DE102021202137A1

DE102021202137A1 - Ein Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Leistungswandler

Info

Publication number: DE102021202137A1
Application number: DE102021202137.9A
Authority: DE
Inventors: Francesco Cannillo; Marco Ruggeri
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2021-03-05
Filing date: 2021-03-05
Publication date: 2022-09-08
Also published as: US20220286051A1; US11848612B2; US20230253883A1

Abstract

Ein Leistungswandler wird vorgestellt. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein zum Empfangen einer Eingangsspannung an einem Eingangsknoten des Leistungswandlers und zum Erzeugen einer Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten des Leistungswandlers. Der Leistungswandler kann einen Induktor aufweisen, der zwischen einem Induktorknoten und dem Ausgangsknoten gekoppelt ist. Der Leistungswandler kann einen fliegenden Kondensator aufweisen, der zwischen einem ersten Kondensatorknoten und einem zweiten Kondensatorknoten gekoppelt ist. Der Leistungswandler kann ein erstes Schaltelement aufweisen, das zwischen dem Eingangsknoten und dem ersten Kondensatorknoten gekoppelt ist. Der Leistungswandler kann ein zweites Schaltelement aufweisen, das zwischen dem zweiten Kondensatorknoten und dem Induktorknoten gekoppelt ist. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein zum Öffnen, während einer ersten Phase eines Abwärts-Betriebsmodus, des zweiten Schaltelements derart, dass der zweite Kondensatorknoten von dem Induktorknoten isoliert ist.

Description

Technischer Bereich
Das vorliegende Dokument betrifft Leistungswandler. Insbesondere betrifft das vorliegende Dokument verbesserte Hybrid-Abwärts-Aufwärts- bzw. -Buck-Boost-Leistungswandler, die unter Verwendung von Transistoren mit niedrigen Nennspannungen (d.h. mit einer niedrigen maximalen Drain-Source-Spannung) und ohne Body-Schalt-Fähigkeiten implementiert werden können.
Hintergrund
Es gibt einen vermehrten Bedarf an hocheffizienten geregelten Leistungswandlern in mehreren Marktsegmenten, wie z.B. Solid-State-Laufwerken (SSDs - solid-state drives), Computervorrichtungen, Ladevorrichtungen oder PMICs (Wearable Power Management Integrated Circuits). Insbesondere ist es sehr wünschenswert, Leistungswandler mit höherer Effizienz und kleinerer Fläche zu entwickeln.
Das vorliegende Dokument betrifft „Hybrid“-Abwärts-Aufwärts-Leistungswandler, d.h. Leistungswandler, die sowohl fliegende Kondensatoren als auch Induktoren aufweisen. Abwärts-Aufwärts-Leistungswandler weisen typischerweise eine Vielzahl von Schaltelementen zum Steuern von Strompfaden innerhalb des Leistungswandlers auf. Abhängig von dem Anwendungsszenario kann die geregelte Ausgangsspannung höher, niedriger oder gleich der Eingangsspannung des Leistungswandlers sein. Zu diesem Zweck wird das Schaltverhalten der Schaltelemente so angepasst, dass der Leistungswandler in dem Abwärts- bzw. Buck-Modus, in dem Aufwärts- bzw. Boost-Modus oder in dem Abwärts-Aufwärts- bzw. Buck-Boost-Modus arbeitet.
Jedes Schaltelement ist durch eine Nennspannung gekennzeichnet, d.h. eine maximale Spannung, der das Schaltelement standhalten kann, ohne beschädigt zu werden. Wenn Feldeffekttransistoren (FETs - field effect transistors) als Schaltelemente verwendet werden, kann die Nennspannung der maximalen Spannung entsprechen, die über den nichtleitenden Drain-Source-Kanal eines FETs angelegt werden kann. Eine Verwendung von FETs mit reduzierter Nennspannung ermöglicht, die Fläche der Schaltelemente für einen gegebenen Sollwiderstand Ron zu reduzieren. Darüber hinaus haben FETs mit niedrigerer Nennspannungtypischerweise einen kleineren spezifischen Widerstand und eine kleinere Gate-Kapazität. Es ist daher wünschenswert, einen neuen Hybrid-Leistungswandler zu entwickeln, der die Verwendung von FETs mit niedrigen Nennspannungen ermöglicht.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit den oben angeführten technischen Problemen. Insbesondere befasst sich das vorliegende Dokument mit dem technischen Problem eines Vorsehens eines neuartigen Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Leistungswandlers, der mit FETs mit reduzierter Nennspannung und/oder Größe implementiert werden kann.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt wird ein Leistungswandler dargestellt. Der Leistungswandler kann konfiguriert sein zum Empfangen einer Eingangsspannung an einem Eingangsknoten des Leistungswandlers und zum Erzeugen einer Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten des Leistungswandlers. Der Leistungswandler kann einen Induktor aufweisen, der zwischen einem Induktorknoten und dem Ausgangsknoten gekoppelt ist. Der Leistungswandler kann einen fliegenden Kondensator aufweisen, der zwischen einem ersten Kondensatorknoten und einem zweiten Kondensatorknoten gekoppelt ist. Der Leistungswandler kann ein erstes Schaltelement aufweisen, das zwischen dem Eingangsknoten und dem ersten Kondensatorknoten gekoppelt ist. Der Leistungswandler kann ein zweites Schaltelement aufweisen, das zwischen dem zweiten Kondensatorknoten und dem Induktorknoten gekoppelt ist.
Wie in der folgenden Beschreibung detaillierter erläutert wird, kann ein Koppeln des zweiten Schaltelements zwischen dem Kondensator und dem Induktor eine Spannung über dem ersten Schaltelement reduzieren und infolgedessen die Verwendung einer Vorrichtung mit einer niedrigeren Nennspannung zum Implementieren des ersten Schaltelements ermöglichen.
Der fliegende Kondensator kann eine passive elektronische Komponente sein, die elektrische Energie in einem elektrischen Feld speichern kann. Der fliegende Kondensator kann einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweisen. Der fliegende Kondensator wird als „fliegend (flying)“ bezeichnet, da während verschiedener Betriebsmodi des beschriebenen Leistungswandlers einer der Anschlüsse ein fester Anschluss sein kann, der auf einen definierten Spannungspegel gesteuert wird, und die Spannung an dem anderen Anschluss auf eine Spannung „fliegen“ kann, die von der Spannung an dem festen Anschluss und der Spannung über dem fliegenden Kondensator abhängt. Die Spannung über dem fliegenden Kondensator kann wiederum von der gespeicherten Ladungsmenge und von der Kapazität des fliegenden Kondensators abhängen. Die Anschlüsse des fliegenden Kondensators müssen nicht mit einem Referenzpotential verbunden sein, wie z.B. Masse.
Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um während einer ersten Phase eines Abwärts-Betriebsmodus das zweite Schaltelement zu öffnen, so dass der zweite Kondensatorknoten von dem Induktorknoten isoliert ist.
Während der ersten Phase des Abwärts-Betriebsmodus kann eine Spannung an dem Induktorknoten auf eine Referenzspannung, wie z.B. Masse, gezogen werden. Der fliegende Kondensator, der typischerweise während einer vorhergehenden Phase auf die Eingangsspannung vorgeladen werden kann, kann nun eine Spannung an dem ersten Kondensatorknoten auf eine negative Spannung zwingen, wenn das zweite Schaltelement fehlt, d.h. wenn der zweite Kondensatorknoten direkt mit dem Induktorknoten gekoppelt ist. Eine solche negative Spannung an dem ersten Kondensatorknoten kann eine Spannung über dem ersten Schaltelement erhöhen, das dann zwischen der negativen Spannung und der Eingangsspannung an dem Eingangsknoten gekoppelt wird. Mit Hilfe des zweiten Schaltelements, das während der ersten Phase des Abwärts-Betriebsmodus offen sein kann, kann der zweite Kondensatorknoten effektiv von dem Induktorknoten entkoppelt werden, die Spannung an dem zweiten Kondensatorknoten muss nicht auf das Referenzpotential gezogen werden und die Spannung an dem ersten Kondensatorknoten muss nicht negativ werden. Somit kann ein Transistor mit einer niedrigeren Nennspannung zum Implementieren des ersten Schaltelements verwendet werden.
Der Leistungswandler kann weiter ein drittes Schaltelement aufweisen, das zwischen dem Eingangsknoten und dem zweiten Kondensatorknoten gekoppelt ist. Der Leistungswandler kann weiter ein viertes Schaltelement aufweisen, das zwischen dem ersten Kondensatorknoten und einem Referenzpotential gekoppelt ist.
In diesem Dokument ist der Begriff „Referenzpotential“ in seinem weitest möglichen Sinne zu verstehen. Insbesondere ist das Referenzpotential nicht auf Masse beschränkt, d.h. ein Referenzpotential mit einer direkten physikalischen Verbindung zu Erde oder einer Spannung von 0V. Der Begriff „Referenzpotential“ kann sich vielmehr auf jeden Referenzpunkt beziehen, zu dem und von dem elektrische Ströme fließen können oder von dem Spannungen gemessen werden können. Darüber hinaus sollte angeführt werden, dass sich die in diesem Dokument genannten Referenzpotentiale möglicherweise nicht unbedingt auf denselben physikalischen Kontakt beziehen. Stattdessen können sich die in diesem Dokument erwähnten Referenzpotentiale auf verschiedene physikalische Kontakte beziehen, obwohl zur Vereinfachung der Darstellung auf „das“ Referenzpotential Bezug genommen wird.
Der Leistungswandler kann weiter ein fünftes Schaltelement aufweisen, das zwischen dem Induktorknoten und dem Referenzpotential gekoppelt ist. Zum Beispiel kann das Referenzpotential direkt mit dem fünften Schaltelement verbunden sein, so dass ein Anschluss des fünften Schaltelements direkt mit dem Referenzpotential verbunden ist und der andere Anschluss des fünften Schaltelements direkt mit dem Induktorknoten verbunden ist.
Das erste, zweite, dritte, vierte und fünfte Schaltelement kann mit allen geeigneten Vorrichtungen implementiert sein, wie zum Beispiel Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs - metal-oxide-semiconductor field effect transistors), Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs - insulated-gate bipolar transistors), MOS-Gate-Thyristoren oder andere geeignete Leistungsvorrichtungen. Die Schaltelemente können unter Verwendung identischer Transistoren oder unterschiedlicher Transistoren implementiert werden. Zum Beispiel kann das erste Schaltelement ein MOSFET des p-Typs sein, und die anderen Schaltelemente (d.h. das zweite, dritte, vierte und fünfte Schaltelement) können unter Verwendung von MOSFETs des n-Typs implementiert werden. Jedes Schaltelement kann einen Steueranschluss (z.B. ein Gate) aufweisen, an den ein entsprechendes Steuersignal oder eine Ansteuerspannung angelegt werden kann, um das Schaltelement einzuschalten (d.h. das Schaltelement zu schließen) oder das Schaltelement auszuschalten (d.h. das Schaltelement zu öffnen).
Im Allgemeinen kann der Leistungswandler konfiguriert sein für einen Betrieb in einem von zumindest drei verschiedenen Betriebsmodi: einem Abwärts-Betriebsmodus, einem Aufwärts-Betriebsmodus oder einem Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus. In dem Abwärts-Betriebsmodus kann die geregelte Ausgangsspannung niedriger als die Eingangsspannung sein und der Ausgangsstrom kann höher als der Eingangsstrom sein. In dem Aufwärts-Betriebsmodus kann die geregelte Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung sein und der Ausgangsstrom kann niedriger als der Eingangsstrom sein. Schließlich kann in dem Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus die geregelte Ausgangsspannung höher oder niedriger als die Eingangsspannung sein. Die geregelte Ausgangsspannung kann auch gleich der Eingangsspannung sein.
In dem Abwärts-Betriebsmodus kann der Leistungswandler konfiguriert sein zum abwechselnden Schalten - mit einem anpassbaren Arbeitszyklus - zwischen einer ersten Phase und einer zweiten Phase.
Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um während der ersten Phase des Abwärts-Betriebsmodus einen Strompfad von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und einen Strompfad von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu dem Referenzpotential herzustellen. Zum Beispiel kann der Leistungswandler konfiguriert sein, den ersteren Strompfad durch Schließen des fünften Schaltelements herzustellen und den letzteren Strompfad durch Schließen des dritten und des vierten Schaltelements herzustellen.
Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um während einer zweiten Phase des Abwärts-Betriebsmodus einen Strompfad von dem Eingangsknoten über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und einen Strompfad von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu einem Referenzpotential herzustellen. Zum Beispiel kann der Leistungswandler konfiguriert sein, den ersteren Strompfad durch Schließen des zweiten und des dritten Schaltelements herzustellen und den letzteren Strompfad durch Schließen des dritten und des vierten Schaltelements herzustellen.
In dem Aufwärts-Betriebsmodus kann der Leistungswandler konfiguriert sein zum abwechselnden Schalten - mit einem anpassbaren Arbeitszyklus - zwischen einer ersten Phase und einer zweiten Phase.
Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um während einer ersten Phase eines Aufwärts-Betriebsmodus einen Strompfad von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator und über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herzustellen. Zum Beispiel kann der Leistungswandler konfiguriert sein, um den Strompfad in der ersten Phase des Aufwärts-Betriebsmodus durch Schließen des ersten und des zweiten Schaltelements herzustellen.
Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um während einer zweiten Phase des Aufwärts-Betriebsmodus einen Strompfad von dem Eingangsknoten über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und einen Strompfad von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu einem Referenzpotential herzustellen. Zum Beispiel kann der Leistungswandler konfiguriert sein, um den ersteren Strompfad durch Schließen des zweiten und des dritten Schaltelements herzustellen und den letzteren Strompfad durch Schließen des dritten und des vierten Schaltelements herzustellen. Anders ausgedrückt können die Strompfade und das Schaltverhalten des Leistungswandlers in der zweiten Phase des Aufwärts-Betriebsmodus und der zweiten Phase des Abwärts-Betriebsmodus identisch sein.
Schließlich kann der Leistungswandler in dem Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus konfiguriert sein zum abwechselnden Schalten - mit anpassbaren Arbeitszyklen - zwischen einer ersten, einer zweiten und einer dritten Phase.
Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um während einer ersten Phase eines Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus einen Strompfad von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator und über den Induktor zu dem Ausgangsknoten herzustellen. Zum Beispiel kann der Leistungswandler konfiguriert sein zum Herstellen dieses Strompfads durch Schließen des ersten und des zweiten Schaltelements. Somit kann die erste Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus der ersten Phase des Aufwärts-Betriebsmodus entsprechen.
Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um während einer zweiten Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus einen Strompfad von dem Eingangsknoten über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und einen Strompfad von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu einem Referenzpotential herzustellen. Zum Beispiel kann der Leistungswandler konfiguriert sein zum Herstellen des ersteren Strompfads durch Schließen des zweiten und des dritten Schaltelements und zum Herstellen des letzteren Strompfads durch Schließen des dritten und des vierten Schaltelements. Somit kann die zweite Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus der zweiten Phase des Aufwärts-Betriebsmodus entsprechen.
Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um während einer dritten Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus einen Strompfad von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und einen Strompfad von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu dem Referenzpotential herzustellen. Zum Beispiel kann der Leistungswandler konfiguriert sein zum Herstellen des ersteren Strompfads durch Schließen des fünften Schaltelements und zum Herstellen des letzteren Strompfads durch Schließen des dritten und des vierten Schaltelements. Wiederum kann der Leistungswandler konfiguriert sein, während der dritten Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus, zum Öffnen des zweiten Schaltelements derart, dass der zweite Kondensatorknoten von dem Induktorknoten isoliert ist.
Wie bereits in der vorstehenden Beschreibung angeführt, kann das Referenzpotential direkt mit dem fünften Schaltelement verbunden sein. Alternativ kann das fünfte Schaltelement über das vierte Schaltelement indirekt mit dem Referenzpotential gekoppelt sein. In anderen Worten kann das fünfte Schaltelement zwischen dem Induktorknoten und dem ersten Kondensatorknoten gekoppelt sein. In noch anderen Worten können das vierte Schaltelement und das fünfte Schaltelement eine Serienverbindung zwischen dem Induktorknoten und dem Referenzpotential bilden. Als technischer Vorteil kann während des Betriebs des Leistungswandlers eine maximale Spannung über dem fünften Schaltelement reduziert werden, und ein Transistor mit einer niedrigeren Nennspannung kann zur Implementierung des fünften Schaltelements verwendet werden.
Der Leistungswandler kann konfiguriert sein, um während einer alternativen ersten Phase des Abwärts-Betriebsmodus einen Strompfad von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten durch Schließen des vierten und des fünften Schaltelements herzustellen und einen Strompfad von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu dem Referenzpotential durch Schließen des dritten Schaltelements herzustellen. Diese alternative erste Phase des Abwärts-Betriebsmodus kann die oben beschriebene erste Phase des Abwärts-Betriebsmodus ersetzen. Während eines alternativen Abwärts-Betriebsmodus kann der Leistungswandler dann konfiguriert sein, um abwechselnd zwischen der alternativen ersten Phase des Abwärts-Betriebsmodus und der oben beschriebenen zweiten Phase des Abwärts-Betriebsmodus zu schalten.
Ähnlich kann der Leistungswandler konfiguriert sein, um während einer alternativen dritten Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus einen Strompfad von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten durch Schließen des vierten und des fünften Schaltelements herzustellen und einen Strompfad von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu dem Referenzpotential durch Schließen des dritten Schaltelements herzustellen.
Diese alternative dritte Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus kann die oben beschriebene dritte Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus ersetzen. Während eines alternativen Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus kann der Leistungswandler dann konfiguriert sein, um abwechselnd zwischen der alternativen dritten Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus, der oben beschriebenen ersten Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus und der oben beschriebenen zweiten Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus zu schalten.
Der Leistungswandler kann konfiguriert sein zum Verwenden des zweiten Schaltelements zum Erfassen eines Stroms durch den Induktor. Alternativ oder zusätzlich kann der Strom durch den Induktor unter Verwendung eines zusätzlichen Schaltungselements an dem Drain-Anschluss des zweiten Schaltelements oder an dem Source-Anschluss des zweiten Schaltelements erfasst/gemessen werden. Zum Beispiel kann der Strom durch den Induktor erfasst werden durch Spiegeln des durch das zweite Schaltelement fließenden Stroms. Dieser Strom (der viel kleiner sein kann als der ursprüngliche Strom, der in dem zweiten Schaltelement fließt) kann dann in eine Spannung umgewandelt oder direkt in einem Regelkreis des Leistungswandlers verwendet werden.
Wie in 14 dargestellt, kann der Leistungswandler weiter einen zweiten fliegenden Kondensator aufweisen, der zwischen dem Induktorknoten VLX_NEG und einem Zwischenknoten VLX_POS gekoppelt ist. Das zweite Schaltelement kann zwischen dem zweiten Kondensatorknoten VCY_1 und dem Zwischenknoten VLX_POS gekoppelt sein. Das fünfte Schaltelement kann zwischen dem Zwischenknoten und dem Referenzpotential gekoppelt sein. Alternativ kann, wie in der obigen Beschreibung beschrieben und wie in 15 dargestellt, das fünfte Schaltelement zwischen dem Zwischenknoten VLX_POS und dem ersten Kondensatorknoten VCX_1 gekoppelt sein. Der Leistungswandler kann weiter ein sechstes Schaltelement aufweisen, das zwischen dem Induktorknoten VLX_NEG und dem Referenzpotential gekoppelt ist.
Gemäß einem anderen Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungswandlers dargestellt. Das Verfahren kann Schritte aufweisen, die den Funktionsmerkmalen des in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Hybrid-Leistungswandlers entsprechen. Insbesondere kann der Leistungswandler einen Induktor aufweisen, der zwischen einem Induktorknoten und einem Ausgangsknoten des Leistungswandlers gekoppelt ist, und einen fliegenden Kondensator, der zwischen einem ersten Kondensatorknoten und einem zweiten Kondensatorknoten gekoppelt ist. Das Verfahren kann ein Herstellen eines Strompfads von einem Referenzpotential über den Induktorknoten über den Induktor zu dem Ausgang des Leistungswandlers während einer ersten Phase eines Abwärts-Betriebsmodus oder eines Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus aufweisen. Das Verfahren kann ein Isolieren des Induktorknotens von dem zweiten Kondensatorknoten während der ersten Phase des Abwärts-Betriebsmodus oder des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus aufweisen.
Das Verfahren kann ein Koppeln eines ersten Schaltelements zwischen dem Eingangsknoten und dem ersten Kondensatorknoten aufweisen. Der Schritt des Isolierens des Induktorknotens von dem zweiten Kondensatorknoten kann ein Öffnen eines zweiten Schaltelements aufweisen, das zwischen dem Induktorknoten und dem zweiten Kondensatorknoten gekoppelt ist.
Das Verfahren kann ein Koppeln eines dritten Schaltelements zwischen dem Eingangsknoten und dem zweiten Kondensatorknoten aufweisen. Das Verfahren kann ein Koppeln eines vierten Schaltelements zwischen dem ersten Kondensatorknoten und einem Referenzpotential aufweisen. Das Verfahren kann ein Koppeln eines fünften Schaltelements zwischen dem Induktorknoten und dem Referenzpotential aufweisen.
Das Verfahren kann, während der ersten Phase des Abwärts-Betriebsmodus, ein Herstellen eines Strompfads von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu dem Referenzpotential aufweisen. Das Verfahren kann, während einer zweiten Phase des Abwärts-Betriebsmodus, ein Herstellen eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu einem Referenzpotential aufweisen.
Das Verfahren kann, während einer ersten Phase eines Aufwärts-Betriebsmodus, ein Herstellen eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator und über den Induktor zu dem Ausgangsknoten aufweisen. Das Verfahren kann, während einer zweiten Phase des Aufwärts-Betriebsmodus, ein Herstellen eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu einem Referenzpotential aufweisen.
Das Verfahren kann, während einer ersten Phase eines Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus, ein Herstellen eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator und über den Induktor zu dem Ausgangsknoten aufweisen. Das Verfahren kann, während einer zweiten Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus, ein Herstellen eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu einem Referenzpotential aufweisen. Das Verfahren kann, während einer dritten Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus, ein Herstellen eines Strompfads von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu dem Referenzpotential aufweisen.
Das Verfahren kann ein Koppeln des fünften Schaltelements zwischen dem Induktorknoten und dem ersten Kondensatorknoten aufweisen. Das Verfahren kann, während einer alternativen ersten Phase des Abwärts-Betriebsmodus, ein Herstellen eines Strompfads von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten durch Schließen des vierten und des fünften Schaltelements und ein Herstellen eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu dem Referenzpotential durch Schließen des dritten Schaltelements aufweisen.
Das Verfahren kann ein Erfassen eines Stroms durch den Induktor unter Verwendung des zweiten Schaltelements aufweisen.
Es ist anzumerken, dass die in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Verfahren und Systeme einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele eigenständig oder in Kombination mit den anderen in diesem Dokument offenbarten Verfahren und Systemen verwendet werden können. Darüber hinaus sind die in dem Kontext eines Systems beschriebenen Merkmale auch auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Darüber hinaus können alle Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren und Systeme beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche auf beliebige Weise miteinander kombiniert werden.
In dem vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff „koppeln“ oder „gekoppelt“ auf Elemente, die in elektrischer Verbindung miteinander sind, unabhängig davon, ob direkt verbunden, z.B. über Drähte, oder auf andere Weise.
Figurenliste
Die vorliegende Erfindung ist auf beispielhafte Weise und nicht einschränkend in den Figuren der beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder identische Elemente beziehen, und in denen

1 einen beispielhaften Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Leistungswandler zeigt;
2 eine Schaltphase für einen Aufwärts- oder Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus für den Leistungswandler von 1 zeigt;
3 eine Schaltphase für einen Abwärts-, Aufwärts- oder Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus für den Leistungswandler von 1 zeigt;
4 eine Schaltphase für einen Abwärts-Betriebsmodus für den Leistungswandler von 1 zeigt;
5 ein Zeitdiagramm des Leistungswandlers in 1 bei Betrieb in dem Aufwärts-Modus zeigt;
6 Simulationsergebnisse für den Leistungswandler in 1 zeigt;
7 einen anderen beispielhaften Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Leistungswandler zeigt;
8 eine Schaltphase für einen Aufwärts- oder Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus für den Leistungswandler von 7 zeigt;
9 eine Schaltphase für einen Abwärts-, Aufwärts- oder Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus für den Leistungswandler von 7 zeigt;
10 eine Schaltphase für einen Abwärts-Betriebsmodus für den Leistungswandler von 7 zeigt;
11 einen anderen beispielhaften Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Leistungswandler zeigt;
12 eine Entmagnetisierungsphase für den Leistungswandler von 11 zeigt;
13 Simulationsergebnisse für den Leistungswandler von 11 zeigt;
14 einen Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Wandler zeigt, der mit einer invertierenden Stufe kaskadiert ist, um eine Ausgangsspannung VOUT mit entgegengesetzter Polarität in Bezug auf Eingangsspannung VIN zu erzeugen;
15 eine neue Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Variante zeigt, die mit einer invertierenden Stufe kaskadiert ist, um eine Ausgangsspannung VOUT mit entgegengesetzter Polarität in Bezug auf Eingangsspannung VIN zu erzeugen;
16 eine invertierende Abwärts-Aufwärts-Entmagnetisierungsphase zeigt;
17 eine invertierende Abwärts-Aufwärts-Magnetisierungsphase mit C_FLY2 wiederaufgeladen auf 2V_IN zeigt;
18 eine invertierende Abwärts-Aufwärts-Magnetisierungsphase mit C_FLY1 und C_FLY2 auf V_IN geladen zeigt;
19 eine invertierende Abwärts-Aufwärts-Entmagnetisierungsphase zeigt;
20 eine invertierende Abwärts-Aufwärts-Magnetisierungsphase mit C_FLY2 wiederaufgeladen auf 2V_IN zeigt;
21 eine invertierende Abwärts-Aufwärts-Magnetisierungsphase mit C_FLY1 und C_FLY2 auf V_IN geladen zeigt;
22 eine mehrstufige neue Hybrid-Topologie zeigt, die aus N kaskadierten Stufen besteht;
23 einen zweistufigen neuen Hybridwandler zeigt;
24 Aufwärts/Abwärts-Aufwärts-Magnetisierungsphasen eines zweistufigen Wandlers zeigt;
25 eine Abwärts-Entmagnetisierungsphase eines zweistufigen Wandlers zeigt;
26 eine Abwärts-Magnetisierungs-/Abwärts-Aufwärts-Bypass-/Aufwärts-Entmagnetisierungsphase eines zweistufigen Wandlers zeigt;
27 eine Aufwärts-Magnetisierungsphase/Abwärts-Aufwärts-Bypass/Aufwärts-Entmagnetisierungsphase eines zweistufigen Wandlers zeigt;
28 eine mehrstufige neue Hybrid-Topologie zeigt, die aus N kaskadierten Stufen besteht;
29 einen zweistufigen neuen Hybridvariantenwandler zeigt;
30 eine Aufwärts/Abwärts-Aufwärts-Magnetisierungsphase eines zweistufigen neuen Hybridvariantenwandlers zeigt;
31 eine Abwärts-Entmagnetisierungsphase eines zweistufigen neuen Hybridvariantenwandlers zeigt;
32 eine Abwärts-Magnetisierungs-/Abwärts-Aufwärts-Bypass-/Aufwärts-Entmagnetisierungsphase eines zweistufigen neuen Hybridvariantenwandlers zeigt; und
33 eine Aufwärts-Magnetisierungsphase/Abwärts-Aufwärts-Bypass/Aufwärts-Entmagnetisierungsphase eines zweistufigen neuen Hybridvariantenwandlers zeigt.

Detaillierte Beschreibung
1 zeigt einen beispielhaften Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Leistungswandler. Theoretisch kann der dargestellte Leistungswandler eine Ausgangsspannung V_OUT bis zu 2V_IN erzeugen, d.h. das Zweifache der Eingangsspannung V_IN. In mobilen Anwendungen wird die Eingangsspannung V_IN typischerweise von einer Einzelzellen-Li-Ion-Batterie erzeugt. Der Leistungswandler weist vier Transistoren S1 bis S4, einen fliegenden Kondensator C_FLY, einen Induktor L und einen Ausgangskondensator C_OUT auf.
Die 2, 3 und 4 zeigen die verschiedenen Schaltphasen des beispielhaften Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Leistungwandlers von 1. In dem Abwärts-Betriebsmodus durchläuft der Leistungswandler die Phasen von 3 und 4. Er entspricht einem herkömmlichen Abwärts-Leistungswandler mit den Schaltern S2 und S4. Während der in 4 dargestellten Abwärts-Entmagnetisierungsphase fließt ein Strom 4 von dem Referenzpotential PGND zu dem Ausgang VOUT. Während der in 3 dargestellten Abwärts-Magnetisierungsphase fließt ein Strom 31 von dem Eingang VIN über den Schalter S2, über den fliegenden Kondensator und über den Schalter S3 zu dem Referenzpotential PGND. Ein weiterer Strom 32 fließt von dem Eingang VIN über den Schalter S2 und über den Induktor zu dem Ausgang VOUT. Die Beziehung zwischen VIN und VOUT wird durch VOUT/ VIN = D ausgedrückt, wobei D einen Arbeitszyklus zwischen 0 und 1 bezeichnet.
In dem Aufwärts-Betriebsmodus durchläuft der Leistungswandler die Phasen von 2 und 3. Nur die Schalter S1, S2 und S3 sind involviert. Während der in 2 dargestellten Aufwärts-Magnetisierungsphase fließt ein Strom 2 von dem Eingang VIN über den Schalter S1, über den fliegenden Kondensator und über den Induktor zu dem Ausgang VOUT. Während der in 3 dargestellten Aufwärts-Entmagnetisierungsphase fließt ein Strom 31 von dem Eingang VIN über den Schalter S2, über den fliegenden Kondensator und über den Schalter S3 zu dem Referenzpotential PGND zum Laden des fliegenden Kondensators. Ein weiterer Strom 32 fließt von dem Eingang VIN über den Schalter S2 und über den Induktor zu dem Ausgang VOUT. Die Beziehung zwischen VIN und VOUT wird zu VOUT/ VIN = 1 + D, wobei D einen Arbeitszyklus zwischen 0 und 1 bezeichnet.
Der Abwärts-Aufwärts-Betrieb durchläuft die Phasen von 2, 3 und 4. Dieser Vorgang umfasst alle Schalter. Insbesondere ist in 2 eine Magnetisierungsphase dargestellt, während der der Induktor magnetisiert ist, in 3 ist eine Abwärts-Aufwärts-Bypass-Phase dargestellt und in 4 ist eine Abwärts-Entmagnetisierungsphase dargestellt.
Es ist anzumerken, dass die Schalter S2 und S3 möglicherweise Bulk-Schalter (oder „Back-to-Back“-Schalter) erfordern, um den korrekten Betrieb zu gewährleisten. Während der Abwärts-Entmagnetisierungsphase (4) fällt die Spannung des Knotens VCX unter die Referenzspannung PGND auf -VIN und daher sollte der Schalter S3B1 geschlossen werden. Während der Aufwärts-Magnetisierungsphase (2) steigt die Spannung des Knotens VLX über die Eingangsspannung VIN auf 2VIN und S2B1 sollte geschlossen werden.
Die Nennspannung (d.h. die maximale Drain-Source-Spannung V_DS Spannung V_{DS_max}) für die FET-Vorrichtungen in dem Leistungswandler von 1 ist in der folgenden Tabelle zusammengefasst:

Schalter V_{DS_max}

S1 2V_IN

S2 V_IN

S3 V_IN

S4 2V_IN
Eine höhere Nennspannung führt zu einem höheren spezifischen Widerstand R_SP für die Vorrichtung und wiederum zu einer größeren Siliziumfläche für einen gegebenen Sollwiderstand R_ON einer FET-Vorrichtung.
Der Leistungswandler von 1 kann während seines Aufwärts-Betriebs eine AusgangsspannungS-V_OUT-Begrenzung haben. Das Zeitdiagramm des Leistungswandlers während des Aufwärts-Betriebs wird in 5 gezeigt.
Die Begrenzung ist eine Folge der Ladungserhaltung des fliegenden Kondensators C_FLY: die während der Aufwärts-Magnetisierungsphase (2) aus dem Kondensator entfernte Ladung wird während der Aufwärts-Entmagnetisierungsphase (3) hinzugefügt. Daher kann der Kondensatorstrom I_FLY, der während der Entmagnetisierungsphase in dem Kondensator C_FLY fließt, ausgedrückt werden als (unter Anwendung des Ladungserhaltungsprinzips): I_FLY/I_OUT = D/(1-D), wobei D einen Arbeitszyklus zwischen 0 und 1 bezeichnet. Die letztere Gleichung gibt an, dass der Arbeitszyklus D auf 0,5 begrenzt werden sollte, um I_FLY < I_OUT zu halten. Bei Werten von D > 0,5 kann der Kondensatorstrom I_FLY stark ansteigen.
6 zeigt Simulationsergebnisse für den Leistungswandler in 1. Insbesondere zeigen die Simulationsergebnisse den Kompromiss zwischen der maximalen Ausgangsspannung V_{OUT_max} und dem Ausgangsstrom I_OUT für den Wandler in 1 in dem Aufwärts-Modus. 6 zeigt die maximale Ausgangsspannung VOUT, die für verschiedene Werte der Ausgangslast I_OUT für die Eingangsspannungen V_IN1 und V_IN2 erreichbar ist, wobei V_IN2-V_IN1 = 100 mV ist. In 6 sind die Ausgangsströme als I_OUT1 und I_OUT2 bezeichnet, wobei I_OUT2- I_OUT1= 1,5A ist. Aufgrund des Anstiegs des Kondensatorstroms I_FLY zur Erhöhung von Arbeitszykluswerten wird die Spannung über den fliegenden Kondensator C_FLY zunehmend reduziert durch den IR-Abfall an dem EIN-Widerstand R_ON der Schalter S2 und S3 und an dem äquivalenten Serienwiderstand ESR des fliegenden Kondensators C_FLY. Daher erreicht die Ausgangsspannung einen maximalen Wert V_{OUT_max} bei einem gegebenen Arbeitszykluswert (> 0,5), nach dem die Ausgangsspannung abrupt abfällt.
7 zeigt einen anderen beispielhaften Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Leistungswandler. Der Leistungswandler weist fünf Transistoren S1, S2a, S2b, S3 und S4, einen fliegenden Kondensator C_FLY, einen Induktor L und einen Ausgangskondensator COUT auf. Der Transistor S1 entspricht dem ersten Schaltelement in den Ansprüchen, der Transistor S2b entspricht dem zweiten Schaltelement in den Ansprüchen, der Transistor S2a entspricht dem dritten Schaltelement in den Ansprüchen, der Transistor S3 entspricht dem vierten Schaltelement in den Ansprüchen und der Transistor S4 entspricht dem fünften Schaltelement in den Ansprüchen. Der Induktor L ist zwischen dem Induktorknoten VLX und dem Ausgangsknoten VOUT gekoppelt und der fliegende Kondensator C_FLY ist zwischen einem ersten Kondensatorknoten VCX und einem zweiten Kondensatorknoten VCY gekoppelt.
Das Schaltverhalten der Schaltung in 7 ist in den 8 bis 10 dargestellt und ist ähnlich zu dem Schaltverhalten der Schaltung in 1. Die Wiederholung einer ähnlichen Beschreibung wird daher weggelassen, und der Leser wird freundlicherweise auf die obige Beschreibung in Bezug auf die Schaltung in 1 und insbesondere auf die Schaltphasen verwiesen, die in dem Kontext der 2, 3 und 4 beschrieben werden.
In dem Abwärts-Betriebsmodus durchläuft der Leistungswandler die Phasen von 9 und 10. Er ist äquivalent zu einem herkömmlichen Abwärtswandler mit den Schaltern S2b und S4. Die Schalter S2a und S3 können geschlossen sein, so dass der fliegende Kondensator C_FLY zwischen der Eingangsspannung V_IN und dem Referenzpotential PGND verbunden ist. Während der in 10 dargestellten Abwärts-Entmagnetisierungsphase fließt ein Strom 102 von dem Referenzpotential PGND über den Schalter S4 und den Induktor zu dem Ausgang VOUT. Darüber hinaus fließt ein weiterer Strom 101 von dem Eingang Vin über den Schalter S2a, über den fliegenden Kondensator und über den Schalter S3 zu dem Referenzpotential PGND. Während der in 9 dargestellten Abwärts-Magnetisierungsphase fließt ein Strom 91 von dem Eingang VIN über die Schalter S2, über den fliegenden Kondensator und über den Schalter S3 zu dem Referenzpotential PGND. Ein weiterer Strom 92 fließt von dem Eingang VIN über die Schalter S2a und S2b und über den Induktor zu dem Ausgang VOUT.
In dem Aufwärts-Betriebsmodus durchläuft der Leistungswandler die Phasen von 8 und 9. Die Schalter S1, S2a, S2b und S3 sind involviert, wobei die Aufwärts-Magnetisierungsphase die Schalter S1 und S2b involviert und wobei die Aufwärts-Entmagnetisierungsphase die Schalter S2a und S2b involviert. Der fliegende Kondensator C_FLY kann auch über die Schalter S2a und S3 wiederaufgeladen werden. Insbesondere fließt während der in 8 dargestellten Aufwärts-Magnetisierungsphase ein Strom 8 von dem Eingang VIN über den Schalter S1, über den fliegenden Kondensator, über den Schalter S2b und über den Induktor zu dem Ausgang VOUT. Während der in 9 dargestellten Aufwärts-Entmagnetisierungsphase fließt ein Strom 91 von dem Eingang VIN über den Schalter S2a, über den fliegenden Kondensator und über den Schalter S3 zu dem Referenzpotential PGND zum Laden des fliegenden Kondensators. Ein weiterer Strom 92 fließt von dem Eingang VIN über den Schalter S2a, über den Schalter S2b und über den Induktor zu dem Ausgang VOUT.
Der Abwärts-Aufwärts-Betrieb durchläuft die Phasen der 8, 9 und 10. Dieser Vorgang umfasst alle Schalter. Insbesondere ist in 8 eine Magnetisierungsphase dargestellt, während der der Induktor magnetisiert wird, eine Abwärts-Aufwärts-Bypass-Phase ist in 9 dargestellt und eine Abwärts-Entmagnetisierungsphase ist in 10 dargestellt.
Im Vergleich zu dem Leistungswandler von 1 beruht der Leistungswandler von 7 nicht auf Body-Schaltung- oder „Back-to-Back“-Vorrichtungen zum Implementieren der Schalter S2a, S2b und S3. Weiter verwendet der Leistungswandler von 7 Vorrichtungen mit niedrigerer Nennspannung mit Ausnahme des Schalters S4.
Die Topologie von 7 kann weiter durch Modifizieren der Verbindung des Schalters S3 verbessert werden, wie in 11 gezeigt. Diese Variante ermöglicht die Verwendung von Vorrichtungen mit niedriger Nennspannung für alle Schalter. Die folgende Tabelle zeigt die Spannungswerte V_{DS_max} für die verschiedenen in diesem Dokument vorgestellten Hybrid-Leistungswandler-Topologien.

V_{DS_max}

Schalter Leistungswandler von 7 Leistungswandler von 11

S1 V_IN V_IN

S2a

S2b

S3

S4 2V_IN
Der Hybrid-Leistungswandler von 11 arbeitet als t-Hybrid-Leistungswandler von 7 mit Ausnahme der Abwärts-Entmagnetisierungsphase (in 10 für den Leistungswandler von 7 gezeigt) mit beiden Schaltern S3 und S4. Die entsprechende Entmagnetisierungsphase für den Leistungswandler von 11 ist in 12 dargestellt. Aufgrund der reduzierten Nennspannung V_{DS_max} für die Schalter können Vorrichtungen mit einem niedrigeren spezifischen Widerstand R_SP verwendet werden, um die erforderliche Siliziumfläche zu reduzieren und gleichzeitig eine höhere Ausgangsspannung V_OUT für einen gegebenen Ausgangsstrom I_OUT und Eingangsspannung V_IN oder eine niedrigere Eingangsspannung V_IN für eine gegebene Ausgangsspannung V_OUT und einen Ausgangsstrom I_OUT zu erreichen.
Es ist anzumerken, dass für die Leistungswandler der 7 und 11 der Wiederaufladestrom I_FLY durch die Schalter S2a und S3 fließt, wenn der fliegende Kondensator C_FLY wiederaufgeladen wird. Daher kann der Schalter S2b zur Stromerfassung verwendet werden, z.B. wenn eine Spitzenstrommodussteuerung verwendet wird. Dies ist im Gegensatz zu der Architektur von 1, bei der beide Ströme I_OUT und I_FLY durch den Schalter S2 fließen während der Aufwärts-Magnetisierungs- und Abwärts-Magnetisierungs-/Abwärts-Aufwärts-Bypass-Phase (siehe 3).
Die neue Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Architektur von 7 und ihre Variante von 11 haben den gleichen Kompromiss, der für die Architektur von 1 erläutert wird, zwischen der maximalen Ausgangsspannung V_{OUT_max} und dem Ausgangsstrom I_OUT aufgrund der Ladungserhaltung an dem fliegenden Kondensator C_FLY. Die Verwendung von Vorrichtungen, die für eine niedrigere V_DS-Spannung ausgelegt sind, ermöglicht jedoch ein Reduzieren des IR-Abfalls, der an den Schaltern S2a und S3 entwickelt wird, während weniger Fläche auf Silizium belegt wird.
Schließlich zeigt 13 Simulationsergebnisse für den Leistungswandler von 11. 13 zeigt einen Vergleich der maximalen Ausgangsspannung V_{OUT_max} zu einer Ausgangsstrom-I_OUT-Kompromiss-Simulation zwischen der Architektur von 1 und der Architektur von 11. Insbesondere zeigt 13 Simulationsergebnisse für die Eingangsspannungen V_IN1 und V_IN2, wobei V_IN2- V_IN1= 100 mV, und für die Ausgangsströme I_OUT1 und I_OUT2, wobei I_OUT2- I_OUT1= 1,5A. Insbesondere zeigt die Linie 131 die Ausgangsspannung V_OUT über den Arbeitszyklus für den Leistungswandler von 1 und eine Eingangsspannung V_IN1. Linie 132 zeigt die Ausgangsspannung V_OUT über den Arbeitszyklus für den Leistungswandler von 1 und eine Eingangsspannung V_IN2. Linie 133 zeigt die Ausgangsspannung V_OUT über den Arbeitszyklus für den Leistungswandler von 11 und eine Eingangsspannung V_IN1. Linie 134 zeigt die Ausgangsspannung V_OUT über den Arbeitszyklus für den Leistungswandler von 11 und eine Eingangsspannung V_IN2.
Für einen Bereich, der um ungefähr 40% reduziert ist, zeigt die Architektur von 11, dass, für dieselbe Stromlast und dieselbe Eingangsspannung V_IN, die Architektur von 11 höhere maximale Ausgangsspannungen V_{OUT_max} erreicht.
Abschließend können die technischen Vorteile der vorgestellten Leistungswandler wie folgt zusammengefasst werden: Die Abwärts-Aufwärts-Wandler in den 7 und 11 erreichen die gleiche Funktionalität wie der Wandler in 1, während Vorrichtungen mit niedrigerer Nennspannung verwendet werden können. Die Leistungs-FETs erfordern kein Bulk-Schaltschema oder „Back-to-Back“-Vorrichtungen. Stattdessen können FETs mit einer festen Body-Verbindung verwendet werden. Weiter ermöglicht die Verwendung von Vorrichtungen mit fester Body-Verbindung die Verwendung eines FET mit einem niedrigeren spezifischen Widerstand R_SP für dieselbe Nennspannung. Infolgedessen belegen, für dieselbe Sollimpedanz der Leistungs-FETs, die Topologien dieser Erfindung eine geringere Fläche, während höhere Ausgangsspannungen VOUT für einen gegebenen Laststrom erreicht werden. Alternativ könnten niedrigere Eingangsspannungen VIN für dieselben Ausgangsspannungen VOUT und Lastströme IOUT erreicht werden.
Als zusätzlicher Vorteil ist das Spitzenstrommodus-Steuerschema einfacher zu implementieren, da es auf einer Stromerfassung an dem Schalter S2b (siehe 7 oder 11) beruhen kann, bei der nur der Ausgangsstrom IOUT während der Aufwärts-Magnetisierungs- (siehe 8) und der Abwärts-Aufwärts-Bypass/Abwärts-Magnetisierungsphasen (siehe 9) fließt. In dem Leistungswandler von 1 fließen sowohl der Kondensatorstrom I_FLY als auch der Ausgangsstrom IOUT durch den Schalter S2 während der Abwärts-Aufwärts-Bypass/Abwärts-Magnetisierungsphase (siehe 3).
Invertierender Ausgangsspannungsbetrieb
Die vorgestellten Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Wandler können als erste Stufe eines invertierenden Abwärts-Aufwärts-Wandlers verwendet werden. Um eine Ausgangsspannung VOUT mit entgegengesetzter Polarität in Bezug auf die Eingangsspannung V_IN zu erzeugen, kann eine invertierende Stufe zu sowohl neuen Hybrid- (siehe 7) als auch neuen Hybridvariante- (siehe 11) -Topologien kaskadiert werden. 14 zeigt einen Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Wandler, der mit einer invertierenden Stufe kaskadiert ist, um eine Ausgangsspannung V_OUT mit entgegengesetzter Polarität in Bezug auf die Eingangsspannung V_IN zu erzeugen. 15 zeigt eine neue Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Variante, die mit einer invertierenden Stufe kaskadiert ist, um eine Ausgangsspannung V_OUT mit entgegengesetzter Polarität in Bezug auf die Eingangsspannung V_IN zu erzeugen.
Die 14 und 15 zeigen, wie ein invertierender Abwärts-Aufwärts-Wandler unter Verwendung des neuen Hybrids bzw. seiner Variante implementiert werden kann. In beiden Wandlern wird der fliegende Kondensator C_FLY1 verwendet, um den fliegenden Kondensator C_FLY2 entweder auf 2V_IN oder auf V_IN wiederaufzuladen (theoretisch). Sobald C_FLY2 wieder aufgeladen ist, wird der Knoten VLX_POS über den Schalter S4_1 und die Schalter S4_1, S3_1 in einem neuen Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Betrieb bzw. einer neuen Hybrid-Variante mit PGND verbunden. Daher geht der Knoten VLX_NEG unter PGND auf -V_CFLY2-Spannung.
Die Betriebsphasen dieser Topologien sind in den 16 bis 21 beschrieben.
Die negativen Wandler unterstützen zwei Betriebsmodi:

1. VLX_NEG bewegt sich zwischen -2V_IN und PGND. Die Wandler wechseln zwischen Phase (a) und (b), die in den 16 bis 18 und 19 bis 21 für neue Hybrid- bzw. neue Hybridvariante beschrieben werden.
2. VLX_NEG bewegt sich zwischen -V_IN und PGND. Die Wandler wechseln zwischen Phase (a) und (c), die in den 16 bis 18 und 19 bis 21 für neue Hybrid- bzw. neue Hybridvariante beschrieben werden.

Die vorgeschlagenen Wandler haben die Option, entweder in dem Modus 1 oder in dem Modus 2 zu arbeiten. Ein Betrieb, der beide Modi involviert, würde eine große Ladungsumverteilung auf dem fliegenden Kondensator C_FLY2 verursachen, der verwendet wird, um VLX_NEG unter PGND zu bringen (d.h. in dem gleichen Schaltzyklus würde C_FLY2 geladen und entladen von 2V_IN auf V_IN oder umgekehrt).
Mehrstufiger Betrieb
Die Topologien von sowohl 7 als auch 11 können als N-Stufen-Wandler konfiguriert werden durch Replizieren der Grundzelle N-mal. Die maximal erreichbare Ausgangsspannung kann durch Erhöhen der Anzahl von instanziierten Stufen erhöht werden. Die theoretische maximale V_OUT beträgt (N + 1)V_IN für eine N-Stufen-Topologie.
Der neue N-Stufen-Hybridwandler besteht aus N Instanzen des neuen Hybridwandlers, der wie in 22 gezeigt verbunden ist. Die i-te Stufe besteht aus der in 7 beschriebenen Schaltzelle zusammen mit dem fliegenden Kondensator CFLYi. Jede Schaltzelle weist fünf Schaltelemente und einen fliegenden Kondensator auf. Die i-te Stufe ist wie folgt mit der (i-1)-ten Stufe und der (i + 1)-ten Stufe verbunden:

• Der Schalter S1_i ist mit dem Knoten VLX_(i-1) verbunden derart, dass die fliegenden Kondensatoren in Serie betrieben werden können, um die Spannung VLX_N auf (N + 1)V_IN anzuheben
• Die Schalter S2a_i und S3_i sind mit VIN bzw. PGND verbunden, um einen Wiederaufladepfad zu CFLYi vorzusehen.
• Der Schalter S2b_i wird weiterhin zum Teilen von VCY_i- (d.h. untere Platte von CFLYi) und VLX_i-Knoten verwendet.
• Der Schalter S4_i ist mit PGND verbunden. Dadurch kann der VLX_i-Knoten zu PGND wechseln.

Es sollte angemerkt werden, dass die Schalter S1_i (mit i > 1) und S2b_i immer zusammen betätigt werden. Dies bedeutet, dass die i-te Stufe (mit i > 1) eine Verwendung von S1_i vermeiden kann und VLX_ (i-1) mit VCX_i direkt verbinden kann für die oben beschriebenen Betriebsmodi. Außerdem kann der Schalter S4_i nur in der letzten N-ten Stufe instanziiert werden, um eine Verbindung zwischen dem Ausgangsknoten des Wandlers und PGND herzustellen. Alternativ kann der Schalter S4_i verwendet werden, um den Ausgangsknoten VLX_N mit der Serie von fliegenden Kondensatoren von i-ten zu N-ten Stufen zu verbinden, für die oben beschriebenen Betriebsmodi.
Ein Beispiel eines mehrstufigen neuen Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Wandlers mit zwei Stufen, d.h. einem neuen Dual-Stufen-Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Wandler, ist in 23 gezeigt.
Die theoretische maximale V_OUT, die durch diese Konfiguration erreicht werden kann, ist 3V_IN.
Die verschiedenen Betriebsphasen sind in den 24 bis 27 beschrieben.
Sie bestehen aus:

• Aufwärts-Magnetisierungsphase durch sowohl C_FLY1 als auch C_FLY2, wie in 24 gezeigt. Diese Phase wird verwendet, um den Knoten VLX_2 idealerweise auf 3V_IN-Spannungspegel anzuheben.
• Abwärts-Entmagnetisierungsphase durch Schalter S4_2 - 25. Diese Phase wird verwendet zum Verbinden des Knotens VLX_2 mit PGND.
• Abwärts-Magnetisierung/Aufwärts-Entmagnetisierung/Abwärts-Aufwärts-Bypass-Phase gemäß der SOll-V_OUT - 26. Diese Phase wird verwendet zum Anheben des Knotens VLX_2 auf V_IN-Spannungspegel
• Abwärts-Magnetisierung/Aufwärts-Entmagnetisierung/Abwärts-Aufwärts-Bypass-Phase durch CFLY2 - 27. Diese Phase wird verwendet zum Anheben des Knotens VLX_2 idealerweise auf 3V_IN-Spannungspegel

Wie zuvor beobachtet, werden die Schalter S2b_1 und S1_2 zusammen betätigt, daher kann S1_2 entfernt werden. Darüber hinaus wird der Schalter S4_1 von keiner der betrachteten Phasen verwendet, somit wird der VLX_2-Knoten über den Schalter S4_2 mit PGND verbunden.
Die gleichen Überlegungen können auf die neue Hybridvariante ausgedehnt werden. 28 zeigt, wie N Schaltzellen verbunden sind, um einen N-Stufen-Wandler zu erzeugen. Im Wesentlichen zeigt 28 N Stufen des Wandler-Designs von 11, die fünf Schaltelemente und einen fliegenden Kondensator aufweisen.
Wie bereits für den neuen Hybridwandler erläutert, wird eine Dual-Stufe-Hybridvariante - in 29 dargestellt - als Beispiel für die Darstellung der möglichen Betriebsphasen betrachtet. Die Betriebsmodi können die gleichen sein, die zuvor für den mehrstufigen Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Wandler vorgestellt wurden, siehe 30 bis 33.
Programmierbare Mehrstufen - neue Phasen-Seauenz
Die mehrstufige Architektur kann programmiert werden zum Erreichen einer unterschiedlichen Ausgangsspannung gemäß der Anzahl der in der Induktormagnetisierungsphase involvierten fliegenden Kondensatoren.
Wir gehen davon aus, dass alle fliegenden Kondensatoren idealerweise auf V_IN aufgeladen sind.
Für einen gegebenen V_OUT-Wert, derart, dass (N-(k-1))V_IN < V_OUT < (N-(k-1)+1)V_IN (mit 1 ≤ k ≤ N), kann der programmierbare N-Stufen-Wandler zwischen zwei Spannungspegeln an dem VLX_N-Knoten in dem Aufwärts-Modus wechseln:

• (N-(k-1))V_IN für die Induktor-Entmagnetisierungsphase
• (N-(k-1)+l)V_IN für die Induktor-Magnetisierungsphase

Um die ersten k-1 fliegenden Kondensatoren zu parken und die verbleibenden N-(k-1) zu verwenden, müssen die Schalter S2a_k-1 und S2b_k-1 beide geschlossen sein, um eine Verbindung zwischen der Eingangsspannung V_IN und dem fliegenden Kondensator der nächsten Stufe k herzustellen. Diese Phase kann den VLX_N-Knoten auf (N-(k-1)+1)V_IN anheben.
In dem Abwärts-Aufwärts-Betrieb wird die Bypass-Phase erreicht durch Verbinden der N-(k-1) fliegenden Kondensatoren in Serie und durch Verbinden des Schalters S4_i mit PGND (und über beide Schalter S4_i und S3_i für die Hybridvariante). Daher wird der Schalter S4_i in jeder Stufe instanziiert, um einen k-ten fliegenden Kondensator mit PGND zu verbinden. In dieser Schaltkonfiguration geht der VLX_N-Knoten-Spannungspegel auf (N-(k-1))V_IN.
Zusätzlich werden während der Abwärts-Entmagnetisierungsphase die fliegenden Kondensatoren wieder aufgeladen. In dieser Phase kann der VLX_N-Knoten entweder mit PGND oder mit V_IN verbunden werden, während die CFLYs unter Verwendung der Schalter S2a_i und S3_i wieder aufgeladen werden, mit k ≤ i ≤ N.
Sowohl mehrstufige als auch programmierbare mehrstufige Lösungen können mit einer invertierenden Stufe kaskadiert werden, um, wie zuvor gezeigt, einen invertierenden Hybrid-Abwärts-Aufwärts-Wandler zu erzeugen.
Es sollte angemerkt werden, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zeigen. Fachleute werden in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, obwohl hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Sinn und Umfang enthalten sind. Darüber hinaus sollen alle in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Beispiele und Ausführungsbeispiele ausdrücklich nur zu Erklärungszwecken dienen, um dem Leser das Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu erleichtern. Darüber hinaus sollen alle hierin enthaltenen Aussagen, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung vorsehen, sowie spezifische Beispiele dafür, Äquivalente davon umfassen.

Claims

Ein Leistungswandler, der konfiguriert ist zum Empfangen einer Eingangsspannung an einem Eingangsknoten des Leistungswandlers und zum Erzeugen einer Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten des Leistungswandlers, wobei der Leistungswandler aufweist: - einen Induktor, die zwischen einem Induktorknoten und dem Ausgangsknoten gekoppelt ist, - einen fliegenden Kondensator, der zwischen einem ersten Kondensatorknoten und einem zweiten Kondensatorknoten gekoppelt ist, - ein erstes Schaltelement, das zwischen dem Eingangsknoten und dem ersten Kondensatorknoten gekoppelt ist, und - ein zweites Schaltelement, das zwischen dem zweiten Kondensatorknoten und dem Induktorknoten gekoppelt ist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist zum Öffnen, während einer ersten Phase eines Abwärts-Betriebsmodus, des zweiten Schaltelements derart, dass der zweite Kondensatorknoten von dem Induktorknoten isoliert ist.
Der Leistungswandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der weiter ein drittes Schaltelement aufweist, das zwischen dem Eingangsknoten und dem zweiten Kondensatorknoten gekoppelt ist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 3, der weiter ein viertes Schaltelement aufweist, das zwischen dem ersten Kondensatorknoten und einem Referenzpotential gekoppelt ist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 4, der weiter ein fünftes Schaltelement aufweist, das zwischen dem Induktorknoten und dem Referenzpotential gekoppelt ist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 2, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist zum Herstellen, während der ersten Phase des Abwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu dem Referenzpotential.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 6, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist zum Herstellen, während einer zweiten Phase des Abwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu dem Referenzpotential.
Der Leistungswandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist zum Herstellen, während einer ersten Phase eines Aufwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator und über den Induktor zu dem Ausgangsknoten.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 8, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist zum Herstellen, während einer zweiten Phase des Aufwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu einem Referenzpotential.
Der Leistungswandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist zum Herstellen, während einer ersten Phase eines Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator und über den Induktor zu dem Ausgangsknoten.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 10, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist zum Herstellen, während einer zweiten Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu einem Referenzpotential.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 10 oder 11, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist zum Herstellen, während einer dritten Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu dem Referenzpotential.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 5, wobei das fünfte Schaltelement zwischen dem Induktorknoten und dem ersten Kondensatorknoten gekoppelt ist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 13, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist zum Herstellen, während einer alternativen ersten Phase des Abwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten durch Schließen des vierten und des fünften Schaltelements, und zum Herstellen eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu dem Referenzpotential durch Schließen des dritten Schaltelements.
Der Leistungswandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Leistungswandler konfiguriert ist zum Verwenden des zweiten Schaltelements zum Erfassen eines Stroms durch den Induktor.
Verfahren zum Betreiben eines Leistungswandlers, wobei der Leistungswandler einen Induktor aufweist, der zwischen einem Induktorknoten und einem Ausgangsknoten des Leistungswandlers gekoppelt ist, und einen fliegenden Kondensator, der zwischen einem ersten Kondensatorknoten und einem zweiten Kondensatorknoten gekoppelt ist, wobei das Verfahren aufweist: - Herstellen, während einer ersten Phase eines Abwärts-Betriebsmodus oder eines Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von einem Referenzpotential über den Induktorknoten über den Induktor zu dem Ausgang des Leistungswandlers, und - Isolieren, während der ersten Phase des Abwärts-Betriebsmodus oder des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus, des Induktorknotens von dem zweiten Kondensatorknoten.
Das Verfahren gemäß Anspruch 16, das weiter aufweist - Koppeln eines ersten Schaltelements zwischen den Eingangsknoten und den ersten Kondensatorknoten, und wobei das Isolieren des Induktorknotens von dem zweiten Kondensatorknoten aufweist - Öffnen eines zweiten Schaltelements, das zwischen dem Induktorknoten und dem zweiten Kondensatorknoten gekoppelt ist.
Das Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, das weiter aufweist - Koppeln eines dritten Schaltelements zwischen den Eingangsknoten und den zweiten Kondensatorknoten.
Das Verfahren gemäß Anspruch 18, das weiter aufweist - Koppeln eines vierten Schaltelements zwischen den ersten Kondensatorknoten und ein Referenzpotential.
Das Verfahren gemäß Anspruch 19, das weiter aufweist - Koppeln eines fünften Schaltelements zwischen den Induktorknoten und das Referenzpotential.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 20, das aufweist - Herstellen, während der ersten Phase des Abwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu dem Referenzpotential.
Das Verfahren gemäß Anspruch 21, das weiter aufweist - Herstellen, während einer zweiten Phase des Abwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu einem Referenzpotential.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 22, das aufweist - Herstellen, während einer ersten Phase eines Aufwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator und über den Induktor zu dem Ausgangsknoten.
Das Verfahren gemäß Anspruch 23, das weiter aufweist - Herstellen, während einer zweiten Phase des Aufwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu einem Referenzpotential.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 24, das aufweist - Herstellen, während einer ersten Phase eines Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator und über den Induktor zu dem Ausgangsknoten.
Das Verfahren gemäß Anspruch 25, das weiter aufweist - Herstellen, während einer zweiten Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu einem Referenzpotential.
Das Verfahren gemäß Anspruch 25 oder 26, das weiter aufweist - Herstellen, während einer dritten Phase des Abwärts-Aufwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten und eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu dem Referenzpotential.
Das Verfahren gemäß Anspruch 20, das aufweist - Koppeln des fünften Schaltelements zwischen den Induktorknoten und den ersten Kondensatorknoten.
Das Verfahren gemäß Anspruch 28, das aufweist - Herstellen, während einer alternativen ersten Phase des Abwärts-Betriebsmodus, eines Strompfads von einem Referenzpotential über den Induktor zu dem Ausgangsknoten durch Schließen des vierten und des fünften Schaltelements und Herstellen eines Strompfads von dem Eingangsknoten über den fliegenden Kondensator zu dem Referenzpotential durch Schließen des dritten Schaltelements.
Das Verfahren gemäß einem der Ansprüche 16 bis 29, das aufweist - Erfassen eines Stroms durch den Induktor durch Verwendung des zweiten Schaltelements.