
1C Figure 12 is a diagram of a combined buck converter and capacitive divider; -
1D Figure 12 is a diagram of a multi-level buck converter; -
1E Figure 12 is a diagram of another multi-level buck converter; -
2 Figure 12 is a flow chart of a method for providing a voltage with an input-to-output conversion ratio according to the disclosure; -
3 a diagram of a power converter for implementing the method of FIG2 is; -
4A a diagram of a magnetization state for operating the power converter of FIG3 is; -
4B a diagram of a demagnetization state for operating the power converter of FIG3 is; -
4C a diagram of another magnetization state for operating the power converter of FIG3 is; -
4D a diagram of another degaussing state for operating the power converter of FIG3 is; -
5 a representation of a control sequence for operating the power converter of FIG3 with a specific conversion ratio; -
6 a diagram of another power converter for implementing the method of FIG2 is; -
7A a diagram of a magnetization state for operating the power converter of FIG6 is; -
7B a diagram of a demagnetization state for operating the power converter of FIG6 is; -
7C a diagram of another magnetization state for operating the power converter of FIG6 is; -
8th a diagram of another power converter for implementing the method of FIG2 is; -
9A a diagram of a magnetization state for operating the power converter of FIG8th is; -
9B a diagram of a demagnetization state for operating the power converter of FIG8th is; -
10 a diagram of another power converter for implementing the method of FIG2 is; -
11A a diagram of a first magnetization state for operating the power converter of FIG10 is; -
11B a diagram of a first degaussing state for operating the power converter of FIG10 is; -
11C a diagram of a second magnetization state for operating the power converter of FIG10 is; -
11D a diagram of a second degaussing state for operating the power converter of FIG10 is; -
12 a representation of a control sequence for operating the power converter of FIG10 is; -
13A a diagram of another magnetization state for operating the power converter of FIG10 is; -
13B a diagram of a further magnetization state for operating the power converter of FIG10 is. -
14 Figure 12 is a flowchart of another method of providing a voltage with an input-to-output conversion ratio in accordance with the disclosure; -
15 a diagram of a power converter for implementing the method of FIG14 is; -
16A a diagram of a magnetization state for operating the power converter of FIG15 is; -
16B a diagram of a demagnetization state for operating the power converter of FIG15 is; -
17 a diagram of another power converter for implementing the method of FIG14 is; -
18A a diagram of a magnetization state for operating the power converter of FIG17 is; -
18B a diagram of a demagnetization state for operating the power converter of FIG17 is. -
19 a diagram of3 is shown with the input and output ports inverted; -
20A a diagram of a magnetization state for operating the power converter of FIG19 is; -
20B a diagram of a demagnetization state for operating the power converter of FIG19 is; -
21 a diagram of another degaussing state for operating the power converter of FIG19 is.
Detaillierte BeschreibungDetailed description
Die
Für den dreistufigen Abwärtswandler kann der fliegende Kondensator CF auf VCF = VIN/2 geregelt werden, so dass die Magnetisierungsspannung über den Induktor L in Richtung VL = VIN/2 - VOUT reduziert wird.For the three-stage buck converter, the flying capacitor CF can be regulated to V CF = V IN /2, so that the magnetizing voltage across the inductor L is reduced towards V L = V IN /2 - V OUT .
Das obige Ergebnis beschreibt ein Verhältnis von durchschnittlichen Strömen während der Periode der Induktormagnetisierung (ein Einfluss einer Induktorstromwelligkeit wird vernachlässigt). Die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannungen wird erlangt durch Anwenden des Volt-Sek.-Ausgleichsprinzips auf die Spannung des Induktors während des Induktionsmagnetisierungsschaltzustands DP und des Induktor-Entmagnetisierungsschaltzustands DV:
Aus Gleichung (3) kann ein theoretisches maximales Spannungsumwandlungsverhältnis VOUT/VIN = 1/2 für D = 1 abgeleitet werden, wobei D der Arbeitszyklus des Induktormagnetisierungszustands ist, der den Eingangs- mit dem Ausgangs-Port des Wandlers verbindet. Für D = 1 gibt es jedoch keine Zeit, um die Ladung von dem fliegenden Kondensator CF in den Reservoirkondensator CR umzuverteilen, da dies einen unendlichen Strom erfordern würde, der einen entsprechenden unendlichen I2R-Leitungsverlust verursachen würde. Eine ausgeglichenere Stromverteilung wird erreicht, indem der Arbeitszyklus auf einen Wert kleiner als 1 begrenzt wird, zum Beispiel D ≤ 3/4, was zu einem praktischen maximalen Spannungsumwandlungsverhältnis von VOUT/VIN = 3/8 für D = 3/4 führt.From equation (3) a theoretical maximum voltage conversion ratio V OUT /V IN = 1/2 for D = 1 can be derived, where D is the duty cycle of the inductor magnetization state connecting the input to the output port of the converter. For D =1, however, there is no time to redistribute the charge from the flying capacitor CF to the reservoir capacitor CR since this would require an infinite current causing a corresponding infinite I 2 R conduction loss. A more balanced current distribution is achieved by limiting the duty cycle to a value less than 1, for example D ≤ 3/4, resulting in a practical maximum voltage conversion ratio of V OUT /V IN = 3/8 for D = 3/4.
Der fliegende Kondensator kann auf VCF = VIN/2 geregelt werden, so dass die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung der Gleichung (3) folgt. Für einen ausgeglichenen Induktorlaststrom wird jedoch der maximale mögliche Arbeitszyklus auf D = 0,5 reduziert:
Dies entspricht einem maximalen Spannungsumwandlungsverhältnis von VOUT/VIN = 1/4 für D = 0,5.This corresponds to a maximum voltage conversion ratio of V OUT /V IN = 1/4 for D = 0.5.
In Schritt 210 wird ein Leistungswandler mit einem Masse-Port, einem ersten Port und einem zweiten Port vorgesehen. Der Leistungswandler kann entweder als Abwärtswandler oder als Aufwärtswandler arbeiten. Wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, empfängt der erste Port eine Eingangsspannung und der zweite Port sieht die Ausgangsspannung vor. Wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, empfängt der zweite Port eine Eingangsspannung und der erste Port sieht die Ausgangsspannung vor. Der Leistungswandler umfasst einen ersten fliegenden Kondensator, der mit einem Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist, einen Induktor, der mit dem zweiten Port gekoppelt ist, und eine Ansteuervorrichtung. Das Netzwerk von Schaltern weist einen ersten Schalter zum Koppeln des ersten fliegenden Kondensators mit dem ersten Port; einen zweiten Schalter zum Koppeln des Induktors mit Masse auf.In
In Schritt 220 wird das Netzwerk von Schaltern mit einer Sequenz von Zuständen angesteuert, die einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand umfassen. In dem ersten Zustand ist der Masse-Port mit dem zweiten Port gekoppelt über einen ersten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, und der erste Port ist von dem zweiten Port entkoppelt. In dem zweiten Zustand ist der Masse-Port mit dem zweiten Port gekoppelt über einen zweiten Pfad, der den zweiten Schalter und den Induktor aufweist, und wobei der erste Port mit dem zweiten Port gekoppelt ist über einen dritten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator aufweist, während der Induktor umgangen wird. Infolgedessen fließt in dem ersten Zustand kein Strom zwischen dem ersten Port und dem zweiten Port.In
Wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, ist der erste Zustand ein Magnetisierungszustand und der zweite Zustand ist ein Entmagnetisierungszustand. Wenn umgekehrt der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, ist der erste Zustand ein Entmagnetisierungszustand und der zweite Zustand ist ein Magnetisierungszustand.When the power converter operates as a buck converter, the first state is a magnetization state and the second state is a demagnetization state. Conversely, when the power converter operates as a boost converter, the first state is a demagnetization state and the second state is a magnetization state.
Optional kann ein Stromsensor vorgesehen sein, um einen Induktorstrom durch den Induktor zu erfassen. Dann kann der zweite Schalter während des zweiten Zustands geöffnet werden, wenn erfasst wird, dass der Induktorstrom einen Schwellenwert erreicht hat. A current sensor can optionally be provided in order to detect an inductor current through the inductor. Then the second switch may be opened during the second state when the inductor current is detected to have reached a threshold.
Dies ermöglicht, einen Strom, der von dem Ausgang zu Masse fließt (negativer Induktorstrom), bei niedrigem Ausgangsstrom zu deaktivieren.This allows current flowing from the output to ground (negative inductor current) to be disabled when the output current is low.
Die Verwendung des Verfahrens von
Der fliegende Kondensator CF ist über einen ersten Schalter, den Eingangsschalter S1, mit dem Eingangsknoten 302 und über den Masseschalter S4 mit Masse gekoppelt. Der fliegende Kondensator CF hat einen ersten Terminal, der mit dem Knoten 306 gekoppelt ist, und einen zweiten Terminal, der mit dem Knoten 308 gekoppelt ist. Zusätzlich ist der zweite Terminal des Kondensators CF über den Schalter S3 mit dem Ausgangsknoten 304 gekoppelt. Der Induktor L hat einen ersten Terminal an dem Knoten 310 und einen zweiten Terminal, der mit dem Ausgangsknoten 304 gekoppelt ist. Der erste Induktor-Terminal ist über den Schalter S5 (der als Entmagnetisierungsschalter bezeichnet werden kann) mit Masse und über den ersten Induktorschalter S2 an dem Knoten 306 mit CF gekoppelt. Der zweite Induktor-Terminal ist mit dem Ausgangsknoten 304 gekoppelt.The flying capacitor C F is coupled to the
Eine Ansteuervorrichtung 320 ist vorgesehen zum Erzeugen einer Vielzahl von Steuersignalen Ct1, Ct2, Ct3, Ct4, Ct5, um jeweils die Schalter S1-S5 zu betätigen. Die Ansteuervorrichtung 320 ist ausgebildet zum Betreiben des DC-DC-Wandlers 300 mit einer Sequenz von Zuständen. Die Sequenz von Zuständen kann einen Magnetisierungszustand zum Magnetisieren des Induktors und einen Entmagnetisierungszustand zum Entmagnetisieren des Induktors umfassen. Die Ansteuervorrichtung kann konfiguriert sein zum Beibehalten des Magnetisierungszustands und des Entmagnetisierungszustand für eine vorgegebene Dauer während der Ansteuerperiode. Zum Beispiel können ein Arbeitszyklus des Magnetisierungszustands und ein Arbeitszyklus des Entmagnetisierungszustands ausgewählt werden, um ein Sollumwandlungsverhältnis zu erreichen.A
In Betrieb bezieht der DC-DC-Leistungswandler von
Ein Verhältnis von durchschnittlichen Eingangs- zu Ausgangsströmen während des Arbeitszyklus Dv des Entmagnetisierungszustands DV kann ausgedrückt werden als:
Dabei ist D der Arbeitszyklus des Magnetisierungszustands und Dv ist der Arbeitszyklus des Entmagnetisierungszustands. Für einen Arbeitszyklus D < ~ 0,618 (kleines Ausgangs-zu Eingangs-Spannungsumwandlungsverhältnis) ist der Pegel der Eingangsstrompulse IIN kleiner als der Pegel des Laststroms IOUT.where D is the duty cycle of the magnetization state and Dv is the duty cycle of the demagnetization state. For a duty cycle D<~0.618 (small output to input voltage conversion ratio), the level of the input current pulses I IN is less than the level of the load current I OUT .
Der fliegende Kondensator wird automatisch auf VCF = VIN - VOUT geladen, und die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung wird erlangt durch Anwenden des Volt-Sek.-Ausgleichsprinzips auf die Spannung des Induktors:
Wobei DP der Arbeitszyklus des Magnetisierungszustands DP ist.Where D P is the duty cycle of the magnetization state DP.
Gemäß Gleichung (8) ist das theoretisch maximale Wandler-Spannungsumwandlungsverhältnis VOUT/VIN = 1/2 für D = 1. Für D = 1 ist jedoch Dv = 0 und es gibt keine Zeit zur Umverteilung der Ladung von dem fliegenden Kondensator CF in den Ausgangskondensator COUT, da dies einen unendlichen Strom erfordern würde, der einen entsprechenden unendlichen I2R-Leitungsverlust verursachen würde.According to equation (8), the theoretical maximum converter voltage conversion ratio is V OUT /V IN = 1/2 for D = 1. However, for D = 1, Dv = 0 and there is no time to redistribute the charge from the flying capacitor CF into the output capacitor C OUT as this would require an infinite current causing a corresponding infinite I 2 R conduction loss.
Eine Stromumverteilung kann durch Auswählen eines Arbeitszyklus von weniger als 1 erreicht werden, zum Beispiel D ≤ ¾. Für D = ¾ wird ein praktisches maximales Spannungsumwandlungsverhältnis von VOUT/VIN = 3/7 erreicht.Current redistribution can be achieved by choosing a duty cycle less than 1, for example D ≤ 3/4. For D = 3/4, a practical maximum voltage conversion ratio of V OUT /V IN = 3/7 is achieved.
Für Anwendungen, die ein Spannungsumwandlungsverhältnis größer als VOUT/VIN = 3/7 erfordern, kann der Induktormagnetisierungszustand DP von
Wenn der zweite Magnetisierungszustand DP2 in die Ansteuersequenz bei D > 0,5 eingeführt wird, kann die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ausgedrückt werden als:
Wobei DP2 der Arbeitszyklus des zweiten Magnetisierungszustands DP2 ist.Where D P2 is the duty cycle of the second magnetization state DP2.
Durch Erhöhen des Arbeitszyklusses DP2 nähert sich der Wandlerbetrieb dem eines herkömmlichen Buck- bzw. Abwärtswandlers mit einem erweiterten maximalen Arbeitszyklus von D = 1, einem maximalen Spannungsumwandlungsverhältnis von VOUT/VIN = 1 an und die Amplitude der Eingangsstrompulse nähert sich dem Pegel des Ausgangsstroms an. By increasing the duty cycle DP2 , the converter operation approaches that of a conventional buck converter with an extended maximum duty cycle of D = 1, a maximum voltage conversion ratio of V OUT /V IN = 1, and the amplitude of the input current pulses approaches the level of the output current.
Die Effizienz des DC-DC-Wandlers 300 kann für einen niedrigen Ausgangsstrom verbessert werden, indem ein umgekehrter Ausgangsstrom verhindert wird. Dies kann unter Verwendung eines modifizierten Entmagnetisierungszustands DV' erreicht werden.The efficiency of the DC-
Der DC-DC-Wandler 300 kann mit einem Stromsensor 330 (siehe
Für ein Spannungsumwandlungsverhältnis VOUT/VIN = 1/12 ist der Magnetisierungs-Arbeitszyklus DP = 1/11. Infolgedessen fließt der Eingangsstrom nahezu kontinuierlich (mehr als 90% Arbeitszyklus) und sein Pegel beträgt weniger als 10% des Laststroms, wie aus Gleichung (7) abgeleitet. Daher ist die Amplitude der Eingangsstrompulse mehr als zehnmal niedriger als die eines herkömmlichen Abwärtswandlers oder eines dreistufigen Abwärtswandlers. Bei kleinen Spannungsumwandlungsverhältnissen nähert sich der Eingangsstrom einer kontinuierlichen Leitung bei Eingangsstrompegeln an, die mit dem Spannungsumwandlungsverhältnis skalieren.For a voltage conversion ratio V OUT /V IN = 1/12, the magnetization duty cycle is DP = 1/11. As a result, the input current flows almost continuously (more than 90% duty cycle) and its level is less than 10% of the load current, as derived from equation (7). Therefore, the amplitude of the input current pulses is more than ten times lower than that of a conventional buck converter or a three-stage buck converter. At small voltage transformation ratios, the input current approaches continuous conduction at input current levels that scale with the voltage transformation ratio.
Für kleine Abwärts-Spannungsumwandlungsverhältnisse (große Aufwärts-Spannungsumwandlungsverhältnisse) gibt es einen relativ langen Arbeitszyklus, während dem der Strom von dem Eingangs-Terminal zu dem Ausgangs-Terminal fließt. Dieser verlängerte Arbeitszyklus des Eingangsstroms reduziert den Eingangsstrompegel, wodurch die Amplitude des gepulsten Stroms und assoziierte Spannungswelligkeiten reduziert werden.For small step-down voltage conversion ratios (large step-up voltage conversion ratios), there is a relatively long duty cycle during which current flows from the input terminal to the output terminal. This increased input current duty cycle reduces the input current level, thereby reducing the amplitude of the pulsed current and associated voltage ripples.
Der erste fliegende Kondensator CF1 hat einen ersten Terminal, der über den Schalter S5 (der als Eingangsschalter bezeichnet werden kann) mit dem Eingangsknoten 602 gekoppelt ist, und einen zweiten Terminal, der über den Masseschalter S3 mit Masse gekoppelt ist. Der zweite fliegende Kondensator CF2 hat einen ersten Terminal an dem Knoten 606 und einen zweiten Terminal an dem Knoten 608. Der erste Terminal ist über einen Kondensatorschalter S1 und den Eingangsschalter S5 mit dem Eingangsknoten 602 gekoppelt. Der zweite Terminal ist über den Schalter S4 mit Masse gekoppelt. Der Induktor L hat einen ersten Terminal, der mit dem zweiten fliegenden Kondensator CF2 an dem Knoten 608 gekoppelt ist, und einen zweiten Terminal, der mit dem Ausgangsknoten 604 gekoppelt ist. Der erste Terminal von CF2 ist über den Schalter S2 mit dem Ausgangsknoten 604 gekoppelt. Der zweite Terminal des Induktors ist über den Schalter S6 mit dem zweiten Terminal von CF1 gekoppelt. Daher sind der Induktor L und der erste und der zweite fliegende Kondensator CF1, CF2 alle mit dem Ausgangsknoten 604 verbunden, wodurch die Option vorgesehen wird, den Ausgangsstrom über mehrere parallele Strompfade aufzuteilen.The first flying capacitor C F1 has a first terminal coupled to the
Eine Ansteuervorrichtung (nicht gezeigt) ist vorgesehen, um sechs Steuersignale Ct1-Ct6 zu erzeugen, um jeweils die Schalter S1-S6 zu betätigen. Die Ansteuervorrichtung ist ausgebildet, um den DC-DC-Wandler 600 mit einer Sequenz von Zuständen zu betreiben. Die Sequenz von Zuständen kann einen Magnetisierungszustand und einen Entmagnetisierungszustand umfassen. Die Ansteuervorrichtung kann konfiguriert sein, um den Magnetisierungszustand und den Entmagnetisierungszustand für eine vorgegebene Dauer während der Ansteuerperiode beizubehalten. Zum Beispiel können ein Arbeitszyklus des Magnetisierungszustands und ein Arbeitszyklus des Entmagnetisierungszustands ausgewählt werden, um ein Sollumwandlungsverhältnis zu erreichen.A driver (not shown) is provided to generate six control signals Ct1-Ct6 to operate switches S1-S6, respectively. The control device is designed to operate the DC-
In Betrieb lädt der Wandler 600 die fliegenden Kondensatoren automatisch auf VCF2 = VOUT und VCF1 = VIN - VOUT während des Entmagnetisierungszustands DV und verbindet dann CF1 und CF2 in Serie während des Magnetisierungszustands DP. Der zweite fliegende Kondensator erhöht den Anteil des Stroms, der den Induktor umgeht. Die Topologie des Wandlers 600 reduziert weiter die Amplitude von Eingangsstrompulsen, den Induktorstrom und den Verlust aufgrund des DC-Widerstands des Induktors.In operation,
Ein Verhältnis von durchschnittlichen Eingangs- zu Ausgangsströmen während des Arbeitszyklus Dv des Entmagnetisierungszustands DV kann ausgedrückt werden als:
Die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung wird ausgedrückt als:
Für ein Spannungsumwandlungsverhältnis VOUT/VIN = 1/12 ist der Magnetisierungs-Arbeitszyklus DP = 1/10. Die Amplitude der Eingangsstrompulse IIN, abgeleitet aus der Gleichung (10), beträgt nur 5/54 des Laststroms IOUT.For a voltage conversion ratio V OUT /V IN = 1/12, the magnetization duty cycle is DP = 1/10. The amplitude of the input current pulses I IN , derived from equation (10), is only 5/54 of the load current I OUT .
Das theoretische maximale Spannungsumwandlungsverhältnis, das aus Gleichung (11) abgeleitet wird, ist VOUT/VIN = 1/3 für D = 1. Für D = 1 ist jedoch Dv = 0 und es gibt während der Ansteuerperiode keine Zeit, um die Ladung von den fliegenden Kondensatoren CF1 und CF2 in den Ausgangskondensator COUT umzuverteilen, da dies einen unendlichen Strom erfordern würde, der einen entsprechenden unendlichen I2R-Leitungsverlust verursachen würde. Die Stromverteilung kann erreicht werden, indem der Arbeitszyklus auf einen Wert von weniger als 1 begrenzt wird, zum Beispiel D ≤ ¾. Für D = ¾ wird ein praktisches maximales Spannungsumwandlungsverhältnis von VOUT/VIN = 3/10 erreicht.The theoretical maximum voltage conversion ratio derived from equation (11) is V OUT /V IN = 1/3 for D = 1. However, for D = 1, Dv = 0 and there is no time during the drive period to charge from the flying capacitors CF1 and CF2 into the output capacitor COUT as this would require infinite current causing a corresponding infinite I 2 R conduction loss. Current sharing can be achieved by limiting the duty cycle to a value less than 1, for example D ≤ 3/4. For D = 3/4 a practical maximum voltage conversion ratio of V OUT /V IN = 3/10 is achieved.
Höhere Ausgangsspannungen können erreicht werden, indem ein modifizierter Magnetisierungszustand DP2 in die Ansteuersequenz eingefügt wird.Higher output voltages can be achieved by inserting a modified magnetization state DP2 into the drive sequence.
Der zweite Magnetisierungszustand DP2 führt einen Induktormagnetisierungsstrom von dem Eingangs-Port durch den zweiten fliegenden Kondensator ein. Ein Beschränken des Arbeitszyklus auf z.B. D ≤ 3/4 erhöht das praktische maximale Spannungsumwandlungsverhältnis auf VOUT/VIN = 3/8 für D = 3/4.
Die Topologie des Wandlers von
Der erste fliegende Kondensator CF1 hat einen ersten Terminal an dem Knoten 806, der über den Kondensatorschalter S3 mit CF2 gekoppelt ist, und einen zweiten Terminal an dem Knoten 808, der über den Masseschalter S5 mit Masse gekoppelt ist. Der Induktor L hat einen ersten Terminal an dem Knoten 810 und einen zweiten Terminal, der mit dem Ausgangsknoten 804 gekoppelt ist. Der erste Induktor-Terminal ist über den Schalter S8 (der als Entmagnetisierungsschalter bezeichnet werden kann) mit Masse und mit CF1 über den ersten Induktorschalter S6 an dem Knoten 806 gekoppelt. Der zweite Induktor-Terminal ist mit dem Ausgangsknoten 804 und mit CF1 über den zweiten Kondensatorschalter S7 an dem Knoten 808 gekoppelt. Der zweite fliegende Kondensator CF2 hat einen ersten Terminal an dem Knoten 812, der mit dem Eingangs- Terminal über den Eingangsschalter S1 gekoppelt ist, und einen zweiten Terminal an dem Knoten 814, der über den Masseschalter S4 mit Masse gekoppelt ist. Der erste Terminal von CF2 ist über den Kondensatorschalter S2 mit dem ersten Terminal des Induktors gekoppelt. Eine Ansteuervorrichtung (nicht gezeigt) ist vorgesehen, um acht Steuersignale Ct1-Ct8 zu erzeugen, um jeweils die Schalter S1-S8 zu betätigen. Die Ansteuervorrichtung ist ausgebildet, um den DC-DC-Wandler 800 mit einer Sequenz von Zuständen zu betreiben. Die Sequenz von Zuständen kann einen Magnetisierungszustand und einen Entmagnetisierungszustand umfassen. Die Ansteuervorrichtung kann konfiguriert sein, um den Magnetisierungszustand und den Entmagnetisierungszustand für eine vorgegebene Dauer während der Ansteuerperiode beizubehalten. Zum Beispiel können ein Arbeitszyklus des Magnetisierungszustands und ein Arbeitszyklus des Entmagnetisierungszustands ausgewählt werden, um ein Sollumwandlungsverhältnis zu erreichen. The first flying capacitor CF1 has a first terminal at
In Betrieb sind die fliegenden Kondensatoren CF1 und CF2 abwechselnd in Serie (während des Entmagnetisierungszustands DV) und parallel (während des Magnetisierungszustands DP) verbunden. Die fliegenden Kondensatoren CF1 und CF2 werden automatisch auf VCF1 = VCF2 = (VIN - VOUT)/2 geladen.In operation, the flying capacitors CF1 and CF2 are alternately connected in series (during the demagnetization state DV) and in parallel (during the magnetization state DP). The flying capacitors CF1 and CF2 are automatically charged to V CF1 = V CF2 = (V IN - V OUT )/2.
Ein Verhältnis von durchschnittlichen Eingangs- zu Ausgangsströmen während des Arbeitszyklus Dv des Entmagnetisierungszustands DV kann ausgedrückt werden als:
Die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung wird ausgedrückt als:
Durch Kombinieren der Gleichungen 13 und 14
Für ein Spannungsumwandlungsverhältnis VOUT/VIN = 1/12 ist der Magnetisierungs-Arbeitszyklus DP = 2/11. Die aus Gleichung (13) abgeleitete Amplitude der Eingangsstrompulse IIN ist nur ~ 10% (11/108) des Laststroms IOUT.For a voltage conversion ratio V OUT /V IN = 1/12, the magnetization duty cycle is DP = 2/11. The amplitude of the input current pulses IIN derived from equation (13) is only ~10% (11/108) of the load current IOUT .
Das aus Gleichung (14) abgeleitete theoretische maximale Spannungsumwandlungsverhältnis ist VOUT/VIN = 1/3 für D = 1. Für D = 1 gibt es jedoch während der Ansteuerperiode Dv = 0 keine Zeit, um die Ladung von den fliegenden Kondensatoren CF1 und CF2 in den Ausgangskondensator COUT umzuverteilen, da dies einen unendlichen Strom erfordern würde, der einen entsprechenden unendlichen I2R-Leitungsverlust verursachen würde. Die Stromverteilung kann erreicht werden, indem der Arbeitszyklus auf einen Wert von weniger als 1 begrenzt wird, zum Beispiel D ≤ ¾. Für D = ¾ wird ein praktisches maximales Spannungsumwandlungsverhältnis von VOUT/VIN = 3/11 erreicht.The theoretical maximum voltage conversion ratio derived from Equation (14) is V OUT /V IN = 1/3 for D = 1. For D = 1, however, there is no time during the drive period Dv = 0 to clear the charge from the flying capacitors CF1 and C F2 into the output capacitor COUT as this would require infinite current causing a corresponding infinite I 2 R conduction loss. Current sharing can be achieved by limiting the duty cycle to a value less than 1, for example D ≤ 3/4. For D = 3/4, a practical maximum voltage conversion ratio of V OUT /V IN = 3/11 is achieved.
Der DC-DC-Wandler 1000 umfasst einen Induktor L und drei fliegende Kondensatoren CF1, CF2 und CF3, die zwischen einem ersten Port (Eingangsknoten 1002) und einem zweiten Port (Ausgangsknoten 1004) durch ein Netzwerk von Schaltern gekoppelt sind, das aus neun Schaltern S1-S9 gebildet ist. Ein Eingangskondensator Cin ist zwischen dem Eingangsknoten 1002 und Masse vorgesehen, und ein Ausgangskondensator Cout ist zwischen dem Ausgangsknoten 1004 und Masse vorgesehen.The DC-
Eine Eingangsstufe ist zwischen dem Eingangsknoten 1002 und einem Zwischenknoten 1014 vorgesehen, und eine Ausgangsstufe ist zwischen dem Zwischenknoten 1014 und dem Ausgangsknoten 1004 vorgesehen. Die Eingangsstufe besteht aus CF3 und den Schaltern S1, S2, S3, S4. Der dritte fliegende Kondensator CF3 hat einen ersten Terminal an dem Knoten 1010, der über den Eingangsschalter S1 mit dem Eingangsknoten gekoppelt ist, und einen zweiten Terminal an dem Knoten 1012, der über den Masseschalter S4 mit Masse gekoppelt ist. Der erste Terminal von CF3 ist über den zwischen den Knoten 1010 und 1014 vorgesehenen Kondensatorschalter S2 mit der Ausgangsstufe gekoppelt. In ähnlicher Weise ist der zweite Terminal von CF3 über den zwischen den Knoten 1012 und 1014 vorgesehenen Kondensatorschalter S3 mit der Ausgangsstufe gekoppelt.An input stage is provided between the
Die Ausgangsstufe besteht aus CF1, CF2 und den Schaltern S5, S6, S7, S8 und S9. Der erste fliegende Kondensator CF1 hat einen ersten Terminal, der über den Schalter S5 mit dem zweiten fliegenden Kondensator CF2 gekoppelt ist, und einen zweiten Terminal, der über den Masseschalter S7 mit Masse und über den Schalter S9 mit dem Ausgangsknoten 1004 gekoppelt ist. Der zweite fliegende Kondensator CF2 hat einen ersten Terminal an dem Knoten 1006, der mit S5 gekoppelt ist, und einen zweiten Terminal an dem Knoten 1008, der über S8 mit Masse gekoppelt ist. Der Induktor L hat einen ersten Terminal, der mit dem zweiten fliegenden Kondensator CF2 an dem Knoten 1008 gekoppelt ist, und einen zweiten Terminal, der mit dem Ausgangsknoten 1004 gekoppelt ist. Der erste Terminal von CF2 ist über den Schalter S6 mit dem Ausgangsknoten 1004 gekoppelt. Eine Ansteuervorrichtung (nicht gezeigt) ist vorgesehen, um neun Steuersignale Ct1-Ct9 zu erzeugen, um jeweils die Schalter S1-S9 zu betätigen. Die Ansteuervorrichtung ist ausgebildet, um den DC-DC-Wandler 1000 mit einer Sequenz von Zuständen zu betreiben. Die Sequenz von Zuständen kann einen Magnetisierungszustand und einen Entmagnetisierungszustand umfassen. Die Ansteuervorrichtung kann konfiguriert sein, um den Magnetisierungszustand und den Entmagnetisierungszustand für eine vorgegebene Dauer während der Ansteuerperiode beizubehalten. Zum Beispiel kann ein Arbeitszyklus des Magnetisierungszustands und ein Arbeitszyklus des Entmagnetisierungszustands ausgewählt werden, um ein Sollumwandlungsverhältnis zu erreichen.The output stage consists of CF1 , CF2 and switches S5, S6, S7, S8 and S9. The first flying capacitor CF1 has a first terminal coupled to the second flying capacitor CF2 through switch S5 and a second terminal coupled to ground through ground switch S7 and to
Der Eingangsknoten ist von dem Ausgangsknoten entkoppelt oder getrennt. Die Masse ist über einen Pfad, der S7, CF1, S5, CF2 und den Induktor L umfasst, mit dem Ausgangsknoten gekoppelt.The input node is decoupled or separated from the output node. Ground is coupled to the output node via a path that includes S7, CF1 , S5, CF2 and the inductor L.
In Betrieb werden die fliegenden Kondensatoren automatisch in Richtung VCF3 = VIN/2, VCF2 = VOUT und VCF1 = VIN/2 - VOUT geladen.In operation, the flying capacitors are automatically charged in the direction of V CF3 =
Das Verhältnis zwischen Eingangs- und Laststrompegel folgt Gleichung (10). Die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung kann ausgedrückt werden als:
Das theoretische maximale Spannungsumwandlungsverhältnis, das aus Gleichung (15) abgeleitet wird, ist VOUT/VIN = 1/4 für D = 1. Für D = 1, Dvx = 0 und es gibt während der Ansteuerperiode keine Zeit, um die Ladung von den fliegenden Kondensatoren CF1 und CF2 in den Ausgangskondensator COUT umzuverteilen, da dies einen unendlichen Strom erfordern würde, der einen entsprechenden unendlichen I2R-Leitungsverlust verursachen würde. Die Ladung des Kondensators CF3 wird durch das Verhältnis DV1/DV2 gesteuert. Die Stromverteilung kann erreicht werden, indem der Arbeitszyklus auf einen Wert von weniger als 1 begrenzt wird, zum Beispiel D ≤ ¾. Für D = 3/4 wird ein praktisches maximales Spannungsumwandlungsverhältnis von VOUT/VIN = 3/20 erreicht. Die Ansteuersequenz von
Höhere Ausgangsspannungen können erreicht werden, indem zusätzlich zu den Schaltzuständen D1 und D2 andere Zustände (in dem Fall eines Abwärtswandlers zusätzliche Magnetisierungszustände) verwendet werden.Higher output voltages can be achieved by using other states (in the case of a buck converter, additional magnetization states) in addition to switching states D1 and D2.
Diese Zustände führen einen Induktormagnetisierungsstrom von dem Eingangs-Port (durch den fliegenden Kondensator CF2) ein. Durch Beschränken des Arbeitszyklus auf D ≤ 3/4 kann ein höheres praktisches maximales Spannungsumwandlungsverhältnis erreicht werden. Zum Beispiel ist für D = ¾ das Verhältnis VOUT/VIN = 3/16.
In Schritt 1410 wird ein Leistungswandler mit einem Masse-Port, einem ersten Port und einem zweiten Port vorgesehen. Der Leistungswandler kann entweder als Step-Down- bzw. Abwärtswandler oder als Step-Up- bzw. Aufwärtswandler arbeiten. Wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, empfängt der erste Port eine Eingangsspannung und der zweite Port sieht die Ausgangsspannung vor. Wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, empfängt der zweite Port eine Eingangsspannung und der erste Port sieht die Ausgangsspannung vor. Der Leistungswandler umfasst einen ersten fliegenden Kondensator, der mit einem Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist, einen zweiten fliegenden Kondensator, der mit dem Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist, einen Induktor, der mit dem zweiten Port gekoppelt ist, und eine Ansteuervorrichtung. Das Netzwerk von Schaltern weist einen ersten Schalter zum Koppeln des zweiten fliegenden Kondensators mit dem ersten Port; einen Masseschalter zum Koppeln des Induktors mit Masse, und einen ersten Kondensatorschalter auf, der mit dem ersten fliegenden Kondensator gekoppelt ist.In
In Schritt 1420 wird das Netzwerk von Schaltern während einer Ansteuerperiode mit einer Sequenz von Zuständen angesteuert. Die Sequenz von Zuständen weist einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand auf. In dem ersten Zustand ist der Masse-Port über einen ersten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, mit dem zweiten Port gekoppelt, und wobei der erste Port über einen zweiten Pfad, der den ersten Schalter, den zweiten fliegenden Kondensator und den Induktor aufweist, mit dem zweiten Port gekoppelt. In dem zweiten Zustand ist der Masse-Port über einen dritten Pfad, der den Masseschalter und den Induktor aufweist, mit dem zweiten Port gekoppelt, und einer des ersten Ports und des Masse-Ports ist über einen vierten Pfad, der den ersten fliegenden Kondensator aufweist, während der Induktor umgangen wird, mit dem zweiten Port gekoppelt. Infolgedessen fließt in dem ersten Zustand ein reduzierter Strom zwischen dem ersten Port und dem zweiten Port. Zum Beispiel bei einem Betrieb als Abwärtswandler, wird ein reduzierter Strom von dem ersten Port zu dem zweiten Port gezogen. In ähnlicher Weise wird bei einem Betrieb als Aufwärtswandler ein reduzierter Strom von dem zweiten Port zu dem ersten Port gezogen.In
Wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, ist der erste Zustand ein Magnetisierungszustand und der zweite Zustand ist ein Entmagnetisierungszustand. Wenn umgekehrt der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, ist der erste Zustand ein Entmagnetisierungszustand und der zweite Zustand ist ein Magnetisierungszustand.When the power converter operates as a buck converter, the first state is a magnetization state and the second state is a demagnetization state. Conversely, when the power converter operates as a boost converter, the first state is a demagnetization state and the second state is a magnetization state.
Der erste fliegende Kondensator CF1 hat einen ersten Terminal an dem Knoten 1506, der über den Kondensatorschalter S5 mit dem Eingangsknoten 1502 gekoppelt ist, und einen zweiten Terminal an dem Knoten 1508, der über den Masseschalter S3 mit Masse gekoppelt ist. Der zweite fliegende Kondensator CF2 hat einen ersten Terminal an dem Knoten 1510, der über den Schalter S1 (auch als Eingangsschalter bezeichnet) mit dem Eingangsknoten gekoppelt ist, und einen zweiten Terminal an dem Knoten 1512, der über den Masseschalter S4 mit Masse gekoppelt ist. Der Induktor L hat einen ersten Terminal an dem Knoten 1512 und einen zweiten Terminal, der mit dem Ausgangsknoten 1504 gekoppelt ist. Der erste Induktor-Terminal ist über den Induktorschalter S6 an dem Knoten 1506 mit CF1 gekoppelt und mit CF2 an dem Knoten 1512. Der erste Induktor-Terminal ist auch über den Schalter S4 mit Masse gekoppelt. Der zweite Terminal von CF1 ist über den Schalter S7 mit dem Ausgangsknoten 1504 gekoppelt. Der erste Terminal von CF2 ist über den Schalter S2 mit dem Ausgangsknoten 1504 gekoppelt. Eine Ansteuervorrichtung (nicht gezeigt) ist vorgesehen, um sieben Steuersignale Ct1-Ct7 zu erzeugen, um jeweils die Schalter S1-S7 zu betätigen. Die Ansteuervorrichtung ist ausgebildet, um den DC-DC-Wandler 1500 mit einer Sequenz von Zuständen zu betreiben. Die Sequenz von Zuständen kann einen Magnetisierungszustand und einen Entmagnetisierungszustand umfassen. Die Ansteuervorrichtung kann konfiguriert sein, um den Magnetisierungszustand und den Entmagnetisierungszustand für eine vorgegebene Dauer während der Ansteuerperiode beizubehalten. Zum Beispiel können ein Arbeitszyklus des Magnetisierungszustands und ein Arbeitszyklus des Entmagnetisierungszustands ausgewählt werden, um ein Sollumwandlungsverhältnis zu erreichen.The first flying capacitor C F1 has a first terminal at
In Betrieb werden die fliegenden Kondensatoren automatisch auf VCF2 = VOUT und VCF1 = VIN - VOUT geladen. Die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung folgt der Gleichung (8).In operation, the flying capacitors are automatically charged to V CF2 = V OUT and V CF1 = V IN - V OUT . The relationship between input and output voltage follows equation (8).
Wie in den
Der erste fliegende Kondensator CF1 hat einen ersten Terminal an dem Knoten 1706, der über den Kondensatorschalter S5 mit CF2 gekoppelt ist, und einen zweiten Terminal an dem Knoten 1708, der über den Masseschalter S3 mit Masse und über den Schalter S6 mit dem Ausgangsknoten 1704 gekoppelt ist.The first flying capacitor CF1 has a first terminal at
Der zweite fliegende Kondensator CF2 hat einen ersten Terminal an dem Knoten 1710, der über den ersten Schalter oder Eingangsschalter S1 mit dem Eingangsknoten 1702 gekoppelt ist, und einen zweiten Terminal an dem Knoten 1712, der über den Masseschalter S4 mit Masse gekoppelt ist. Der Induktor L hat einen ersten Induktor-Terminal, der über S4 mit Masse gekoppelt ist, und einen zweiten Induktor-Terminal, der mit dem Ausgangsknoten 1704 gekoppelt ist. Der erste Induktor-Terminal ist mit CF2 an dem Knoten 1712 gekoppelt und mit CF1 über den Induktorschalter S2 an dem Knoten 1706. Eine Ansteuervorrichtung (nicht gezeigt) ist vorgesehen, um sechs Steuersignale Ct1-Ct6 zu erzeugen, um jeweils die Schalter S1-S6 zu betätigen. Die Ansteuervorrichtung ist ausgebildet, um den DC-DC-Wandler 1700 mit einer Sequenz von Zuständen zu betreiben. Die Sequenz von Zuständen kann einen Magnetisierungszustand und einen Entmagnetisierungszustand umfassen. Die Ansteuervorrichtung kann konfiguriert sein, um den Magnetisierungszustand und den Entmagnetisierungszustand für eine vorgegebene Dauer während der Ansteuerperiode beizubehalten. Zum Beispiel können ein Arbeitszyklus des Magnetisierungszustands und ein Arbeitszyklus des Entmagnetisierungszustands ausgewählt werden, um ein Sollumwandlungsverhältnis zu erreichen.The second flying capacitor CF2 has a first terminal at
Während des Magnetisierungszustands DP sieht der Wandler 1700 typischerweise die Hälfte des Induktormagnetisierungsstroms von dem Eingangs-Terminal (über den fliegenden Kondensator CF2) und die andere Hälfte von dem Masse-Terminal (über den fliegenden Kondensator CF1) vor. Während des Entmagnetisierungszustands sind die fliegenden Kondensatoren in Serie verbunden, um einen zusätzlichen Ausgangsstrom von dem Masse-Terminal vorzusehen. Diese Operation verhindert das Auftreten von Stromspitzen von dem Eingangsknoten, die typischerweise erzeugt werden, wenn die Eingangs- und Ausgangskondensatoren direkt über einen fliegenden Kondensator verbunden werden.During magnetization state DP,
Die fliegenden Kondensatoren werden automatisch auf VCF2 = (VIN + VOUT)/2 und VCF1 = (VIN- VOUT)/2 geladen.The flying capacitors are automatically charged to V CF2 = (V IN + V OUT )/2 and V CF1 = (V IN - V OUT )/2.
Ein Verhältnis von durchschnittlichen Eingangs- zu Ausgangsströmen während des Arbeitszyklus DP des Magnetisierungszustands DP kann ausgedrückt werden als:
Die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung ist:
Für ein Spannungsumwandlungsverhältnis VOUT/VIN = ¼ ist der Arbeitszyklus D = 2/3. Die aus Gleichung (17) abgeleitete Amplitude der Eingangsstrompulse IIN beträgt nur 3/8 des Laststroms IOUT.For a voltage conversion ratio V OUT /V IN = ¼, the duty cycle is D = 2/3. The amplitude of the input current pulses I IN derived from equation (17) is only 3/8 of the load current I OUT .
Das theoretische maximale Spannungsumwandlungsverhältnis, das aus Gleichung (18) abgeleitet wird, ist VOUT/VIN = 1/3 für D = 1. Jedoch ist für D = 1 Dv = 0 und es gibt während der Ansteuerperiode keine Zeit, um die Ladung von den fliegenden Kondensatoren CF1 und CF2 in den Ausgangskondensator COUT umzuverteilen, da dies einen unendlichen Strom erfordern würde, der einen entsprechenden unendlichen I2R-Leitungsverlust verursachen würde. Die Stromverteilung kann erreicht werden, indem der Arbeitszyklus auf einen Wert von weniger als 1 begrenzt wird, zum Beispiel D ≤ ¾. Für D = ¾ wird ein praktisches maximales Spannungsumwandlungsverhältnis von VOUT/VIN = 3/11 erreicht.The theoretical maximum voltage conversion ratio derived from equation (18) is V OUT /V IN = 1/3 for D = 1. However, for D = 1, Dv = 0 and there is no time during the drive period to charge from the flying capacitors CF1 and CF2 into the output capacitor COUT as this would require infinite current causing a corresponding infinite I 2 R conduction loss. Current sharing can be achieved by limiting the duty cycle to a value less than 1, for example D ≤ 3/4. For D = 3/4, a practical maximum voltage conversion ratio of V OUT /V IN = 3/11 is achieved.
Daher reduziert der Wandler 1700 für Umwandlungsverhältnisse von Ausgangs- zu Eingangsspannung, die größer als VOUT/VIN = ¼ sind, die Amplitude der Eingangsstrompulse und reduziert auch die Nennspannung des Entmagnetisierungsschalters auf ungefähr die Hälfte der maximalen Eingangsspannung.Therefore, for output to input voltage conversion ratios greater than V OUT /V IN = ¼,
Der Wandler 1700 kann modifiziert werden, indem der Schalter S6 durch eine feste Verbindung zwischen dem zweiten Terminal von CF1 und dem Ausgangsknoten ersetzt wird und indem die Masseverbindung von CF1 über S3 entfernt wird. In diesem Fall würden die Spannungen über den fliegenden Kondensatoren als VCF2 = VIN/2 und VCF1 = VIN/2 -VOUT ausgedrückt. In diesem Szenario wird jedoch der Ausgangsstrom während der Induktormagnetisierung auf ~ 50% des Induktorstroms reduziert, was zu einer langsameren transienten Lastanwort und einer Zunahme der Ausgangsstrom/spannungs-Welligkeit führt, insbesondere bei einem hohen Arbeitszyklus. Der Wandler 800 kann ebenfalls auf ähnliche Weise modifiziert werden.The
Die in Bezug auf die
Die in Bezug auf die
Die Übertragungsfunktion eines herkömmlichen Aufwärtswandlers enthält eine sogenannte Nullstelle in der rechten Halbebene, wie in der Veröffentlichung mit dem Titel „Right-Half-Plane Zero Elimination for Boost Converter Using Magnetic Coupling With Forward Energy Transfer“, IEEE, 2019 von Poorali, beschrieben wird. Die Null resultiert aus der Tatsache, dass ein Wandler den Ausgangsstrom während einer Induktor-Entmagnetisierung vorsieht. Dies begrenzt die Bandbreite eines Regelungssystems im kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM - continuous conduction mode). Infolgedessen implementieren herkömmliche Aufwärtswandler eine höhere Ausgangsspannungswelligkeit für Anwendungen mit schneller Dynamik.The transfer function of a conventional boost converter contains what is known as a zero in the right half-plane, as described in the paper entitled Right-Half-Plane Zero Elimination for Boost Converter Using Magnetic Coupling With Forward Energy Transfer, IEEE, 2019 by Poorali. The zero results from the fact that a converter provides the output current during inductor degaussing. This limits the bandwidth of a continuous conduction mode (CCM) control system. As a result, traditional boost converters implement higher output voltage ripple for fast dynamic applications.
In Betrieb bezieht der DC-DC-Leistungswandler von
Im Vergleich zu transformatorlosen Wandlern des Standes der Technik ermöglichen die Wandlertopologien der Offenbarung eine Aufwärtswandlung mit großem Spannungsverhältnis mit verbesserter Leistungsversorgungs-Unterdrückung und schnellem Dynamikverhalten.Compared to prior art transformerless converters, the converter topologies of the disclosure enable high voltage ratio boost conversion with improved power supply rejection and fast dynamic response.
Die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung wird durch Anwenden des Volt-Sek.-Ausgleichsprinzips auf die Spannung des Induktors erlangt:
Gemäß Gleichung (19) ist das theoretische Minimum-Wandler-Spannungsumwandlungsverhältnis VOUT/VIN = 2 für D = 0. Für D = 0 gibt es jedoch keine Zeit, um die Ladung von dem fliegenden Kondensator CF in den Ausgangskondensator COUT umzuverteilen (dies würde einen unendlichen Strom erfordern, der einen entsprechenden unendlichen I2R-Leitungsverlust verursachen würde). Eine ausgeglichenere Stromverteilung kann erreicht werden, indem der Arbeitszyklus auf z.B. D ≥ 1/4 begrenzt wird, was zu einem realistischeren Minimum-Spannungsumwandlungsverhältnis von VOUT/VIN = 7/3 für D = 1/4 führt. Für niedrigere Spannungsumwandlungsverhältnisse kann der Schaltzustand DV teilweise oder vollständig durch einen modifizierten Entmagnetisierungszustand DV2 ersetzt werden.According to equation (19), the theoretical minimum converter voltage conversion ratio is V OUT /V IN = 2 for D = 0. However, for D = 0 there is no time to redistribute the charge from the flying capacitor CF to the output capacitor C OUT (this would require an infinite current causing a corresponding infinite I 2 R conduction loss). A more balanced current distribution can be achieved by limiting the duty cycle to eg D ≥ 1/4, resulting in a more realistic minimum voltage conversion ratio of V OUT /V IN = 7/3 for D = 1/4. For lower voltage transformation ratios, the switching state DV can be partially or completely replaced by a modified demagnetization state DV2.
Durch die Einführung eines zunehmenden Anteils von DV2 für Arbeitszyklen unter D < 0,5 wird die Beziehung zwischen Eingangs- und Ausgangsspannung:
Ein zunehmender Anteil des Schaltzustands DV2 während einer Induktor-Entmagnetisierung macht den Wandlerbetrieb ähnlich zu dem eines herkömmlichen Aufwärtswandlers mit einem Minimum-Arbeitszyklus von D = 0 und einem Minimum-Spannungsumwandlungsverhältnis von VOUT/VIN > 1. Dies hat auch den Nachteil einer Wiedereinführung eines größeren Einflusses von der Nullstelle in der rechten Halbebene.An increasing proportion of switching state DV2 during inductor degaussing makes the converter operation similar to that of a conventional boost converter with a minimum duty cycle of D=0 and a minimum voltage conversion ratio of V OUT /V IN > 1. This also has the disadvantage of reintroduction a larger influence from the zero in the right hemiplane.
Ein Deaktivieren eines negativen Induktorstroms bei niedrigem Ausgangsstrom zur Erhöhung einer Wandlereffizienz kann auf Aufwärts-Ableitungen der vorgeschlagenen Wandlertopologien angewendet werden, indem der Entmagnetisierungsstrompfad innerhalb des Entmagnetisierungszustands Dvx geöffnet wird, sobald der Induktorstrom Null erreicht.Disabling negative inductor current at low output current to increase converter efficiency can be applied to boost derivatives of the proposed converter topologies by opening the degaussing current path within the degaussing state Dvx once the inductor current reaches zero.
Ein Reduzieren der Nennspannung von Aufwärtswandler-Leistungsschaltern auf VOUT/2 kann für die Topologien der
Für Fachleute ist offensichtlich, dass Variationen der offenbarten Anordnungen möglich sind, ohne von der Offenbarung abzuweichen. Dementsprechend ist die obige Beschreibung des spezifischen Ausführungsbeispiels nur beispielhaft und dient nicht zum Zweck einer Einschränkung. Für Fachleute ist offensichtlich, dass geringfügige Modifikationen ohne wesentliche Änderungen an der beschriebenen Operation vorgenommen werden können.It will be apparent to those skilled in the art that variations on the disclosed arrangements are possible without departing from the disclosure. Accordingly, the above description of the specific embodiment is exemplary only and not for the purpose of limitation. It will be apparent to those skilled in the art that minor modifications can be made to the operation described without substantial changes.
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- US 7230405 [0042]US7230405 [0042]
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