DE102021106021A1

DE102021106021A1 - Ladungspumpenwandler und Steuerungsverfahren

Info

Publication number: DE102021106021A1
Application number: DE102021106021.4A
Authority: DE
Inventors: Yifeng Cai
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2020-03-20
Filing date: 2021-03-12
Publication date: 2021-09-23
Also published as: CN113497554A; US10985653B1

Abstract

Eine Vorrichtung enthält eine erste Schalteinrichtung und eine zweite Schalteinrichtung, die zwischen einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten in Reihe geschaltet sind, eine erste Spannungssperreinrichtung und eine zweite Spannungssperreinrichtung, die zwischen dem ersten Knoten und einem dritten Knoten in Reihe geschaltet sind, einen schwebenden Kondensator, der zwischen einem gemeinsamen Knoten der ersten Schalteinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung und einem gemeinsamen Knoten der ersten Spannungssperreinrichtung der zweiten Spannungssperreinrichtung geschaltet ist, und einen Controller, der dazu ausgebildet ist, Leistungsverluste in der ersten Schalteinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung durch Steuern von Lade- und Entladeprozessen des schwebenden Kondensators einzustellen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein einen Ladungspumpenwandler und ein Steuerungsverfahren.
Getaktete Leistungswandler sind bei vielen elektronischen Anwendungen von Computern bis hin zu Automobilen allgegenwärtig. Im Allgemeinen werden Spannungen innerhalb eines getakteten Leistungswandlers erzeugt, indem ein mit einer Induktivität oder einem Transformator gekoppelter Schalter betätigt wird. Es kann eine Vielzahl von Wandlertopologien geben. Entsprechend dem Topologieunterschied können getaktete Leistungswandler in zwei Kategorien eingeteilt werden, nämlich isolierte Leistungswandler und nicht-isolierte Leistungswandler.
In Bezug auf das Implementieren einer getakteten Schaltung wird ein Gatetreiber verwendet, um einen Leistungstransistor oder mehrere Leistungstransistoren effektiv anzusteuern. Der Gatetreiber kann dazu ausgebildet sein, ein Niederleistungssignal von einem Controller zu empfangen und Schaltsignale mit geeigneten Geschwindigkeiten und Spannungspegeln zu erzeugen. Diese Spannungspegel können zum Beispiel durch Verwenden von externen Leistungsquellen, Spannungsreglern, Pegelumsetzern, Ladungspumpenwandlern und beliebigen Kombinationen hiervon hergestellt werden, um sicherzustellen, dass der Leistungstransistor ein- und ausgeschaltet wird. Bei dem Leistungstransistor kann es sich um einen Bipolartransistor mit isoliertem Gate („Insulated Gate Bipolar Transistor“; IGBT) oder einen Leistungs-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor („Metal-Oxid-Semiconductor Field-Effect Transistor“; MOSFET) handeln. Der Treiber kann einen einzigen Ausgang zum Ansteuern eines einzigen Gateknotens des Leistungstransistors aufweisen. Alternativ kann der Gatetreiber zwei Ausgänge zum Ansteuern eines High-Side-Leistungstransistors bzw. eines Low-Side-Leistungstransistors aufweisen.
Bei einem Gatetreiber zum Ansteuern eines High-Side-Leistungstransistors kann ein Ladungspumpenwandler eingesetzt werden, um eine Bias-Leistung zum Schalten des High-Side-Leistungstransistors bereitzustellen. Insbesondere ist der Ladungspumpenwandler zwischen einer Leistungsquelle und einem Bias-Eingangsanschluss des Gatetreibers angeschlossen. Der Ladungspumpenwandler ist dazu ausgebildet, die Ausgangsspannung der Leistungsquelle in eine höhere Spannung, die verwendet wird, um den High-Side-Leistungstransistor anzusteuern, zu wandeln.
Es kann sein, dass die Leistungsverluste im Betrieb nicht gleichmäßig über verschiedene Schalter des Ladungspumpenwandlers verteilt sind. Es wäre wünschenswert, über ein einfaches und zuverlässiges Steuerungsverfahren zu verfügen, um die Leistungsverluste auf verschiedene Schalter des Ladungspumpenwandlers gleichmäßig zu verteilen und dadurch die Leistungsfähigkeit des Ladungspumpenwandlers zu verbessern.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Vorrichtung eine erste Schalteinrichtung und eine zweite Schalteinrichtung, die zwischen einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten in Reihe geschaltet sind, eine erste Spannungssperreinrichtung und eine zweite Spannungssperreinrichtung, die zwischen dem ersten Knoten und einem dritten Knoten in Reihe geschaltet sind, einen schwebenden Kondensator („flying capacitor“), der zwischen einem gemeinsamen Knoten der ersten Schalteinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung und einem gemeinsamen Knoten der ersten Spannungssperreinrichtung und der zweiten Spannungssperreinrichtung angeschlossen ist, und einen Controller, der dazu ausgebildet ist, Leistungsverluste in der ersten Schalteinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung durch Steuern des Lade- und Entladeprozesses des schwebenden Kondensators einzustellen, auf.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform weist ein Verfahren das Konfigurieren eines Ladungspumpenwandlers, um in einem Lademodus zu arbeiten, auf, wobei eine Leistungsquelle dazu ausgebildet ist, einen schwebenden Kondensator des Ladungspumpenwandlers zu laden, und in einem Entlademodus zu arbeiten, um Energie von dem schwebenden Kondensator an eine an den Ladungspumpenwandler angeschlossene Last zu übertragen, das Ermitteln einer Anschlussspannung des schwebenden Kondensators, das Ermitteln von zumindest einer von einer Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers, und das Anwenden entweder des Lademodus' oder des Entlademodus' auf den schwebenden Kondensator basierend auf einem Vergleich zwischen der Anschlussspannung des schwebenden Kondensators und der zumindest einen von einer Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers, auf.
Gemäß noch einer weiteren Ausführungsform weist ein Verfahren das Konfigurieren eines Ladungspumpenwandlers, um eine Eingangsspannung von einer Leistungsquelle in eine höhere Spannung zu wandeln, auf, wobei der Ladungspumpenwandler einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter, einen dritten Schalter und einen vierten Schalter, die zwischen zwei Anschlüssen der Leistungsquelle in Reihe geschaltet sind, eine erste Spannungssperreinrichtung und eine zweite Spannungssperreinrichtung, die zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss des Ladungspumpenwandlers in Reihe geschaltet sind, und einen schwebenden Kondensator, der zwischen einem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters und des dritten Schalters und einem gemeinsamen Knoten der ersten Spannungssperreinrichtung und der zweiten Spannungssperreinrichtung angeschlossen ist, auf.
Das Verfahren weist weiterhin das Ermitteln einer ersten Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters und des dritten Schalters und das Anwenden entweder eines Ladeprozesses oder eines Entladeprozesses auf den schwebenden Kondensator basierend auf einem Vergleich zwischen der ersten Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters und des dritten Schalters und einer Eingangs-/Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers auf.
Das Vorstehende hat die Merkmale und technischen Vorteile der vorliegenden Offenbarung eher grob umrissen, so dass die ausführliche Beschreibung der Offenbarung, die folgt, besser verstanden werden kann.
Für ein vollständigeres Verständnis der vorliegenden Offenbarung und deren Vorteile wird nun Bezug genommen auf die folgenden Beschreibungen, die in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen erfolgen, in denen:

1 eine schematische Darstellung eines Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
2 ein Zeitverlaufsdiagramm des in 1 gezeigten Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
3 Leistungsverlustverteilungen unter verschiedenen Steuerungsmechanismen gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
4 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern des in 1 gezeigten Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Anwendung zeigt;
5 eine schematische Darstellung einer ersten Implementierung der Rückkopplungsschaltung des in 1 gezeigten Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
6 eine schematische Darstellung einer zweiten Implementierung der Rückkopplungsschaltung des in 1 gezeigten Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern des in 1 gezeigten Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
8 eine schematische Darstellung eines weiteren Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
9 ein Systemdiagramm eines Gatetreibers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
10 eine schematische Darstellung noch eines weiteren Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
11 ein weiteres Zeitverlaufsdiagramm des in 1 gezeigten Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
12 eine schematische Darstellung noch eines weiteren Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt;
13 ein Zeitverlaufsdiagramm des in 12 gezeigten Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt; und
14 ein Blockschaltbild eines verarbeitenden Systems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung zeigt.

Entsprechende Ziffern und Symbole in den verschiedenen Figuren beziehen sich, sofern nicht anders angegeben, allgemein auf entsprechende Teile. Die Figuren sind gezeichnet, um die relevanten Aspekte der verschiedenen Ausführungsformen klar zu veranschaulichen und sie sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet.
Das Erstellen und Verwenden der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen wird unten ausführlich erörtert. Es versteht sich jedoch, dass die vorliegende Offenbarung viele anwendbare erfinderische Konzepte, die in einer breiten Vielfalt konkreter Zusammenhänge verkörpert sein können, bereitstellt. Die erörterten spezifischen Ausführungsformen sind lediglich für spezifische Wege, die Offenbarung zu erstellen und zu verwenden, illustrativ und sie beschränken den Umfang der Offenbarung nicht.
Die vorliegende Offenbarung wird in Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen in einem spezifischen Kontext, nämlich einem Steuerungsverfahren zum Ausgleichen von Leistungsverlusten in zwei Leistungsschaltern eines Ladungspumpenwandlers, beschrieben. Die vorliegende Offenbarung kann jedoch auf eine Vielzahl von Leistungswandlern angewandt werden. Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen ausführlich erläutert.
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Ladungspumpenwandler 100 weist einen ersten Schalter MBP, einen zweiten Schalter MP, einen dritten Schalter MN, einen vierten Schalter MBN, einen Kondensator C_fly, eine erste Diode D1, eine zweite Diode D2 und einen Ausgangskondensator C_tank auf. Der Eingang des Ladungspumpenwandlers 100 ist mit einer Leistungsquelle verbunden. Bei einigen Ausführungsformen ist die Leistungsquelle als Batterie implementiert. Die Ausgangsspannung der Batterie ist, wie in 1 gezeigt, mit V_BAT bezeichnet. Der Eingangsspannungsbus des Ladungspumpenwandlers 100 ist mit der Leistungsquelle verbunden. Der Ausgangskondensator C_tank ist zwischen einem Ausgangsspannungsbus des Ladungspumpenwandlers 100 und Masse angeschlossen. Bei einigen Ausführungsformen ist der Ausgangsspannungsbus an eine Last wie beispielsweise einen Gatetreiber angeschlossen. Die Spannung an dem Ausgangsspannungsbus ist, wie in 1 gezeigt, mit V_CP bezeichnet.
Wie in 1 gezeigt, sind der erste Schalter MBP, der zweite Schalter MP, der dritte Schalter MN und der vierte Schalter MBN zwischen dem Eingangsspannungsbus des Ladungspumpenwandlers 100 und Masse in Reihe geschaltet. In der Beschreibung können der Eingangsspannungsbus des Ladungspumpenwandlers 100 und Masse durchgängig alternativ als erster Knoten bzw. als zweiter Knoten bezeichnet sein. Der Ausgangsspannungsbus des Ladungspumpenwandlers 100 kann alternativ als dritter Knoten bezeichnet sein. Wie in 1 gezeigt, ist der erste Knoten an einen positiven Anschluss der Batterie angeschlossen. Der zweite Knoten ist an einen negativen Anschluss der Batterie angeschlossen.
Wie in 1 gezeigt, ist ein gemeinsamer Knoten des zweiten Schalters MP und des dritten Schalters MN mit CPL bezeichnet. In der Beschreibung kann die Spannung an dem ersten Knoten durchgängig alternativ als erstes Spannungspotential bezeichnet sein. Die Spannung CPL kann alternativ als zweites Spannungspotential bezeichnet sein. Die erste Diode D1 und die zweite Diode D2 sind zwischen dem Eingangsspannungsbus und dem Ausgangsspannungsbus des Ladungspumpenwandlers 100 in Reihe geschaltet. Insbesondere ist die Anode der ersten Diode D1 mit dem Eingangsspannungsbus verbunden. Die Kathode der ersten Diode D1 ist mit einer Anode der zweiten Diode D2 verbunden. Die Kathode der zweiten Diode D2 ist mit dem Ausgangsspannungsbus verbunden. Ein gemeinsamer Knoten der ersten Diode D1 und der zweiten Diode D2 ist mit CPH bezeichnet. In der Beschreibung sind die erste Diode D1 und die zweite Diode D2 durchgängig alternativ als erste Sperreinrichtung bzw. als zweite Sperreinrichtung bezeichnet.
Wie in 1 gezeigt, ist der Kondensator C_fly zwischen CPH und CPL angeschlossen. Bei einigen Ausführungsformen arbeitet der Kondensator C_fly als Ladungspumpenkondensator. Dier Ladungspumpenkondensator wird oft als schwebender Kondensator bezeichnet. In der Beschreibung wird der Kondensator C_fly durchgängig alternativ als schwebender Kondensator bezeichnet. In einem stationären Betriebsmodus ist die Spannung über dem schwebenden Kondensator C_fly durch Anwenden entweder eines Lademodus' oder eines Entlademodus' auf den schwebenden Kondensator C_fly einstellbar.
Im Betrieb, wenn der dritte Schalter MN und der vierte Schalter MBN eingeschaltet sind und der erste Schalter MBP und der zweite Schalter MP ausgeschaltet sind, ist der Ladungspumpenwandler 100 dazu ausgebildet, im Lademodus zu arbeiten. Die Leistung von der Batterie lädt den schwebenden Kondensator C_fly durch einen ersten leitenden Pfad, der durch die erste Diode Di, den dritten Schalter MN und den vierten Schalter MBN gebildet wird. Während des Lademodus' ist die zweite Diode D2 in Rückwärtsrichtung vorgespannt. Der vierte Schalter MBN arbeitet als Strombegrenzungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, Leistungsverluste in dem dritten Schalter MN zu begrenzen. Während des Lademodus' kann der Leistungsverlust in dem dritten Schalter MN ausgedrückt werden als: $P_{l o s s_M N} = V_{C P L} \times I_{i n}$
wobei I_in der von der Batterie zu dem Ladungspumpenwandler 100 fließende Strom ist und V_CPL die Spannung an dem Knoten CPL ist.
Im Betrieb, wenn der erste Schalter MBP und der zweite Schalter MP eingeschaltet sind und der dritte Schalter MN und der vierte Schalter MBN ausgeschaltet sind, ist der Ladungspumpenwandler 100 dazu ausgebildet, im Entlademodus zu arbeiten. Die Batterie und der schwebende Kondensator C_fly sind miteinander kombiniert, um Leistung für die Last durch einen zweiten leitenden Pfad, der durch den ersten Schalter MBP, den zweiten Schalter MP und die zweite Diode D2 gebildet wird, bereitzustellen. Während des Entlademodus' ist die erste Diode D1 in Rückwärtsrichtung vorgespannt. Der erste Schalter MBP arbeitet als Strombegrenzungseinrichtung, die dazu ausgebildet ist, die Leistungsverluste in dem zweiten Schalter MP zu begrenzen. Während des Entlademodus' kann der Leistungsverlust in dem zweiten Schalter MP ausgedrückt werden als: $P_{l o s s_M N} = (V_{B A T} - V_{C P L}) \times I_{i n}$
Die Gleichungen (1) und (2) oben, die die Leistungsverluste in dem zweiten Schalter MP und dem dritten Schalter MN zeigen, sind auf die Spannung (V_CPL) an dem Knoten CPL bezogen. Insbesondere ist der Leistungsverlust in dem dritten Schalter MN proportional zu V_CPL. Andererseits ist der Leistungsverlust in dem zweiten Schalter MP proportional zu der Differenz zwischen V_BAT und V_CPL (V_BAT-V_CPL). Um die Verteilung des Leistungsverlusts zwischen dem zweiten Schalter MP und dem dritten Schalter MN auszugleichen, wird V_CPL während des Lademodus' und des Entlademodus' auf eine vorgegebene Spannung geregelt. Bei einigen Ausführungsformen wird V_CPL auf eine Spannung von etwa der Hälfte der Batteriespannung V_BAT geregelt.
Gemäß einer Ausführungsform kann es sich bei den in 1 gezeigten Schaltern (z.B. den Schaltern MBP, MP, MN und MBN) um Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor-(MOSFET)-Einrichtungen handeln. Alternativ kann es sich bei den Schaltelementen um beliebige steuerbare Schalter wie beispielsweise Bipolartransistor-mit-isoliertem-Gate-(„insulated gate bipolar transistor“; IGBT)-Einrichtungen, integrierte, Gate-kommutierte Thyristor-(„integrated gate commutated thyristor“; IGCT)-Einrichtungen, Gate-abschalt-Thyristor-(„gate turn-off thyristor“; GTO)-Einrichtungen, gesteuerte Silizium-gleichrichter-(„silicon controlled rectifier“; SCR)-Einrichtungen, Sperrschicht-Feldeffekt-Transistor-(„junction gate field-effect transistor“; JFET)-Einrichtungen, MOS-gesteuerte Thyristor-(„MOS controlled thyristor“; MCT)-Einrichtungen, Galliumnitrid-(GaN)-basierte Leistungseinrichtungen, Siliziumkarbid-(SiC)-basierte Leistungseinrichtungen und dergleichen handeln.
Es wird angemerkt, dass, obwohl 1 zeigt, dass die Schalter MBP und MP als Transistoren vom Typ p implementiert sind und die Schalter MBN und MN als Transistoren vom Typ n implementiert sind, ein Fachmann erkennen würde, dass es viele Variationen, Modifikationen und Alternativen gibt. Zum Beispiel können die Schalter MBP und MP, abhängig von verschiedenen Anwendungen und Auslegungserfordernissen, als Transistoren vom Typ n implementiert werden. Weiterhin kann jeder in 1 gezeigte Schalter als mehrere parallel geschaltete Schalter implementiert werden. Darüber hinaus kann ein Kondensator parallel zu einem Schalter geschaltet werden, um Nullspannungsschalten („zero voltage switching“; ZVS)/Nullstromschalten („zero current switching“; ZCS) zu erreichen.
1 zeigt weiterhin einen Controller 102 und einen Komparator 104. Der Controller 102 kann als beliebiger geeigneter Controller wie beispielsweise als Mikroprozessor, digitaler Signalprozessor (DSP), Analogprozessor, beliebige Kombinationen hiervon und dergleichen implementiert werden. Der Controller 102 ermittelt verschiedene Betriebsparameter (z.B. die Eingangsspannung, die Ausgangsspannung, die Spannung über dem schwebenden Kondensator, den Laststrom, beliebige Kombinationen hiervon, und dergleichen). Basierend auf den ermittelten Parametern bestimmt der Controller 102 die Gateansteuersignale GAP und GAN der Schalter MP und MN wie in 1 gezeigt. Bei einigen Ausführungsformen werden der erste Schalter MBP und der zweite Schalter MP zur selben Zeit ein-/ausgeschaltet. Der Tastgrad des Gateansteuersignals des ersten Schalters MBP ist derselbe wie der des zweiten Schalters MP. Gleichermaßen werden der dritte Schalter MN und der vierte Schalter MBN zur selben Zeit ein-/ausgeschaltet. Der Tastgrad des Gateansteuersignals des vierten Schalters MBN ist derselbe wie der des dritten Schalters MN.
Bei einigen Ausführungsformen ist ein erster Eingang des Komparators 104 dazu ausgebildet, die Spannung (V_CPL) an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters MP und des dritten Schalter MN zu ermitteln. Ein zweiter Eingang des Komparators 104 ist dazu ausgebildet, die vorgegebene Referenz Vref zu empfangen. Das durch den Komparator 104 erzeugte Vergleichsergebnis wird in den Controller 102 eingespeist. Der Controller 102 erzeugt die Gateansteuersignale GAP und GAN basierend auf dem Vergleichsergebnis und einem Taktsignal CLK.
Im Betrieb werden der zweite Schalter MP und der dritte Schalter MN auf eine abwechselnde Weise ein- und ausgeschaltet, um die Leistung von der Batterie an den Kondensator C_tank zu pumpen. Der Ladungspumpenwandler 100 hilft dabei, eine höhere Spannung (größer als V_BAT) an dem Ausgang des Ladungspumpenwandlers 100 zu erzeugen. Der erste Schalter MBP und der vierte Schalter MPN werden verwendet, um die durch den zweiten Schalter MP bzw. den dritten Schalter MN fließenden Ströme zu begrenzen. Insbesondere ist der erste Schalter MBP als erste Strombegrenzungsschaltung ausgebildet, um einen ersten Strom, der während des Entladeprozesses des schwebenden Kondensators durch den zweiten Schalter MP fließt, zu steuern. Der vierte Schalter MBN ist als zweite Strombegrenzungsschaltung ausgebildet, um einen zweiten Strom, der während des auf den schwebenden Kondensator angewandten Ladeprozesses durch den dritten Schalter MN fließt, zu steuern.
Bei einigen Ausführungsformen ist der erste Schalter MBP als erste Stromquelle ausgebildet, um einen ersten Strom, der durch den zweiten Schalter MP fließt, zu begrenzen. Gleichermaßen ist der vierte Schalter MBN als zweite Stromquelle ausgebildet, um einen zweiten Strom, der durch den dritten Schalter MN fließt, zu begrenzen.
Bei einigen Ausführungsformen können die durch den ersten Schalter MBP und den vierten Schalter MBN fließenden Ströme durch zwei mit dem ersten Schalter MBP bzw. dem vierten Schalter MBN gekoppelte Stromspiegel gesteuert werden. Das Verwenden von Stromspiegeln, um die durch Leistungsschalter fließenden Ströme zu steuern, ist auf dem Fachgebiet wohlbekannt und wird deshalb hier nicht erörtert.
Der Ladungspumpenwandler 100 ist in der Lage, die Spannung V_CPL durch die durch den Komparator 104 und den Controller 102 gebildete Steuerschaltung zu regeln. Wenn die Spannung V_CPL im Betrieb geringer als die vorgegebene Referenz V_ref ist, schaltet der Controller 102 den zweiten Schalter MP ein und wendet auf den schwebenden Kondensator C_fly den Entlademodus an. Infolge des Anwendens des Entlademodus' wird die Spannung über dem schwebenden Kondensator C_fly verringert, wodurch die Spannung V_CPL erhöht wird. Wenn andererseits die Spannung V_CPL größer als die vorgegebene Referenz Vref ist, schaltet der Controller 102 den dritten Schalter MN ein und wendet auf den schwebenden Kondensator C_fly den Lademodus an. Infolge des Anwendens des Lademodus' wird die Spannung über dem schwebenden Kondensator C_fly erhöht, wodurch sich die Spannung V_CPL verringert.
Abhängig von verschiedenen Betriebsbedingungen kann der Ladungspumpenwandler 100 entweder im Lademodus' oder im Entlademodus' arbeiten. Durch den oben beschriebenen Steuerungsmechanismus kann die Spannung V_CPL auf einen Spannungspegel, der näherungsweise gleich V_ref ist, geregelt werden. Bei einigen Ausführungsformen ist V_ref gleich der Hälfte der Batteriespannung V_BAT. In der Beschreibung wird dieser Steuerungsmechanismus (das Regeln von V_CPL auf einen vorgegebenen Spannungspegel) alternativ als adaptiver Tastgrad-Steuerungsmechanismus bezeichnet.
2 zeigt ein Zeitverlaufsdiagramm des in 1 gezeigten Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die horizontale Achse von 2 repräsentiert Zeitintervalle. Es gibt fünf vertikale Achsen. Die erste vertikale Achse Y1 repräsentiert das in den Controller 102 eingespeiste Taktsignal CLK. Die zweite vertikale Achse Y2 repräsentiert die von dem Ladungspumpenwandler 100 ausgegebene Spannung V_CP. Die dritte vertikale Achse Y₃ repräsentiert die Spannung an dem Knoten CPL. Die vierte vertikale Achse Y₄ repräsentiert das Gateansteuersignal GAP für den zweiten Schalter MP. Die fünfte vertikale Achse Y₅ repräsentiert das Gateansteuersignal GAN des dritten Schalters MN.
Vor einem ersten Zeitpunkt t1 ist das Taktsignal CLK nicht an den Controller 102 angelegt. Wie in 2 gezeigt, beträgt die Ausgangsspannung V_CP etwa 48 V. Die Spannung an dem Knoten CPL beträgt etwa 48 V. Das Gateansteuersignal GAP besitzt einen logischen Zustand High. Da der zweite Schalter MP ein Transistor vom Typ p ist und sich GAP auf dem logischen Zustand High befindet, ist der zweite Schalter MP ausgeschaltet. Das Gateansteuersignal GAN besitzt einen logischen Zustand Low. Da der dritte Schalter MN ein Transistor vom Typ n ist und sich GAN auf einem logischen Zustand Low befindet, ist der dritte Schalter MN ausgeschaltet.
Von dem ersten Zeitpunkt t1 bis zu einem zweiten Zeitpunkt t2 ist das Taktsignal CLK an den Controller 102 angelegt. Als Reaktion auf das Taktsignal CLK befindet sich das Gateansteuersignal GAN auf einem logischen Zustand High. Infolgedessen ist der dritte Schalter MN (Transistor vom Typ n) eingeschaltet. Das Einschalten des dritten Schalters MN liefert einen Ladepfad für den schwebenden Kondensator C_fly. Nachdem der schwebende Kondensator C_fly geladen wurde, verringert sich die Spannung an dem Knoten CPL, wie in 2 gezeigt, linear von t1 bis t2. Von t1 bis t2 bleibt die Ausgangsspannung VCP gleich.
Ab dem zweiten Zeitpunkt t2 wendet der Controller 102 abwechselnd den Lademodus und den Entlademodus auf den schwebenden Kondensator C_fly an. Von dem zweiten Zeitpunkt t2 bis zu einem dritten Zeitpunkt t3 befindet sich das Gateansteuersignal GAP auf einem logischen Zustand Low. Infolgedessen ist der zweite Schalter MP (Transistor vom Typ p) eingeschaltet. Das Gateansteuersignal GAN befindet sich in einem logischen Zustand Low. Infolgedessen ist der dritte Schalter MN (Transistor vom Typ n) ausgeschaltet. Das Einschalten des zweiten Schalters MP liefert einen Entladepfad für den schwebenden Kondensator C_fly. Insbesondere sind der schwebende Kondensator C_fly und die Batterie in Reihe schaltet, um Leistung für den Ausgangskondensator C_tank durch die zweite Diode D2 zu liefern. Von t2 bis t3 steigt die Ausgangsspannung V_CP entsprechend wie in 2 gezeigt. Während des Entlademodus' (von t2 bis t₃) verringert sich die Spannung über dem schwebenden Kondensator. Die Spannung an dem Knoten CPL steigt an wie in 2 gezeigt.
Von dem dritten Zeitpunkt t3 bis zu einem vierten Zeitpunkt t4 besitzt das Gateansteuersignal GAP einen logischen Zustand High. Infolgedessen ist der zweite Schalter MP (Transistor vom Typ p) ausgeschaltet. Das Gateansteuersignal GAN besitzt einen logischen Zustand High. Infolgedessen ist der dritte Schalter MN (Transistor vom Typ n) eingeschaltet. Das Einschalten des dritten Schalters MN liefert einen Ladepfad für den schwebenden Kondensator C_fly. Insbesondere lädt die Batterie den schwebenden Kondensator C_fly durch die erste Diode Di, den dritten Schalter MN und den vierten Schalter MBN. Die zweite Diode D2 ist in Rückwärtsrichtung vorgespannt. Von t3 bis t4 bleibt die Ausgangsspannung V_CP, wie in 2 gezeigt, gleich. Während des Lademodus' (von t3 bis t4) steigt die Spannung über dem schwebenden Kondensator C_fly an. Die Spannung an dem Knoten CPL verringert sich wie in 2 gezeigt.
Von dem vierten Zeitpunkt t4 bis zu einem fünften Zeitpunkt t5 wird erneut der Entlademodus auf den Ladungspumpenwandler 100 angewandt. Die elektrischen Eigenschaften während t4 bis t5 sind ähnlich zu den elektrischen Eigenschaften während t2 bis t3 und werden daher nicht erörtert.
Ab dem fünften Zeitpunkt t5 werden der Lademodus und der Entlademodus abwechselnd auf den schwebenden Kondensator C_fly angewandt. Die Ausgangsspannung V_CP erreicht einen Spannungspegel von etwa 53 V. Die Spannung an dem Knoten CPL beträgt etwa 24 V. Es ist anzumerken, dass die obige Spannung (24 V) lediglich ein Beispiel darstellt. Abhängig von verschiedenen Anwendungen und Auslegungserfordernissen kann die Spannung an dem Knoten CPL entsprechend variieren.
Es ist anzumerken, dass die in 2 gezeigte Ausgangsspannung VCP lediglich ein Beispiel darstellt. Abhängig von verschiedenen Anwendungen und Auslegungserfordernissen kann die Ausgangsspannung VCP durch Steuern des zweiten Schalters MP und des dritten Schalters MN verringert werden. Wenn die Ausgangsspannung VCP zum Beispiel über einem vorgegebenen Spannungsschwellenwert liegt, kann die Ausgangsspannung VCP durch Ausschalten sowohl des zweiten Schalters MP als auch des dritten Schalters MN verringert werden. Durch Anwenden dieses Steuerungsschemas kann die Ausgangsspannung VCP auf den vorgegebenen Spannungsschwellenwert geregelt werden.
Nochmal zurück zu 1, kann die Eingangsspannung bei einigen Ausführungsformen etwa 48 V betragen. Die Spannung an dem Knoten CPL kann unter verschiedenen Steuerungsmechanismen gesteuert werden. Unter einem ersten Steuerungsmechanismus ist die Spannung an dem Knoten CPL ungeregelt. Die Leistungsverluste sind nicht gleich zwischen dem zweiten Schalter MP und dem dritten Schalter MN verteilt. Bei einigen Ausführungsformen ist der Leistungsverlust in dem dritten Schalter MN wesentlich größer als der Leistungsverlust in dem zweiten Schalter MP. Unter einem zweiten Steuerungsmechanismus wird die Spannung an dem Knoten CPL auf eine Spannung von etwa 32 V geregelt. Die Leistungsverluste sind zwischen dem zweiten Schalter MP und dem dritten Schalter MN nicht gleichmäßig verteilt. Bei einigen Ausführungsformen ist der Leistungsverlust in dem dritten Schalter MN größer als der Leistungsverlust in dem zweiten Schalter MP. Unter einem dritten Steuerungsmechanismus wird die Spannung an dem Knoten CPL auf eine Spannung von etwa 24 V geregelt. Die Leistungsverluste sind im Wesentlichen gleich zwischen dem zweiten Schalter MP und dem dritten Schalter MN verteilt. Bei einigen Ausführungsformen ist der Leistungsverlust in dem dritten Schalter MN näherungsweise gleich dem Leistungsverlust in dem zweiten Schalter MP. Die genauen Leistungsverlustverteilungen bei verschiedenen Steuerungsmechanismen werden unten unter Bezugnahme auf 3 erörtert.
Es ist anzumerken, dass das Implementieren von MBP und MP als Transistoren vom Typ p und MN und MBN als Transistor vom Typ n bei dem vorangehenden Beispiel rein zu Demonstrationszwecken gewählt ist und nicht dazu gedacht ist, die verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung auf irgendeine bestimmte Transistorart oder -konfiguration zu beschränken. Wenn zum Beispiel eine negative Leistungsversorgung eingesetzt wird, um Leistung an den Ladungspumpenwandler zu liefern, können MBP und MP als Transistoren vom Typ n implementiert werden und MN und MBN können als Transistoren vom Typ p implementiert werden.
3 zeigt Leistungsverlustverteilungen bei verschiedenen Steuerungsmechanismen entsprechend verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die horizontale Achse von 3 repräsentiert Zeitintervalle. Die vertikale Achse repräsentiert die Energieverluste in dem zweiten Schalter MP und dem dritten Schalter MN. Es ist anzumerken, dass die Energieverluste gleich den Leistungsverlusten in dem Schalter multipliziert mit einer bestimmten Zeitspanne sind.
Eine erste Linie 301 repräsentiert den Energieverlust in dem dritten Schalter MN, wenn die Spannung an dem Knoten CPL ungeregelt ist. Eine zweite Linie 302 repräsentiert den Energieverlust in dem zweiten Schalter MP, wenn die Spannung an dem Knoten CPL ungeregelt ist. Wie in 3 gezeigt, beträgt der Energieverlust in dem dritten Schalter MN bis zu 3,2 Millijoule (mJ). Im Gegensatz dazu beträgt der Energieverlust in dem zweiten Schalter MP etwa 0,1 mJ.
Eine dritte Linie 303 repräsentiert den Energieverlust in dem dritten Schalter MN, wenn die Spannung an dem Knoten CPL auf eine Spannung von etwa 32 V geregelt wird. Eine vierte Linie 304 repräsentiert den Energieverlust in dem zweiten Schalter MP, wenn die Spannung an dem Knoten CPL auf 32 V geregelt wird. Wie in 3 gezeigt, beträgt der Energieverlust in dem dritten Schalter MN bis zu 2,3 mJ. Im Gegensatz dazu beträgt der Energieverlust in dem zweiten Schalter MP etwa 0,9 mJ.
Eine fünfte Linie 305 repräsentiert den Energieverlust in dem dritten Schalter MN, wenn die Spannung an dem Knoten CPL auf 24 V geregelt wird. Eine sechste Linie 306 repräsentiert den Energieverlust in dem zweiten Schalter MP, wenn die Spannung an dem Knoten CPL auf 24 V geregelt wird. Wie in 3 gezeigt, beträgt der Energieverlust in dem dritten Schalter MN bis zu 1,7 mJ. Im Gegensatz dazu beträgt der Energieverlust in dem zweiten Schalter MP etwa 1,5 mJ.
Ein vorteilhaftes Merkmal des Regelns der Spannung an dem Knoten CPL auf eine Spannung von etwa 24 V besteht darin, dass die Energieverluste gleichmäßig zwischen dem zweiten Schalter MP und dem dritten Schalter MN gleichmäßig verteilt werden.
Es versteht sich, dass die Leistungsverluste in dem zweiten Schalter MP und dem dritten Schalter MN nicht gleichmäßig verteilt sein müssen. Zum Beispiel kann bei einigen Anwendungen die Größe des zweiten Schalters MP wesentlich größer als die des dritten Schalters MN sein. Als Ergebnis der Tatsache, dass er eine größere Größe besitzt, ist der zweite Schalter MP in der Lage, mehr Wärme zu dissipieren. Von daher ist es möglich, die Leistungsverluste ungleichmäßig zwischen dem zweiten Schalter MP und dem dritten Schalter MN zu verteilen.
4 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern des in 1 gezeigten Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Anmeldung. Dieses in 4 gezeigte Flussdiagramm stellt lediglich ein Beispiel, das den Geltungsbereich der Ansprüche nicht unangemessen begrenzen sollte, dar. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Zum Beispiel können verschiedene, in 4 dargestellte Schritte hinzugefügt, entfernt, ersetzt, neu angeordnet und wiederholt werden.
Zurück auf 3 Bezug nehmend sind die Energieverluste in dem zweiten Schalter MP und dem dritten Schalter MN, wie durch die Linien 301-304 angezeigt, nicht gleichmäßig verteilt. Das Regeln der Spannung an dem Knoten CPL auf eine vorgegebene Spannung (z.B. 24 V) hilft dabei, die Energieverluste gleichmäßig zu verteilen und dadurch die Zuverlässigkeit des Ladungspumpenwandlers zu verbessern. 4 zeigt ein Steuerungsverfahren 400, um die Spannung an dem Knoten CPL auf eine vorgegebene Spannung zu regeln, um eine ausgewogene Verteilung des Leistungsverlustes zwischen dem zweiten Schalter MP und dem dritten Schalter MN zu erreichen.
Bevor das Steuerungsverfahren 400 bei Schritt 402 beginnt, wird in dem in 1 gezeigten Controller 102 ein Taktsignal CLK eingespeist. Als Reaktion auf das Taktsignal beginnen die Schalter MBP, MP, MN und MBN zu schalten. Wie in 2 gezeigt, variiert die Spannung an dem Knoten CPL als Reaktion auf den Lademodus und den Entlademodus, die auf dem schwebenden Kondensator C_fly angewandt werden. Zusätzlich werden ein erster Zähler (counter_MN) und ein zweiter Zähler (counter_MP) eingesetzt, um herauszufinden, ob ein Fehler in dem Ladungspumpenwandler 100 auftritt. Anfänglich werden sowohl der erste Zähler als auch der zweite Zähler auf null gesetzt. Für den ersten Zähler kann eine vorgegebene maximale Anzahl aufeinanderfolgender MN-Einschaltzyklen ausgewählt werden. Diese maximale Anzahl ist gleich T_{max_MN} (maximale konsekutive MN-Einschaltzeit) multipliziert mit der Schaltfrequenz (f_clk) des Taktsignals CLK. Die vorgegebene maximale Anzahl konsekutiver MN-Einschaltzyklen wird eingesetzt, um zu bestimmen, ob ein Fehler auftritt. T_{max_MN} ist durch folgende Gleichung gegeben: $T_{M A X_M N} = (V_{B A T} - V_{r e f}) \times C_{f l y} / I_{M N}$
wobei IMN die Stromgrenze des dritten Schalters MN ist.
Für den zweiten Zähler wird eine vorgegebene maximale Anzahl von konsekutiven MP-Einschaltzyklen eingesetzt, um zu bestimmen, ob ein Fehler auftritt. Die vorgegebene maximale Anzahl konsekutiver MP-Einschaltzyklen ist gleich drei. Nachdem V_CPL im Betrieb einen gewünschten Spannungspegel erreicht hat, wird der zweite Schalter MP zum ersten Mal eingeschaltet. Der Tastgrad des zweiten Schalters MP ist durch I_MN/(I_MN+I_MP) festgelegt. I_MN ist der maximale Strom, der durch den dritten Schalter MN fließt. I_MP ist der maximale Strom, der durch den zweiten Schalter MP fließt. Bei einigen Ausführungsformen beträgt der Tastgrad des zweiten Schalters MP etwa 50%. Aufgrund der Betriebsparameterveränderungen kann sich der Tastgrad des zweiten Schalters MP auf einen Pegel von über 50% verändern. Der größte Tastgrad des zweiten Schalters MP beträgt etwa 60%. Von daher kann der zweite Schalter MP nicht drei aufeinanderfolgende Zyklen lang eingeschaltet sein. Wenn der zweite Schalter MP drei aufeinanderfolgende Zyklen lang eingeschaltet ist, tritt ein Fehler auf (z.B. der Knoten CPL wird nach Masse kurzgeschlossen).
Bei Schritt 402 wird die Spannung an dem Knoten CPL ermittelt und mit einer vorgegebenen Referenz verglichen. In der Beschreibung wird die vorgegebene Referenz durchgängig alternativ als vorgegebener Schwellenwert bezeichnet. Bei einigen Ausführungsformen ist die vorgegebene Referenz gleich k-mal die Batteriespannung, wobei k ein vorgegebener Parameter ist. Bei einigen Beispielen ist k gleich 0,5. Wenn außerdem bei Schritt 402 die ermittelte Spannung (V_CPL) größer als die vorgegebene Referenz ist, geht das Verfahren 400 mit Schritt 404 weiter. Anderenfalls geht das Verfahren 400 mit Schritt 406 weiter.
Bei Schritt 404 wird die konsekutive MN-Einschaltzeit geprüft. Wenn die konsekutive MN-Einschaltzeit gleich oder größer als T_{max_MN} ist, geht das Verfahren 400 zu Schritt 410, wo ein Fehler berichtet und der Ladungspumpenwandler 100 abgeschaltet wird. Wenn außerdem bei Schritt 404 die konsekutive MN-Einschaltzeit kleiner als T_{max_MN} ist, geht das Verfahren 400 mit Schritt 408 weiter.
Ein vorteilhaftes Merkmal, über die Schritte 404 und 410 zu verfügen, besteht darin, eine konsekutive Ladezeit des schwebenden Kondensators zu zählen und auf das Ermitteln, dass die konsekutive Ladezeit des schwebenden Kondensators größer als eine vorgegebene maximale Ladezeit ist, hin den Fehler zu melden.
Bei Schritt 408 wird der dritte Schalter MN eingeschaltet. Als Ergebnis des Einschaltens des dritten Schalters MN wird der Lademodus auf den schwebenden Kondensator C_fly angewandt. Die Spannung an dem Knoten CPL wird entsprechend verringert. Ebenfalls bei Schritt 408 wird der erste Zähler (counter_MN) um 1 erhöht. Der zweite Zähler (counter_MP) wird auf null zurückgesetzt. Nach dem Ausführen von Schritt 408 kehrt das Steuerungsverfahren zu Schritt 402 zurück.
Bei Schritt 406 wird die konsekutive MP-Einschaltzeit geprüft. Wenn die konsekutive MP-Einschaltzeit gleich oder größer als T_{max_MP} ist, geht das Verfahren mit Schritt 410 weiter, wo ein Fehler gemeldet und der Ladungspumpenwandler 100 abgeschaltet wird. Ebenfalls bei Schritt 406 geht das Verfahren 400, wenn die konsekutive MP-Einschaltzeit geringer als T_{max_MP} ist, mit Schritt 412 weiter.
Ein vorteilhaftes Merkmal davon, über die Schritte 406 und 410 zu verfügen, besteht darin, dass der zweite Zähler eingesetzt wird, um eine konsekutive Entladezeit des schwebenden Kondensators zu zählen und auf das Ermitteln, dass die konsekutive Entladezeit des schwebenden Kondensators größer als eine vorgegebene maximale Entladezeit ist, hin den Fehler zu melden.
Bei Schritt 412 wird der zweite Schalter MP eingeschaltet. Als ein Ergebnis des Einschaltens des zweiten Schalters MP wird der Entlademodus auf den schwebenden Kondensator C_fly angewandt. Die Spannung an dem Knoten CPL wird entsprechend erhöht. Ebenfalls bei Schritt 412 wird der zweite Zähler (counter_MP) um 1 erhöht. Der erste Zähler (counter_MN) wird auf null zurückgesetzt. Nach dem Ausführen von Schritt 412 kehrt das Steuerungsverfahren 400 zu Schritt 402 zurück.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Implementierung eine Rückkopplungsschaltung des in 1 gezeigten Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der in 5 gezeigte Ladungspumpenwandler 500 ist ähnlich zu dem in 1 gezeigten Ladungspumpenwandler 100 mit der Ausnahme, dass zwei Spannungsteiler eingesetzt werden, um die Batteriespannung bzw. die Spannung an dem Knoten CPL zu ermitteln.
Wie in 5 gezeigt, weist der erste Widerstandsteiler Widerstände R1 und R2, die zwischen dem Knoten CPL und Masse in Reihe geschaltet sind, auf. Ein gemeinsamer Knoten der Widerstände R1 und R2 ist mit einem ersten Eingang des Komparators 104 verbunden. Ein zweiter Widerstandsteiler weist Widerstände R3 und R4, die zwischen dem Eingangsspannungsbus des Ladungspumpenwandlers 500 und Masse in Reihe geschaltet sind, auf. Ein gemeinsamer Knoten der Widerstände R3 und R4 ist mit einem zweiten Eingang des Komparators 104 verbunden. Der erste Widerstandsteiler wird eingesetzt, um die Spannung an dem Knoten CPL auf einen geeigneten Spannungspegel (V_{CPL_L}), der in den ersten Eingang des Komparators 104 eingespeist wird, herabzusetzen. Die Spannung Vc_{PL_L} kann ausgedrückt werden als: $V_{C P L_L} = k1 \times V_{C P L}$
wobei k1 ein vorgegebener Parameter ist. Bei einigen Ausführungsformen ist k1 gleich 1/20.
Der zweite Widerstandsteiler wird eingesetzt, um die Spannung an dem Eingangsspannungsbus des Ladungspumpenwandlers 50 auf einen geeigneten Spannungspegel (V_{BAT_L}), der in den zweiten Eingang des Komparators 104 eingespeist wird, herabzusetzen. Die Spannung V_{BAT_L} kann ausgedrückt werden als: $V_{B A T_L} = k2 \times V_{B A T}$
wobei k2 ein vorgegebener Parameter ist. Bei einigen Ausführungsformen ist k2 gleich 1/40.
Es ist anzumerken, dass das in 4 gezeigte k gleich k2/k1 ist. Bei einigen Ausführungsformen ist k2 gleich 1/40 und k1 ist gleich 1/20. Daher ist k gleich 0,5. Alternativ könnten, abhängig von verschiedenen Anwendungen und Auslegungserfordernissen, andere Verhältnisse verwendet werden.
Die ermittelte Batteriespannung (V_{BAT_L}) und die ermittelte CPL-Spannung (V_{CPL_L}) werden an dem Komparator 104 verglichen. Das Vergleichsergebnis wird verwendet, um zu bestimmen, welcher Modus (ein Lademodus oder ein Entlademodus), wie oben unter Bezugnahme auf 4 erörtert, auf den schwebenden Kondensator C_fly angewandt wird.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer zweiten Implementierung der Rückkopplungsschaltung des in 1 gezeigten Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der in 6 gezeigte Ladungspumpenwandler 600 ist ähnlich zu dem in 5 gezeigten Ladungspumpenwandler 500 mit der Ausnahme, dass der zweite Widerstandsteiler zwischen dem Ausgangsspannungsbus des Ladungspumpenwandlers 600 und Masse angeschlossen ist. Mit anderen Worten, die Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers 600 wird als Referenz, um zu bestimmen, welcher Modus (ein Lademodus oder ein Entlademodus), wie oben unter Bezugnahme auf 4 erörtert, auf den schwebenden Kondensator C_fly angewandt wird, verwendet.
7 zeigt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Steuern des in 1 gezeigten Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das in 7 gezeigte Flussdiagramm stellt lediglich ein Beispiel, das den Geltungsbereich der Ansprüche nicht unangemessen begrenzen soll, dar. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Zum Beispiel können verschiedene in 7 dargestellte Schritte hinzugefügt, entfernt, ersetzt, neu angeordnet und wiederholt werden.
Bei Schritt 702 ist ein Ladungspumpenwandler dazu ausgebildet, abwechselnd in einem Lademodus und einem Entlademodus zu arbeiten. Während des Lademodus' lädt eine Leistungsquelle den schwebenden Kondensator des Ladungspumpenwandlers. Während des Entlademodus' wird die in dem schwebenden Kondensator gespeicherte Energie an eine mit dem Ladungspumpenwandler verbundene Last übertragen.
Bei Schritt 704 ist eine geeignete Spannungserfassungsschaltung dazu ausgebildet, die Anschlussspannung des schwebenden Kondensators und zumindest eine von der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers zu ermitteln. Zurück Bezug nehmend auf 1 ist der schwebende Kondensator zwischen einem gemeinsamen Knoten von D1 und D2 und dem Knoten CPL angeschlossen. Bei einigen Ausführungsformen werden die Spannung an dem Knoten CPL und die Eingangsspannung des Ladungspumpenwandlers ermittelt. Bei alternativen Ausführungsformen werden die Spannung an dem Knoten CPL und die Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers ermittelt.
Bei Schritt 706 werden die ermittelte CPL-Spannung und die zumindest eine von der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers an einer geeigneten Einrichtung wie beispielsweise einem Komparator verglichen. Basierend auf dem Vergleichsergebnis wird entweder der Lademodus oder der Entlademodus auf den schwebenden Kondensator angewandt.
8 zeigt eine schematische Darstellung eines weiteren Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Ladungspumpenwandler 800 ist ähnlich zu dem in 1 gezeigten Ladungspumpenwandler 100 mit der Ausnahme, dass der Ladungspumpenwandler 800 die strombegrenzenden Einrichtungen MBP und MBN nicht aufweist. Das Arbeitsprinzip des Ladungspumpenwandlers 800 ist ähnlich zu dem des Ladungspumpenwandlers 100 und wird daher hier nicht nochmals erörtert.
9 zeigt eine Systemdarstellung eines Gatetreibers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Wie in 9 gezeigt, enthält der Gatetreiber 902 einen Ladungspumpenwandler 980, einen Gateansteuerblock 918, einen Diagnoseblock 916, eine Leistungsverwaltungseinheit („power management unit“; PMU) 914, einen Logikblock 912 und eine Eingangs-/Ausgangs-(I/O)-Schnittstelle 930. Der Gatetreiber 902 ist dazu ausgebildet, ein an einen Schalter Q1 angelegtes Gateansteuersignal zu erzeugen.
Wie in 9 gezeigt, ist der Schalter Q1 zwischen einer Batterie und einer Last 940 angeschlossen. Der Schalter Q1 arbeitet als Lastschalter. Wie in 9 gezeigt, ist der Schalter Q1 als MOSFET vom Typ n implementiert. Das Drain des Schalters Q1 ist mit dem positiven Anschluss der Batterie verbunden. Die Source des Schalters Q1 ist mit der Last 940 verbunden. Das Gate des Schalters Q1 ist mit dem Gateansteuerblock 918 verbunden.
Es ist anzumerken, dass das Implementieren von Q1 als MOSFET vom Typ n lediglich ein Beispiel, das den Geltungsbereich der Ansprüche nicht unangemessen begrenzen sollte, darstellt. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Zum Beispiel kann Q1 als IGBT implementiert werden.
Wie in 9 gezeigt, ist ein Mikrocontroller 920 dazu ausgebildet, mehrere Steuersignale basierend auf einer Vielzahl von Betriebsparametern zu erzeugen. Die Steuersignale werden in die I/O-Schnittstelle 930 eingespeist. Die I/O-Schnittstelle 930 wandelt die Steuersignale in geeignete Logiksignale. Die Logiksignale werden in den Logikblock 912 eingespeist. Basierend auf vorgegebenen Steuerungsmechanismen erzeugt der Logikblock 912 mehrere Signale zum Ansteuern des Gateansteuerblocks 918 und des Ladungspumpenwandlers 980. Weiterhin tauscht der Logikblock 912 mit der PMU 914 und dem Diagnoseblock 916 Steuerungs- und Schutzinformationen aus.
Der Gateansteuerblock 918 weist einen Transistor QP vom Typ p und einen Transistor QN vom Typ n, die zwischen einem Spannungsbus V_CP und der Source des Schalters Q1 in Reihe geschaltet sind, auf. Die Gates des Transistors QP vom Typ p und des Transistors QN vom Typ n werden durch die Ausgangssignale des Logikblocks 912 gesteuert. Es ist anzumerken, dass die Ausgangssignale des Diagnoseblocks 916 und der PMU 914 bei anormalen Betriebsbedingungen einen Einfluss auf den Betrieb des Gateansteuerblocks 918 haben können. Zum Beispiel können der Diagnoseblock 916 und die PMU 914 den Gateansteuerblock 918 bei einem Kurzschluss abschalten, um den Schalter Q1 zu schützen.
Der Ladungspumpenwandler 980 ist ähnlich zu dem in 8 gezeigten Ladungspumpenwandler 800 mit der Ausnahme, dass der Ausgangskondensator C_tank zwischen V_BAT und dem Ausgang des Ladungspumpenwandlers 980 angeschlossen ist. Mit anderen Worten, die Ausgangsspannung V_CP wird in Bezug auf die Batteriespannung V_BAT erzeugt. Der Ladungspumpenwandler 980 ist dazu ausgebildet, eine Ausgangsspannung, die höher als die Batteriespannung ist, bereitzustellen. Die Ausgangsspannung V_CP des Ladungspumpenwandlers 980 wird eingesetzt, um eine Bias-Leistung für den Gateansteuerblock 918 bereitzustellen.
9 zeigt, dass die Bias-Leistung des Gateansteuerblocks 918 durch den Ladungspumpenwandler 980 bereitgestellt wird. Dies stellt lediglich ein Beispiel dar, das den Geltungsbereich der Ansprüche nicht unangemessen begrenzen soll. Ein Fachmann würde viele Variationen, Alternativen und Modifikationen erkennen. Zum Beispiel kann der Ladungspumpenwandler 980 durch beliebige Ladungspumpenwandler (z.B. den in 1 gezeigten Ladungspumpenwandler 100) der vorliegenden Offenbarung ersetzt werden.
10 zeigt eine schematische Darstellung noch eines anderen Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Ladungspumpenwandler 1000 ist ähnlich zu dem in 1 gezeigten Ladungspumpenwandler mit der Ausnahme, dass die Dioden D1 und D2 durch Schalter QD1 bzw. QD2 ersetzt sind. Wie in 10 gezeigt, sind sowohl QD1 als auch QD2 MOSFETs vom Typ n, die als Diode konfiguriert sind. Das Arbeitsprinzip des Ladungspumpenwandlers 1000 ist ähnlich zu dem des Ladungspumpenwandlers 100 und wird daher hier nicht erneut erörtert.
Es ist anzumerken, dass andere Steuerungsmechanismen auf QD1 und QD2 anwendbar sind. Zum Beispiel können die Gates von QD1 und QD2 durch den Controller 102 oder andere geeignete Steuerungseinheiten gesteuert werden. Insbesondere können die Gates von QD1 und QD2 gesteuert werden, um in einem Diodenemulationsmodus zu arbeiten. Mit anderen Worten, QD1 und QD2 werden gesteuert, um Dioden zu emulieren.
11 zeigt ein weiteres Zeitverlaufsdiagramm des in 1 gezeigten Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Die horizontale Achse von 11 repräsentiert Zeitintervalle. Es gibt fünf vertikale Achsen. Die erste vertikale Achse Y1 repräsentiert das in den Controller 102 eingespeiste Taktsignal CLK. Die zweite vertikale Achse Y2 repräsentiert die Ausgangsspannung V_CP des Ladungspumpenwandlers 100. Die dritte vertikale Achse Y3 repräsentiert die Spannung an dem Knoten CPL. Die vierte vertikale Achse Y4 repräsentiert das Gateansteuersignal GAP des zweiten Schalters MP. Die fünfte vertikale Achse Y5 repräsentiert das Gateansteuersignal GAN des dritten Schalters MN.
Vor einem ersten Zeitpunkt t1 ist das Taktsignal CLK nicht an den Controller 102 angelegt. Wie in 11 gezeigt, beträgt die Ausgangsspannung V_CP etwa 48 V. Die Spannung an dem Knoten CPL beträgt etwa 48 V. Das Gateansteuersignal GAP besitzt einen logischen Zustand High. Da der zweite Schalter MP ein Transistor vom Typ p ist und GAP einen logischen Zustand High besitzt, ist der zweite Schalter MP ausgeschaltet. Das Gateansteuersignal GAN besitzt einen logischen Zustand Low. Da der dritte Schalter MN ein Transistor vom Typ n ist und GAN den logischen Zustand Low besitzt, ist der dritte Schalter MN ausgeschaltet.
Von dem ersten Zeitpunkt t1 bis zu einem zweiten Zeitpunkt t2 wird das Taktsignal CLK an den Controller 102 angelegt. Als Reaktion auf das Taktsignal CLK besitzt das Gateansteuersignal GAN einen logischen Zustand High. Infolgedessen ist der dritte Schalter MN (Transistor vom Typ n) eingeschaltet. Das Einschalten des dritten Schalters MN liefert einen Ladepfad für den schwebenden Kondensator C_fly. Nachdem der schwebende Kondensator C_fly geladen wurde, verringert sich die Spannung an dem Knoten CPL, wie in 2 gezeigt, von t1 bis t2 linear. Von t1 bis t2 bleibt die Ausgangsspannung VCP gleich.
Ab dem zweiten Zeitpunkt t2 wendet der Controller 102 den Lademodus und den Entlademodus auf den schwebenden Kondensator C_fly an. Von dem zweiten Zeitpunkt t2 bis zu einem dritten Zeitpunkt t3 besitzt das Gateansteuersignal GAP einen logischen Zustand Low. Infolgedessen ist der zweite Schalter MP (Transistor vom Typ p) eingeschaltet. Das Gateansteuersignal GAN besitzt einen logischen Zustand Low. Infolgedessen ist der dritte Schalter MN (Transistor vom Typ n) ausgeschaltet. Das Einschalten des zweiten Schalters MP liefert einen Entladepfad für den schwebenden Kondensator C_fly. Insbesondere sind der schwebende Kondensator C_fly und die Batterie in Reihe geschaltet, um Leistung für den Ausgangskondensator C_tank durch die zweite Diode D2 bereitzustellen. Von t2 bis t3 steigt die Ausgangsspannung V_CP, wie in 11 gezeigt, an. Während des Entlademodus' (von t2 bis t3) verringert sich die Spannung über dem schwebenden Kondensator. Wie in 11 gezeigt, steigt die Spannung an dem Knoten CPL an.
Von dem dritten Zeitpunkt t3 bis zu einem vierten Zeitpunkt t4 besitzt das Gateansteuersignal GAP einen logischen Zustand High. Infolgedessen ist der zweite Schalter MP (Transistor vom Typ p) ausgeschaltet. Das Gateansteuersignal GAN besitzt einen logischen Zustand High. Infolgedessen ist der dritte Schalter MN (Transistor vom Typ n) eingeschaltet. Das Einschalten des dritten Schalters MN liefert einen Ladepfad für den schwebenden Kondensator C_fly. Insbesondere lädt die Batterie den schwebenden Kondensator C_fly durch die erste Diode Di, den dritten Schalter MN und den vierten Schalter MBN. Die zweite Diode D2 ist in Rückwärtsrichtung vorgespannt. Von t3 bis t4 bleibt die Ausgangsspannung V_CP, wie in 11 gezeigt, gleich. Während des Lademodus' (von t3 bis t4) steigt die Spannung über dem schwebenden Kondensator C_fly. Die Spannung an dem Knoten CPL ändert sich wie in 11 gezeigt.
Von dem vierten Zeitpunkt t4 bis zu einem fünften Zeitpunkt t5 wird nur der Entlademodus auf den schwebenden Kondensator C_fly angewandt. Mit anderen Worten, der Entlademodus und der Lademodus werden nicht wie durch den Zeitraum von t2 bis t4 angezeigt in einer 50:50-Anordnung auf den schwebenden Kondensator C_fly angewandt. Insbesondere werden der Entlademodus und der Lademodus, nachdem die Spannung an dem Knoten CPL eine gewünschte Spannung erreicht hat, nicht in einer 50:50-Anordnung auf den schwebenden Kondensator C_fly angewandt. Zum Beispiel kann es sein, dass der Lademodus, wie in 11 gezeigt, nicht in jedem Taktzyklus auf den schwebenden Kondensator C_fly angewandt wird. Abhängig von Auslegungserfordernissen kann der Entlademodus in aufeinanderfolgenden Taktzyklen auf den schwebenden Kondensator C_fly angewandt werden. Das in 11 gezeigte Zeitverlaufsdiagramm stellt lediglich ein Beispiel dar. Die genaue Anzahl von Taktzyklen, in denen der Lademodus auf den schwebenden Kondensator C_fly abgewandt wird, wird durch eine Rückkopplungsschleife bestimmt. Die Dauer des Anlegens des Entlademodus' auf den schwebenden Kondensator C_fly wird so gesteuert, dass die Spannung an dem Knoten CPL auf einen vorgegebenen Pegel geregelt wird.
12 zeigt eine schematische Darstellung noch eines anderen Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der in 12 gezeigte Ladungspumpenwandler ist ähnlich zu dem in 5 gezeigten Ladungspumpenwandler 500 mit der Ausnahme, dass ein Hysteresesteuerungsschema eingesetzt wird, um das Verhalten des Ladungspumpenwandlers 1200 weiter zu verbessern.
Wie in 12 gezeigt, enthält der Ladungspumpenwandler 1200 einen ersten Spannungsteiler, der zwischen dem Knoten CPL und Masse angeschlossen ist, sowie einen zweiten Spannungsteiler, der zwischen V_BAT und Masse angeschlossen ist. Der erste Spannungsteiler weist in Reihe geschaltete Widerstände R1 und R2 auf. Der erste Spannungsteiler wird eingesetzt, um die Spannung an dem Knoten CPL zu ermitteln. Der gemeinsame Knoten von R1 und R2 ist mit einem ersten Eingang des Komparators 104 verbunden. Der zweite Widerstandsteiler weist in Reihe geschaltete Widerstände R3, R4 und R5 auf. Der zweite Widerstandsteiler wird eingesetzt, um einen ersten Spannungsschwellenwert V_BAT__H und einen zweiten Spannungsschwellenwert V_{BAT_L} zu erzeugen. Der erste Spannungsschwellenwert V_BAT__H ist größer als der zweite Spannungsschwellenwert V_BAT__L.
Der Ladungspumpenwandler 1200 enthält weiterhin einen ersten Steuerungsschalter S1 und einen zweiten Steuerungsschalter S2. Der erste Spannungsschwellenwert V_BAT__H und der zweite Spannungsschwellenwert V_{BAT_L} werden durch den ersten Steuerungsschalter S1 bzw. den zweiten Steuerungsschalter S2 in einen zweiten Eingang des Komparators 104 eingespeist. Mit anderen Worten, wenn der erste Steuerungsschalter S1 eingeschaltet ist und der zweite Steuerungsschalter S2 ausgeschaltet ist, wird die ermittelte Spannung V_{CPL_L} mit dem ersten Spannungsschwellenwert V_BAT__H verglichen und das Vergleichsergebnis wird verwendet, um die Gateansteuersignale von GAP und GAN zu bestimmen. Wenn andererseits der zweite Steuerungsschalter S2 eingeschaltet ist und der erste Steuerungsschalter S1 ausgeschaltet ist, wird die ermittelte Spannung V_{CPL_L} mit dem zweiten Spannungsschwellenwert V_{BAT_L} verglichen und das Vergleichsergebnis wird verwendet, um die Gateansteuersignale von GAP und GAN festzulegen. Das ausführliche Arbeitsprinzip des Ladungspumpenwandlers 1200 wird unten unter Bezugnahme auf 13 beschrieben.
13 zeigt ein Zeitverlaufsdiagramm des in 12 gezeigten Ladungspumpenwandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. GAP ist das Gateansteuersignal des zweiten Schalters MP. GAN ist das Gateansteuersignal des dritten Schalters MN. Die ermittelte Spannung V_{CPL_L} wird mit dem ersten Spannungsschwellenwert V_BAT__H und dem zweiten Spannungsschwellenwert V_{BAT_L} verglichen. Zu einem ersten Zeitpunkt t1 ist die ermittelte Spannung V_{CPL_L} gleich dem ersten Spannungsschwellenwert V_BAT__H. Der zweite Schalter MP wird ausgeschaltet und der dritte Schalter MN wird eingeschaltet. Als Reaktion auf das Einschalten des dritten Schalters MN wird der schwebende Kondensator C_fly geladen und die Spannung an dem Knoten CPL verringert sich entsprechend. Von t1 bis t2 fällt die ermittelte Spannung V_{CPL_L} linear. Zu dem zweiten Zeitpunkt t2 ist die ermittelte Spannung V_{CPL_L} gleich dem zweiten Spannungsschwellenwert V_BAT__L. Der dritte Schalter MN wird ausgeschaltet und der zweite Schalter MP wird eingeschaltet. Als Reaktion auf das Einschalten des zweiten Schalters MP wird der schwebende Kondensator C_fly entladen und die Spannung an dem Knoten CPL steigt entsprechend an. Von t2 bis t3 steigt die ermittelte Spannung V_{CPL_L} linear.
Es ist anzumerken, dass der Tastgrad der Gateansteuersignale (z.B. GAP und GAN) durch die Vergleichsergebnisse (z.B. des Vergleichs zwischen V_{CPL_L} und V_{BAT_H} oder des Vergleichs zwischen V_{CPL_L} und V_{BAT_L}) bestimmt wird.
Es ist ferner anzumerken, dass das in den 12-13 gezeigte Hysteresesteuerungsschema lediglich ein Beispiel darstellt. Ein Fachmann würde erkennen, dass es viele Alternativen, Modifikationen und Variationen gibt.
14 zeigt Blockschaltbild eines verarbeitenden Systems gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das verarbeitende System 1100 zeigt eine Mehrzweckplattform und die allgemeinen Komponenten und Funktionalität, die verwendet werden können, um Teile des Beispiel-Ladungspumpenwandlers und/oder eines externen Computers oder einer verarbeitenden Einrichtung, die mit dem Beispiel-Ladungspumpenwandler verbunden („interfaced“) ist, zu implementieren. Zum Beispiel kann das verarbeitende System 1100 verwendet werden, um einen Teil des in den 1,5 - 6,8 und 10 gezeigten Controllers zu implementieren. Bei einigen Beispielen kann das verarbeitende System 1100 verwendet werden, um Beispiel-Betriebsparameter zu bestimmen und auszuwerten sowie die Gateansteuersignale des Ladungspumpenwandlers basierend auf den Betriebsparametern zu bestimmen.
Das verarbeitende System 1100 kann zum Beispiel eine zentrale verarbeitende Einheit („central processing unit“; CPU) 1102 und Speicher 1104, die an einen Bus 1108 angeschlossen sind, enthalten und kann dazu ausgebildet sein, die oben erörterten Prozesse durchzuführen. Sofern gewünscht oder erforderlich, kann das verarbeitende System 1100 weiterhin einen Anzeigeadapter 1110, um eine Konnektivität mit einer lokalen Anzeige 1112 bereitzustellen, und einen Eingangs-Ausgangs-(I/O)-Adapter 1114, um eine Eingangs-/Ausgangsschnittstelle für ein oder mehr Eingangs-/Ausgangsgeräte 1116 wie beispielsweise eine Maus, eine Tastatur, ein Flash-Laufwerk oder dergleichen bereitzustellen, enthalten.
Das verarbeitende System 1100 kann außerdem eine Netzwerkschnittstelle 1118, die unter Verwendung eines Netzwerkadapters, der dazu ausgebildet ist, mit einer verdrahteten Verbindung wie beispielsweise einem Netzwerkkabel, einer USB-Schnittstelle oder dergleichen und/oder einer drahtlosen/Mobilfunkverbindung zur Kommunikation mit einem Netzwerk 1120 gekoppelt zu werden, implementiert ist, enthalten. Die Netzwerkschnittstelle 1118 kann auch einen geeigneten Empfänger und Sender zur drahtlosen Kommunikation aufweisen. Es ist anzumerken, dass das verarbeitende System 1100 andere Komponenten enthalten kann. Zum Beispiel kann das verarbeitende System 1100 Hardwarekomponenten wie Leistungsversorgungen, Kabel, ein Motherboard, entfernbare Speichermedien, Gehäuse und dergleichen enthalten, wenn es extern implementiert ist. Obwohl nicht gezeigt, werden diese anderen Komponenten als Teil des verarbeitenden Systems 1100 angesehen. Bei einigen Ausführungsformen kann das verarbeitende System 1100 auf einer einzigen monolithisch integrierten Halbleiterschaltung und/oder auf derselben monolithisch integrierten Halbleiterschaltung wie andere offenbarte Systemkomponenten implementiert sein.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden hier zusammengefasst. Andere Ausführungsformen lassen sich aus der Gesamtheit der Beschreibung und den Ansprüchen, die hierin eingereicht werden, verstehen.
Beispiel 1. Vorrichtung, die enthält: eine erste Schalteinrichtung und eine zweite Schalteinrichtung, die zwischen einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten in Reihe geschaltet sind, eine erste Spannungssperreinrichtung und eine zweite Spannungssperreinrichtung, die zwischen dem ersten Knoten und einem dritten Knoten in Reihe geschaltet sind, einen schwebenden Kondensator, der zwischen einen gemeinsamen Knoten der ersten Schalteinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung und einem gemeinsamen Knoten der ersten Spannungssperreinrichtung und der zweiten Spannungssperreinrichtung angeschlossen ist, und einen Controller, der dazu ausgebildet ist, Leistungsverluste in der ersten Schalteinrichtung und der zweiten Einrichtung durch Steuern von Lade- und Entladeprozessen des schwebenden Kondensators einzustellen.
Beispiel 2. Vorrichtung gemäß Beispiel 1, die weiterhin enthält: eine erste Strombegrenzungseinrichtung, die zwischen den ersten Knoten und die erste Schalteinrichtung geschaltet ist, und eine zweite Strombegrenzungseinrichtung, die zwischen die zweite Schalteinrichtung und den zweiten Knoten geschaltet ist, wobei die erste Strombegrenzungseinrichtung und die erste Schalteinrichtung Transistoren vom Typ p sind, die zweite Schalteinrichtung und die zweite Strombegrenzungseinrichtung Transistoren vom Typ n sind, und die erste Spannungssperreinrichtung und die zweite Spannungssperreinrichtung Dioden sind.
Beispiel 3. Vorrichtung gemäß Beispiel 1, die weiterhin enthält: eine erste Strombegrenzungseinrichtung, die zwischen den ersten Knoten und die erste Schalteinrichtung geschaltet ist, und eine zweite Strombegrenzungseinrichtung, die zwischen die zweite Schalteinrichtung und den zweiten Knoten geschaltet ist, wobei die erste Strombegrenzungseinrichtung und die erste Schalteinrichtung Transistoren vom Typ p sind, die zweite Schalteinrichtung und die zweite Strombegrenzungseinrichtung Transistoren vom Typ n sind, und die Spannungssperreinrichtung und die zweite Spannungssperreinrichtung Transistoren sind.
Beispiel 4. Vorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 3, wobei der Controller dazu ausgebildet ist, ein erstes Spannungspotential an dem gemeinsamen Knoten der ersten Schalteinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung und ein zweites Spannungspotential an dem ersten Knoten zu ermitteln und basierend auf einem Vergleich zwischen dem ersten Spannungspotential und dem zweiten Spannungspotential entweder einen Ladeprozess oder einen Entladeprozess auf den schwebenden Kondensator anzuwenden.
Beispiel 5. Vorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 4, wobei der Controller dazu ausgebildet ist, das erste Spannungspotential an dem gemeinsamen Knoten der ersten Schalteinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung durch einen ersten Widerstandsteiler zu ermitteln und das zweite Spannungspotential durch einen zweiten Widerstandsteiler zu ermitteln.
Beispiel 6. Vorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 4, wobei der Vergleich zwischen dem ersten Spannungspotential und dem zweiten Spannungspotential durch einen Komparator ausgeführt wird.
Beispiel 7. Vorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 3, wobei der Controller dazu ausgebildet ist, ein erstes Spannungspotential an dem gemeinsamen Knoten der ersten Schalteinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung und ein drittes Potential an dem dritten Knoten zu ermitteln und basierend auf einem Vergleich zwischen dem ersten Spannungspotential und dem dritten Spannungspotential entweder einen Ladeprozess oder einen Entladeprozess auf den schwebenden Kondensator anzuwenden.
Beispiel 8. Vorrichtung gemäß einem der Beispiele 1 bis 7, wobei der Controller dazu ausgebildet ist, ein erstes Spannungspotential an dem gemeinsamen Knoten der ersten Schalteinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung zu ermitteln und in konsekutiven Zyklen einen Entladeprozess auf den schwebenden Kondensator anzuwenden, um das erste Spannungspotential an dem gemeinsamen Knoten der ersten Schalteinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung zu regeln.
Beispiel 9. Verfahren, das beinhaltet: Konfigurieren eines Ladungspumpenwandlers, so dass er in einem Lademodus arbeitet, wobei eine Leistungsquelle dazu ausgebildet ist, einen schwebenden Kondensator des Ladungspumpenwandlers zu laden, und in einem Entlademodus zu arbeiten, um Energie von dem schwebenden Kondensator an eine mit dem Ladungspumpenwandler verbundene Last zu übertragen, Ermitteln einer Anschlussspannung des schwebenden Kondensators, Ermitteln von zumindest einer von einer Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers, und Anwenden entweder des Lademodus' oder des Entlademodus' auf den schwebenden Kondensator basierend auf einem Vergleich zwischen der Anschlussspannung des schwebenden Kondensators und der zumindest einen von einer Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers.
Beispiel 10. Verfahren gemäß Beispiel 9, wobei der Ladungspumpenwandler aufweist: einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter, einen dritten Schalter und einen vierten Schalter, die zwischen zwei Anschlüssen der Leistungsquelle in Reihe geschaltet sind, eine erste Spannungssperreinrichtung und eine zweite Spannungssperreinrichtung, die zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss des Ladungspumpenwandlers in Reihe geschaltet sind, und den zwischen einem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters und des dritten Schalters und einem gemeinsamen Knoten der ersten Spannungssperreinrichtung und der zweiten Spannungssperreinrichtung geschalteten, schwebenden Kondensator.
Beispiel 11. Verfahren gemäß Beispiel 9, das weiterhin beinhaltet: Konfigurieren des ersten Schalters als erste Stromquelle, um einen durch den zweiten Schalter fließenden ersten Strom zu begrenzen, und Konfigurieren des vierten Schalters als zweite Stromquelle, um einen durch den dritten Schalter fließenden zweiten Strom zu begrenzen.
Beispiel 12. Verfahren gemäß einem der Beispiele 9 bis 11, das weiterhin beinhaltet: Regeln der Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers durch Dissipieren von Leistungsverlusten in dem zweiten Schalter und dem dritten Schalter.
Beispiel 13. Verfahren gemäß einem der Beispiele 9 bis 12, das weiterhin beinhaltet: dynamisches Einstellen einer Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters und eines dritten Schalters durch Anwenden entweder des Lademodus' oder des Entlademodus' auf den schwebenden Kondensator auf eine konsekutive Weise.
Beispiel 14. Verfahren gemäß einem der Beispiele 9 bis 13, das weiterhin beinhaltet: Ermitteln der Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters und des dritten Schalters und der Eingangsspannung des Ladungspumpenwandlers, Laden des schwebenden Kondensators auf das Ermitteln hin, dass die Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters und des dritten Schalters größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, und Entladen des schwebenden Kondensators auf das Ermitteln hin, dass der vorgegebene Schwellenwert größer als die Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters und des dritten Schalters ist.
Beispiel 15. Verfahren, das beinhaltet: Konfigurieren eines Ladungspumpenwandlers, um eine Eingangsspannung von einer Leistungsquelle in eine höhere Spannung zu wandeln, wobei der Ladungspumpenwandler aufweist: einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter, einen dritten Schalter und einen vierten Schalter, die zwischen zwei Anschlüssen der Leistungsquelle in Reihe geschaltet sind, eine erste Spannungssperreinrichtung und eine zweite Spannungssperreinrichtung, die zwischen einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss des Ladungspumpenwandlers in Reihe geschaltet sind, und einen schwebenden Kondensator, der zwischen einen gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters und des dritten Schalters und einen gemeinsamen Knoten der ersten Spannungssperreinrichtung und der zweiten Spannungssperreinrichtung geschaltet ist, Ermitteln einer ersten Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters und des dritten Schalters, und Anwenden entweder eines Ladeprozesses oder eines Entladeprozesses auf den schwebenden Kondensator basierend auf einem Vergleich zwischen der ersten Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters und des dritten Schalters und einer Eingangs-/Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers.
Beispiel 16. Verfahren gemäß Beispiel 15, das weiterhin aufweist: Anwenden des Ladeprozesses auf den schwebenden Kondensator auf das Ermitteln hin, dass ein Verhältnis der ersten Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters und des dritten Schalters zu der Eingangsspannung des Ladungspumpenwandlers größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, und Anwenden des Entladeprozesses auf den schwebenden Kondensator auf das Ermitteln hin, dass das Verhältnis der ersten Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters und des dritten Schalters zu der Eingangsspannung des Ladungspumpenwandlers geringer als der vorgegebene Schwellenwert ist.
Beispiel 17. Verfahren gemäß einem der Beispiele 15 oder 16, das weiterhin aufweist: Konfigurieren eines ersten Zählers, um eine konsekutive Ladezeit des schwebenden Kondensators zu zählen, und Melden eines ersten Fehlers auf das Ermitteln hin, dass die konsekutive Ladezeit des schwebenden Kondensators größer als eine vorgegebene maximale Ladezeit ist.
Beispiel 18. Verfahren gemäß einem der Beispiele 15 oder 16, das weiterhin aufweist: Konfigurieren eines zweiten Zählers, um eine konsekutive Entladezeit des schwebenden Kondensators zu zählen, und Melden eines zweiten Fehlers auf das Ermitteln hin, dass die konsekutive Entladezeit des schwebenden Kondensators größer als eine vorgegebene maximale Entladezeit ist.
Beispiel 19. Verfahren gemäß einem der Beispiele 15 bis 18, das weiterhin aufweist: Anwenden des Ladeprozesses auf den schwebenden Kondensator auf das Ermitteln hin, dass ein Verhältnis der ersten Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters und des dritten Schalters zu der Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist, und Anwenden des Entladeprozesses auf den schwebenden Kondensator auf das Ermitteln hin, dass das Verhältnis der ersten Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters und des dritten Schalters zu der Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers geringer als der vorgegebene Schwellenwert ist.
Beispiel 20. Verfahren gemäß einem der Beispiele 15 bis 19, das weiterhin aufweist: Konfigurieren des ersten Schalters als erste Strombegrenzungsschaltung, um einen während des auf den schwebenden Kondensator angewandten Entladeprozesses durch den zweiten Schalter fließenden Strom zu steuern, und Konfigurieren des vierten Schalters als zweite Strombegrenzungsschaltung, um einen während des auf den schwebenden Kondensator angewandten Ladeprozesses durch den dritten Schalter fließenden Strom zu steuern.
Obwohl Ausführungen der vorliegenden Erfindung und deren Vorteile ausführlich beschrieben wurden, versteht es sich, dass verschiedene Änderungen, Ersetzungen und Abwandlungen vorgenommen werden können, ohne vom Gedanken und Umfang der Offenbarung, wie sie durch die angehängten Ansprüche definiert werden, abzuweichen.
Darüber hinaus soll der Umfang der vorliegenden Anmeldung nicht auf die in der Beschreibung beschriebenen besonderen Ausführungsformen des Verfahrens, der Maschine, der Herstellung, der Stoffzusammensetzung, der Mittel, der Verfahren und der Schritte beschränkt sein. Wie eine Person mit gewöhnlichen Kenntnissen auf dem Gebiet der Technik aus der Offenbarung der vorliegenden Offenbarung leicht erkennen wird, können Prozesse, Maschinen, Herstellung, Stoffzusammensetzungen, Mittel, Methoden oder Verfahren, die gegenwärtig existieren oder später entwickelt werden, die im Wesentlichen dieselbe gleiche Funktion ausführen oder im Wesentlichen dasselbe Ergebnis erzielen wie die entsprechenden hier beschriebenen Ausführungsformen, gemäß der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Dementsprechend sollen die beigefügten Ansprüche in ihrem Geltungsbereich solche Prozesse, Maschinen, Herstellungsverfahren, Materialzusammensetzungen, Mittel, Verfahren oder Schritte beinhalten.

Claims

Vorrichtung, die aufweist: eine erste Schalteinrichtung (MP) und eine zweite Schalteinrichtung (MN), die zwischen einem ersten Knoten und einem zweiten Knoten in Reihe geschaltet sind; eine erste Spannungssperreinrichtung (D1) und eine zweite Spannungssperreinrichtung (D2), die zwischen dem ersten Knoten und einem dritten Knoten in Reihe geschaltet sind; einen schwebenden Kondensator (C_fly), der zwischen einen gemeinsamen Knoten der ersten Schalteinrichtung (MP) und der zweiten Schalteinrichtung (MN) und einem gemeinsamen Knoten der ersten Spannungssperreinrichtung (D1) und der zweiten Spannungssperreinrichtung (D2) angeschlossen ist; und einen Controller (102), der dazu ausgebildet ist, Leistungsverluste in der ersten Schalteinrichtung (MP) und der zweiten Einrichtung (MN) durch Steuern von Lade- und Entladeprozessen des schwebenden Kondensators (C_fly) einzustellen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die weiterhin aufweist: eine erste Strombegrenzungseinrichtung (MBP), die zwischen den ersten Knoten und die erste Schalteinrichtung (MP) geschaltet ist; und eine zweite Strombegrenzungseinrichtung (MBN), die zwischen die zweite Schalteinrichtung (MN) und den zweiten Knoten geschaltet ist, wobei: die erste Strombegrenzungseinrichtung (MBP) und die erste Schalteinrichtung (MP) Transistoren vom Typ p sind; die zweite Schalteinrichtung (MN) und die zweite Strombegrenzungseinrichtung (MBN) Transistoren vom Typ n sind; und die erste Spannungssperreinrichtung (D1) und die zweite Spannungssperreinrichtung (D2) Dioden sind.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, die weiterhin aufweist: eine erste Strombegrenzungseinrichtung (MBP), die zwischen den ersten Knoten und die erste Schalteinrichtung (MP) geschaltet ist; und eine zweite Strombegrenzungseinrichtung (MBN), die zwischen die zweite Schalteinrichtung (MN) und den zweiten Knoten geschaltet ist, wobei: die erste Strombegrenzungseinrichtung (MBP) und die erste Schalteinrichtung (MP) Transistoren vom Typ p sind; die zweite Schalteinrichtung (MN) und die zweite Strombegrenzungseinrichtung (MBN) Transistoren vom Typ n sind; und die Spannungssperreinrichtung (D1) und die zweite Spannungssperreinrichtung (D2) Transistoren sind.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei: der Controller (102) dazu ausgebildet ist, ein erstes Spannungspotential an dem gemeinsamen Knoten der ersten Schalteinrichtung (MP) und der zweiten Schalteinrichtung (MN) und ein zweites Spannungspotential an dem ersten Knoten zu ermitteln und basierend auf einem Vergleich zwischen dem ersten Spannungspotential und dem zweiten Spannungspotential entweder einen Ladeprozess oder einen Entladeprozess auf den schwebenden Kondensator (C_fly) anzuwenden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei: der Controller (102) dazu ausgebildet ist, das erste Spannungspotential an dem gemeinsamen Knoten der ersten Schalteinrichtung (MP) und der zweiten Schalteinrichtung (MN) durch einen ersten Widerstandsteiler zu ermitteln und das zweite Spannungspotential durch einen zweiten Widerstandsteiler zu ermitteln.
Vorrichtung gemäß Anspruch 4, wobei: der Vergleich zwischen dem ersten Spannungspotential und dem zweiten Spannungspotential durch einen Komparator (104) ausgeführt wird.
Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei: der Controller (102) dazu ausgebildet ist, ein erstes Spannungspotential an dem gemeinsamen Knoten der ersten Schalteinrichtung und der zweiten Schalteinrichtung und ein drittes Potential an dem dritten Knoten zu ermitteln und basierend auf einem Vergleich zwischen dem ersten Spannungspotential und dem dritten Spannungspotential entweder einen Ladeprozess oder einen Entladeprozess auf den schwebenden Kondensator anzuwenden.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei: der Controller dazu ausgebildet ist, ein erstes Spannungspotential an dem gemeinsamen Knoten der ersten Schalteinrichtung (MP) und der zweiten Schalteinrichtung (MN) zu ermitteln und in konsekutiven Zyklen einen Entladeprozess auf den schwebenden Kondensator (C_fly) anzuwenden, um das erste Spannungspotential an dem gemeinsamen Knoten der ersten Schalteinrichtung (MP) und der zweiten Schalteinrichtung (MN) zu regeln.
Verfahren, das aufweist: Konfigurieren eines Ladungspumpenwandlers, so dass er in einem Lademodus arbeitet, wobei eine Leistungsquelle dazu ausgebildet ist, einen schwebenden Kondensator (C_fly) des Ladungspumpenwandlers zu laden, und in einem Entlademodus zu arbeiten, um Energie von dem schwebenden Kondensator (C_fly) an eine mit dem Ladungspumpenwandler verbundene Last zu übertragen; Ermitteln einer Anschlussspannung des schwebenden Kondensators (C_fly); Ermitteln von zumindest einer von einer Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers; und Anwenden entweder des Lademodus' oder des Entlademodus' auf den schwebenden Kondensator (C_fly) basierend auf einem Vergleich zwischen der Anschlussspannung des schwebenden Kondensators (C_fly) und der zumindest einen von einer Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei der Ladungspumpenwandler aufweist: einen ersten Schalter (MBP), einen zweiten Schalter (MP), einen dritten Schalter (MN) und einen vierten Schalter (MBN), die zwischen zwei Anschlüssen der Leistungsquelle in Reihe geschaltet sind; eine erste Spannungssperreinrichtung (D1) und eine zweite Spannungssperreinrichtung (D2), die zwischen einem Eingangsanschluss und einem Ausgangsanschluss des Ladungspumpenwandlers in Reihe geschaltet sind; und den zwischen einem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters (MP) und des dritten Schalters (MN) und einem gemeinsamen Knoten der ersten Spannungssperreinrichtung (D1) und der zweiten Spannungssperreinrichtung (D2) geschalteten, schwebenden Kondensator (C_fly).
Verfahren gemäß Anspruch 10, das weiterhin aufweist: Konfigurieren des ersten Schalters (MBP) als erste Stromquelle, um einen durch den zweiten Schalter (MP) fließenden ersten Strom zu begrenzen; und Konfigurieren des vierten Schalters (MBN) als zweite Stromquelle, um einen durch den dritten Schalter (MN) fließenden zweiten Strom zu begrenzen.
Verfahren gemäß Anspruch 10 oder 11, das weiterhin aufweist: Regeln der Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers durch Dissipieren von Leistungsverlusten in dem zweiten Schalter (MP) und dem dritten Schalter (MN).
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12, das weiterhin aufweist: dynamisches Einstellen einer Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters (MP) und des dritten Schalters (MN) durch Anwenden entweder des Lademodus' oder des Entlademodus' auf den schwebenden Kondensator (C_fly) auf eine konsekutive Weise.
Verfahren gemäß Anspruch 13, das weiterhin aufweist: Ermitteln der Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters (MP) und des dritten Schalters (MN) und der Eingangsspannung des Ladungspumpenwandlers; Laden des schwebenden Kondensators (C_fly) auf das Ermitteln hin, dass die Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters (MP) und des dritten Schalters (MN) größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist; und Entladen des schwebenden Kondensators (C_fly) auf das Ermitteln hin, dass der vorgegebene Schwellenwert größer als die Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters (MP) und des dritten Schalters (MN) ist.
Verfahren, das aufweist: Konfigurieren eines Ladungspumpenwandlers, um eine Eingangsspannung von einer Leistungsquelle in eine höhere Spannung zu wandeln, wobei der Ladungspumpenwandler aufweist: einen ersten Schalter (MBP), einen zweiten Schalter (MP), einen dritten Schalter (MN) und einen vierten Schalter (MBN), die zwischen zwei Anschlüssen der Leistungsquelle in Reihe geschaltet sind; eine erste Spannungssperreinrichtung (D1) und eine zweite Spannungssperreinrichtung (D2), die zwischen einen Eingangsanschluss und einen Ausgangsanschluss des Ladungspumpenwandlers in Reihe geschaltet sind; und einen schwebenden Kondensator (C_fly), der zwischen einen gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters (MP) und des dritten Schalters (MN) und einen gemeinsamen Knoten der ersten Spannungssperreinrichtung (D1) und der zweiten Spannungssperreinrichtung (D2) geschaltet ist; Ermitteln einer ersten Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters (MP) und des dritten Schalters (MN); und Anwenden entweder eines Ladeprozesses oder eines Entladeprozesses auf den schwebenden Kondensator (C_fly) basierend auf einem Vergleich zwischen der ersten Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters (MP) und des dritten Schalters (Mn) und einer Eingangs-/Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers.
Verfahren gemäß Anspruch 15, das weiterhin aufweist: Anwenden des Ladeprozesses auf den schwebenden Kondensator (C_fly) auf das Ermitteln hin, dass ein Verhältnis der ersten Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters (MP) und des dritten Schalters (MN) zu der Eingangsspannung des Ladungspumpenwandlers größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist; und Anwenden des Entladeprozesses auf den schwebenden Kondensator (C_fly) auf das Ermitteln hin, dass das Verhältnis der ersten Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters (MP) und des dritten Schalters (MN) zu der Eingangsspannung des Ladungspumpenwandlers geringer als der vorgegebene Schwellenwert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 16, das weiterhin aufweist: Konfigurieren eines ersten Zählers, um eine konsekutive Ladezeit des schwebenden Kondensators (C_fly) zu zählen; und Melden eines ersten Fehlers auf das Ermitteln hin, dass die konsekutive Ladezeit des schwebenden Kondensators (C_fly) größer als eine vorgegebene maximale Ladezeit ist.
Verfahren gemäß Anspruch 16, das weiterhin aufweist: Konfigurieren eines zweiten Zählers, um eine konsekutive Entladezeit des schwebenden Kondensators (C_fly) zu zählen; und Melden eines zweiten Fehlers auf das Ermitteln hin, dass die konsekutive Entladezeit des schwebenden Kondensators (C_fly) größer als eine vorgegebene maximale Entladezeit ist.
Verfahren gemäß Anspruch 15, das weiterhin aufweist: Anwenden des Ladeprozesses auf den schwebenden Kondensator auf das Ermitteln hin, dass ein Verhältnis der ersten Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters (MP) und des dritten Schalters (MN) zu der Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers größer als ein vorgegebener Schwellenwert ist; und Anwenden des Entladeprozesses auf den schwebenden Kondensator (C_fly) auf das Ermitteln hin, dass das Verhältnis der ersten Spannung an dem gemeinsamen Knoten des zweiten Schalters (MP) und des dritten Schalters (MN) zu der Ausgangsspannung des Ladungspumpenwandlers geringer als der vorgegebene Schwellenwert ist.
Verfahren gemäß Anspruch 15, das weiterhin aufweist: Konfigurieren des ersten Schalters (MBP) als erste Strombegrenzungsschaltung, um einen während des auf den schwebenden Kondensator (C_fly) angewandten Entladeprozesses durch den zweiten Schalter (MP) fließenden Strom zu steuern; und Konfigurieren des vierten Schalters (MBN) als zweite Strombegrenzungsschaltung, um einen während des auf den schwebenden Kondensator (C_fly) angewandten Ladeprozesses durch den dritten Schalter (MN) fließenden Strom zu steuern.