DE102021210395A1

DE102021210395A1 - Mehrstufiger leistungswandler

Info

Publication number: DE102021210395A1
Application number: DE102021210395.2A
Authority: DE
Inventors: Holger Petersen
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2020-12-03
Filing date: 2021-09-20
Publication date: 2022-06-09
Also published as: US20220181967A1; US11637491B2

Abstract

Ein Leistungswandler umfasst eine erste Wandlungsschaltung, die mit einem ersten Port gekoppelt ist, eine zweite Wandlungsschaltung, die mit einem zweiten Port gekoppelt ist, und eine Ansteuervorrichtung. Die erste Wandlungsschaltung hat einen ersten fliegenden Kondensator, der mit einem ersten Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist, und zwei Induktoren, die beide mit der zweiten Wandlungsschaltung gekoppelt sind. Die zweite Wandlungsschaltung hat einen zweiten fliegenden Kondensator, der mit einem zweiten Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist. Die Ansteuervorrichtung steuert das erste und das zweite Netzwerk von Schaltern mit einer Sequenz von Zuständen an, die zumindest eine aus einer ersten Phase und einer zweiten Phase haben. Wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, lädt die erste Phase den zweiten fliegenden Kondensator und die zweite Phase entlädt den zweiten fliegenden Kondensator. Wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, entlädt die erste Phase den zweiten fliegenden Kondensator und die zweite Phase lädt den zweiten fliegenden Kondensator.

Description

Technischer Bereich
Die vorliegende Offenbarung betrifft einen mehrstufigen Leistungswandler und ein Verfahren für dessen Betrieb. Insbesondere betrifft die vorliegende Offenbarung einen zweistufigen Leistungswandler, der zur Verwendung mit hohen Strömen geeignet ist.
Hintergrund
Herkömmliche Buck- bzw. Abwärtswandler arbeiten durch Anwenden eines Spannungsabfalls über einen Induktor, definiert als die Spannungsdifferenz zwischen der Eingangs- und der Ausgangsspannung (V_IN - V_OUT). Um die Leistungseffizienz zu verbessern und/oder die Induktorspulengröße zu reduzieren, wurden mehrstufige Hybrid-Leistungswandler vorgeschlagen. Solche Hybrid-Leistungswandler verwenden fliegende Kondensatoren in Kombination mit Induktoren, um die über den Induktor angelegte Spannung zu begrenzen. Zum Beispiel beschreibt die Veröffentlichung mit dem Titel „A new approach to low ripple-noise switching converters on the basis of switched-capacitor converters“, IEEE, 1991 von Umeno, et al. eine Topologie, die für ein Umwandlungsverhältnis V_OUT/V_IN nahe 1 optimiert ist. Bei Betrieb als Abwärtswandler reduziert die Schaltung die Spannung über dem Induktor in Richtung V_IN - 2V_OUT. Die Patentdokumente US7230405 und US8427113 beschreiben Topologien, die ermöglichen, den Spannungsabfall über dem Induktor auf V_IN/2 - V_OUT zu reduzieren. US9559589 beschreibt in 1C eine Boost- bzw. Aufwärts-Topologie unter Verwendung mehrerer fliegender Kondensatoren, die eine weitere Reduzierung der über den Induktor angelegten Spannung in Richtung V_OUT/4 - V_IN ermöglichen.
Es wurden auch verschiedene Topologien beschrieben, bei denen ein durchschnittlicher Minium-Induktorstrom erreicht wird, wenn der Induktor vor einer Strom-multiplizierenden Schaltkondensatoreinheit platziert wird, siehe zum Beispiel US6963497 (1), US7782027 (18) und umgekehrter Betrieb der 1F, 1G in US9559589 (umgekehrter Betrieb der 1F und 1G).
Trotz dieser Fortschritte bleibt ein Bedarf an einem Leistungswandler bestehen, der eine effiziente Leistungswandlung bei einem kleinen Ausgangs-zu-Eingangs-Spannungsumwandlungsverhältnis, zum Beispiel für V_OUT/V_IN « 1/5, vorsieht.
Zusammenfassung
Gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung wird ein Leistungswandler zum Vorsehen einer Ausgangsspannung mit einem Ausgangs-zu-Eingangs-Umwandlungsverhältnis vorgesehen, wobei der Leistungswandler einen Masse-Port, einen ersten Port und einen zweiten Port hat, wobei, wenn der Leistungswandler als Step-Down- bzw. Abwärtswandler arbeitet, der erste Port eine Eingangsspannung empfängt und der zweite Port die Ausgangsspannung vorsieht, und, wenn der Leistungswandler als Step-Up- bzw. Aufwärtswandler arbeitet, der zweite Port eine Eingangsspannung empfängt und der erste Port die Ausgangsspannung vorsieht; wobei der Leistungswandler eine erste Wandlungsschaltung aufweist, die mit dem ersten Port gekoppelt ist; eine zweite Wandlungsschaltung, die mit dem zweiten Port gekoppelt ist; und eine Ansteuervorrichtung; wobei die erste Wandlungsschaltung einen ersten fliegenden Kondensator (C1) aufweist, der mit einem ersten Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist, und einen ersten Induktor und einen zweiten Induktor, die beide mit der zweiten Wandlungsschaltung gekoppelt sind; wobei die zweite Wandlungsschaltung einen zweiten fliegenden Kondensator (C2) aufweist, der mit einem zweiten Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist; wobei die Ansteuervorrichtung ausgebildet ist, um das erste und das zweite Netzwerk von Schaltern mit einer Sequenz von Zuständen während einer Ansteuerperiode anzusteuern, wobei die Sequenz von Zuständen zumindest eine aus einer ersten Phase und einer zweiten Phase aufweist, wobei, wenn der Leistungswandler als ein Abwärtswandler arbeitet, die erste Phase konfiguriert ist, um den zweiten fliegenden Kondensator (C2) zu laden, und die zweite Phase konfiguriert ist, um den zweiten fliegenden Kondensator zu entladen, und, wenn der Leistungswandler als ein Aufwärtswandler arbeitet, die erste Phase konfiguriert ist, um den zweiten fliegenden Kondensator zu entladen, und die zweite Phase konfiguriert ist, um den zweiten fliegenden Kondensator zu laden.
Optional weist das erste Netzwerk von Schaltern einen ersten Schalter (S1) auf, um den ersten fliegenden Kondensator mit dem ersten Port zu koppeln; einen ersten Masseschalter (S4), um den ersten fliegenden Kondensator mit Masse zu koppeln; einen ersten Induktorschalter (S2), um den ersten fliegenden Kondensator mit dem zweiten Induktor zu koppeln; einen zweiten Masseschalter (S3), um den zweiten Induktor mit Masse zu koppeln.
Optional weist das zweite Netzwerk von Schaltern einen zweiten Schalter (S5) auf, um den ersten Induktor und den zweiten Induktor mit dem zweiten Port zu koppeln; einen dritten Schalter (S6), um den zweiten fliegenden Kondensator (C2) mit dem zweiten Port zu koppeln; einen dritten Masseschalter (S7), um den zweiten fliegenden Kondensator (C2) mit Masse zu koppeln.
Optional weist die erste Phase zumindest einen aus einem ersten Zustand (DV/D1), einem zweiten Zustand (DP1/D1) und einem dritten Zustand (DP2/D1) auf, wobei, wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, der erste Zustand ein Entmagnetisierungszustand (DV/D1) ist, um den ersten und den zweiten Induktor zu entmagnetisieren, der zweite Zustand ein primärer Magnetisierungszustand (DP1/D1) ist, um den ersten Induktor zu magnetisieren und den zweiten Induktor zu entmagnetisieren, und der dritte Zustand ein sekundärer Magnetisierungszustand (DP2/D1) ist, um den zweiten Induktor zu magnetisieren und den ersten Induktor zu entmagnetisieren; und, wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, der erste Zustand ein Magnetisierungszustand ist, um den ersten und den zweiten Induktor zu magnetisieren, der zweite Zustand ein primärer Entmagnetisierungszustand ist, um den ersten Induktor zu entmagnetisieren und den zweiten Induktor zu magnetisieren, und der dritte Zustand ein sekundärer Entmagnetisierungszustand ist, um den zweiten Induktor zu entmagnetisieren und den ersten Induktor zu magnetisieren.
Optional weist die zweite Phase zumindest einen aus einem vierten Zustand (DV/D2), einem fünften Zustand (DP1/D2) und einem sechsten Zustand (DP2/D2) auf; wobei, wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, der vierte Zustand ein Entmagnetisierungszustand (DV/D2) ist, um den ersten und den zweiten Induktor zu entmagnetisieren, der fünfte Zustand ein primärer Magnetisierungszustand ist, um den ersten Induktor zu magnetisieren und den zweiten Induktor zu entmagnetisieren, und der sechste Zustand ein sekundärer Magnetisierungszustand ist, um den zweiten Induktor zu magnetisieren und den ersten Induktor zu entmagnetisieren; und, wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, der vierte Zustand ein Magnetisierungszustand ist, um den ersten und den zweiten Induktor zu magnetisieren, der fünfte Zustand ein primärer Entmagnetisierungszustand ist, um den ersten Induktor zu entmagnetisieren und den zweiten Induktor zu magnetisieren, und der sechste Zustand ein sekundärer Entmagnetisierungszustand ist, um den zweiten Induktor zu entmagnetisieren und den ersten Induktor zu magnetisieren.
Optional, wobei in dem ersten Zustand (DV/D1) der erste Port von dem zweiten Port entkoppelt ist und der Masse-Port über einen ersten Pfad und einen zweiten Pfad mit dem zweiten Port gekoppelt ist, wobei der erste Pfad den ersten Masseschalter (S4), den ersten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den dritten Schalter (S6) aufweist; wobei der zweite Pfad den zweiten Masseschalter (S3), den zweiten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den dritten Schalter (S6) aufweist.
Optional, wobei in dem zweiten Zustand (DP1/D1) der Eingangs-Port mit dem zweiten Port über einen Pfad gekoppelt ist, der den ersten Schalter (S1), den ersten fliegenden Kondensator, den ersten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den dritten Schalter (S6) aufweist; und wobei der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen Massepfad gekoppelt ist, der den dritten Masseschalter (S3), den zweiten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den dritten Schalter (S6) aufweist.
Optional, wobei in dem dritten Zustand (DP2/D1) der erste Port von dem zweiten Port entkoppelt ist und der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Massepfad und einen zweiten Massepfad gekoppelt ist, wobei der erste Massepfad den ersten Masseschalter (S4), den ersten fliegenden Kondensator (C1), den ersten Induktorschalter (S2), den zweiten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den dritten Schalter (S6) aufweist; und wobei der zweite Massepfad den ersten Masseschalter (S4), den ersten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den dritten Schalter (S6) aufweist.
Optional, wobei in dem vierten Zustand (DV/D2) der erste Port von dem zweiten Port entkoppelt ist und der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Pfad, einen zweiten Pfad und einen dritten Pfad gekoppelt ist; wobei der erste Pfad den ersten Masseschalter (S4), den ersten Induktor und den zweiten Schalter (S5) aufweist, wobei der zweite Pfad den zweiten Masseschalter (S3), den zweiten Induktor und den zweiten Schalter (S5) aufweist; wobei der dritte Pfad den dritten Masseschalter (S7), den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den zweiten Schalter (S5) aufweist.
Optional, wobei in dem fünften Zustand (DP1/D2) der erste Port mit dem zweiten Port über einen Pfad gekoppelt ist, der den ersten Schalter (S1), den ersten fliegenden Kondensator, den ersten Induktor und den zweiten Schalter (S5) aufweist; und wobei der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Massepfad und einen zweiten Massepfad gekoppelt ist, wobei der erste Massepfad den dritten Masseschalter (S3), den zweiten Induktor und den zweiten Schalter (S5) aufweist; und wobei der zweite Massepfad den dritten Masseschalter (S7), den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den zweiten Schalter (S5) aufweist.
Optional, wobei in dem sechsten Zustand (DP2/D2) der erste Port von dem zweiten Port entkoppelt ist und der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Massepfad, einen zweiten Massepfad und einen dritten Massepfad gekoppelt ist; wobei der erste Massepfad den ersten Masseschalter (S4), den ersten fliegenden Kondensator (C1), den ersten Induktorschalter (S2), den zweiten Induktor und den zweiten Schalter (S5) aufweist; wobei der zweite Massepfad den ersten Masseschalter (S4), den ersten Induktor und den zweiten Schalter (S5) aufweist; und wobei der dritte Massepfad den dritten Masseschalter (S7), den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den zweiten Schalter (S5) aufweist.
Optional, wobei die erste Wandlungsschaltung einen dritten fliegenden Kondensator (C1') aufweist; und wobei das erste Netzwerk von Schaltern einen vierten Schalter (S8) aufweist, um den dritten fliegenden Kondensator (C1') mit dem ersten Port zu koppeln, und einen zweiten Induktorschalter (S9), um den dritten fliegenden Kondensator (C1') mit dem ersten Induktor zu koppeln.
Optional, wobei in dem zweiten Zustand (DP1/D1) der erste Port mit dem zweiten Port über einen Pfad gekoppelt ist, der den ersten Schalter (S1), den ersten fliegenden Kondensator, den ersten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den dritten Schalter aufweist; und wobei der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Massepfad und einen zweiten Massepfad gekoppelt ist, wobei der erste Massepfad den dritten Masseschalter (S3), den dritten fliegenden Kondensator (C1'), den zweiten Induktorschalter (S9), den ersten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den dritten Schalter (S6) aufweist; und wobei der zweite Massepfad den dritten Masseschalter (S3), den zweiten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den dritten Schalter (S6) aufweist.
Optional, wobei in dem dritten Zustand (DP2/D1) der erste Port mit dem zweiten Port über einen Pfad gekoppelt ist, der den vierten Schalter (S8), den dritten fliegenden Kondensator (C1'), den zweiten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den dritten Schalter (S6) aufweist; und wobei der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Massepfad und einen zweiten Massepfad gekoppelt ist, wobei der erste Massepfad den ersten Masseschalter (S4), den ersten fliegenden Kondensator (C1), den ersten Induktorschalter (S2), den zweiten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den dritten Schalter (S6) aufweist; und wobei der zweite Massepfad den ersten Masseschalter (S4), den ersten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den dritten Schalter (S6) aufweist.
Optional, wobei in dem fünften Zustand (DP1/D2) der erste Port mit dem zweiten Port über einen Pfad gekoppelt ist, der den ersten Schalter (S1), den ersten fliegenden Kondensator, den ersten Induktor und den zweiten Schalter (S5) aufweist; und wobei der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Massepfad, einen zweiten Massepfad und einen dritten Massepfad gekoppelt ist; wobei der erste Massepfad den dritten Masseschalter (S3), den dritten fliegenden Kondensator (C1'), den zweiten Induktorschalter (S9), den ersten Induktor und den zweiten Schalter (S5) aufweist; wobei der zweite Massepfad den dritten Masseschalter (S3), den zweiten Induktor und den zweiten Schalter (S5) aufweist; und wobei der dritte Massepfad den dritten Masseschalter (S7), den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den zweiten Schalter (S5) aufweist.
Optional, wobei in dem sechsten Zustand (DP2/D2) der erste Port mit dem zweiten Port über einen Pfad gekoppelt ist, der den vierten Schalter (S8), den dritten fliegenden Kondensator (C1'), den zweiten Induktor und den zweiten Schalter (S5) aufweist; und wobei der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Massepfad, einen zweiten Massepfad und einen dritten Massepfad gekoppelt ist; wobei der erste Massepfad den ersten Masseschalter (S4), den ersten fliegenden Kondensator (C1), den ersten Induktorschalter (S2), den zweiten Induktor und den zweiten Schalter (S5) aufweist; wobei der zweite Massepfad den ersten Masseschalter (S4), den ersten Induktor und den zweiten Schalter (S5) aufweist; und wobei der dritte Massepfad den dritten Masseschalter (S7), den zweiten fliegenden Kondensator (C2) und den zweiten Schalter (S5) aufweist.
Optional weist die zweite Wandlungsschaltung weiter einen vierten fliegenden Kondensator (C4) auf, und wobei das zweite Netzwerk von Schaltern weiter einen fünften Schalter (S10) aufweist, um den vierten fliegenden Kondensator mit dem zweiten Port zu koppeln; und einen vierten Masseschalter (S11), um den vierten fliegenden Kondensator mit Masse zu koppeln.
Optional ist die Ansteuervorrichtung ausgebildet, um den zweiten Zustand und den dritten Zustand für eine gleiche vorgegebene Dauer beizubehalten, und/oder wobei die Ansteuervorrichtung ausgebildet ist, um den fünften Zustand und den sechsten Zustand für eine gleiche vorgegebene Dauer beizubehalten.
Optional ist die Ansteuervorrichtung ausgebildet, um das erste Netzwerk von Schaltern mit einer ersten Frequenz und das zweite Netzwerk von Schaltern mit einer zweiten Frequenz zu betreiben. Zum Beispiel kann die zweite Schaltfrequenz größer als die erste Schaltfrequenz sein. Zum Beispiel kann die zweite Schaltfrequenz bis zu zwei Größenordnungen größer als die erste Frequenz sein.
Gemäß einem zweiten Aspekt der Offenbarung wird ein Verfahren zum Umwandeln von Leistung mit einem Ausgangs-zu-Eingangs-Umwandlungsverhältnis vorgesehen, wobei das Verfahren aufweist

i) Vorsehen eines Leistungswandlers mit einem Masse-Port, einem ersten Port und einem zweiten Port, wobei, wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, der erste Port eine Eingangsspannung empfängt und der zweite Port die Ausgangsspannung vorsieht, und, wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, der zweite Port eine Eingangsspannung empfängt und der erste Port die Ausgangsspannung vorsieht; wobei der Leistungswandler eine erste Wandlungsschaltung aufweist, die mit dem ersten Port gekoppelt ist, eine zweite Wandlungsschaltung, die mit dem zweiten Port gekoppelt ist; wobei die erste Wandlungsschaltung einen ersten fliegenden Kondensator (C1) aufweist, der mit einem ersten Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist, und einen ersten Induktor und einen zweiten Induktor, die beide mit der zweiten Wandlungsschaltung gekoppelt sind; wobei die zweite Wandlungsschaltung einen zweiten fliegenden Kondensator (C2) aufweist, der mit einem zweiten Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist; und
ii) Ansteuern des ersten und des zweiten Netzwerks von Schaltern mit einer Sequenz von Zuständen während einer Ansteuerperiode, wobei die Sequenz von Zuständen zumindest eine aus einer ersten Phase und einer zweiten Phase aufweist, wobei, wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, der zweite fliegende Kondensator (C2) in der ersten Phase lädt und in der zweiten Phase entlädt, und, wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, der zweite fliegende Kondensator (C2) in der ersten Phase entlädt und in der zweiten Phase lädt.

Die in Bezug auf den ersten Aspekt der Offenbarung beschriebenen Optionen sind auch dem zweiten Aspekt der Erfindung gemein.
Figurenliste
Die Offenbarung wird im Folgenden beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen detaillierter beschrieben, in denen:

1 ein Diagramm eines Leistungswandlers gemäß der Offenbarung ist;
2A ein Diagramm des Leistungswandlers von 1 ist, der in einem Entmagnetisierungszustand der ersten Phase arbeitet;
2B ein Diagramm des Leistungswandlers von 1 ist, der in einem primären Magnetisierungszustand der ersten Phase arbeitet;
2C ein Diagramm des Leistungswandlers von 1 ist, der in einem sekundären Magnetisierungszustand der ersten Phase arbeitet;
3A ein Diagramm des Leistungswandlers von 1 ist, der in einem Entmagnetisierungszustand der zweiten Phase arbeitet;
3B ein Diagramm des Leistungswandlers von 1 ist, der in einem primären Magnetisierungszustand der zweiten Phase arbeitet;
3C ein Diagramm des Leistungswandlers von 1 ist, der in einem sekundären Magnetisierungszustand der zweiten Phase arbeitet;
4 eine beispielhafte Ansteuersequenz zum Betreiben des Leistungswandlers von 1 ist;
5 ein Diagramm eines anderen Leistungswandlers gemäß der Offenbarung ist;
6 ein Diagramm eines weiteren Leistungswandlers gemäß der Offenbarung ist;
7 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Umwandeln von Leistung gemäß der Offenbarung ist.

Detaillierte Beschreibung
1 ist ein Diagramm eines DC-DC-Wandlers 100 gemäß der Offenbarung. Der DC-DC-Wandler 100 umfasst eine erste Wandlungsschaltung, auch als erste Wandlerstufe bezeichnet, die mit einer zweiten Wandlungsschaltung gekoppelt ist, auch als zweite Wandlerstufe bezeichnet. Eine Ansteuervorrichtung 120 ist vorgesehen, um die ersten und zweiten Wandlerstufen zu betreiben.
Die erste Wandlungsschaltung ist mit einem ersten Port 102 gekoppelt. Die erste Wandlungsschaltung umfasst ein Paar von Kondensatoren C1 und C1', ein Paar von Induktoren L1 und L2 und ein erstes Netzwerk von Schaltern, das durch sechs Schalter gebildet wird, die mit S1, S2, S3, S4, S8 und S9 bezeichnet sind.
Die zweite Wandlungsschaltung, auch als Schaltkondensatorwandler bezeichnet, ist mit einem zweiten Port 104 gekoppelt. Die zweite Wandlungsschaltung umfasst einen dritten fliegenden Kondensator C2 und einen Reservoirkondensator Cout, gekoppelt mit einem zweiten Netzwerk von Schaltern, das durch drei Schalter gebildet wird, die mit S5, S6 und S7 bezeichnet sind.
Der Leistungswandler kann als Step-Down- bzw. Abwärtswandler oder als Step-Up- bzw. Aufwärtswandler betrieben werden. Beim Betrieb als Abwärtswandler empfängt der erste Port eine Eingangsspannung und der zweite Port sieht die Ausgangsspannung vor. Umgekehrt, wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, empfängt der zweite Port eine Eingangsspannung und der erste Port sieht die Ausgangsspannung vor. In 1 wird der Wandler 100 als Abwärtswandler beschrieben, in diesem Fall kann der erste Port als Eingangs-Port oder Eingangsknoten 102 bezeichnet werden, während der zweite Port als Ausgangs-Port oder Ausgangsknoten 104 bezeichnet werden kann.
Ein Eingangskondensator Cin ist zwischen dem Eingangsknoten 102 und Masse vorgesehen und ein Ausgangskondensator Cout ist zwischen dem Ausgangsknoten 104 und Masse vorgesehen. Die Kondensatoren Cin und Cout sind mit einer festen Massespannung verbunden und können als Reservoirkondensatoren bezeichnet werden. Die Kondensatoren C1, C1' und C2 haben Terminals, die mit variierenden Spannungen vorgesehen sind, und können als fliegende Kondensatoren bezeichnet werden.
Der erste fliegende Kondensator C1 hat einen ersten Terminal an dem Knoten 106, der über einen ersten Eingangsschalter S1 mit dem Eingangsknoten 102 gekoppelt ist; und einen zweiten Terminal an dem Knoten 108, der über einen ersten Masseschalter S4 mit Masse gekoppelt ist. In ähnlicher Weise hat der zweite fliegende Kondensator C1' einen ersten Terminal an dem Knoten 110, der über einen zweiten Eingangsschalter S8 mit dem Eingangsknoten 102 gekoppelt ist; und einen zweiten Terminal an dem Knoten 112, der über einen zweiten Masseschalter S3 mit Masse gekoppelt ist.
Der erste Induktor L1 hat einen Eingangs-Terminal an dem Schaltknoten 114 (LX1) und einen Ausgangs-Terminal an dem Schaltknoten 115 (LX3). Der Eingangs-Terminal des ersten Induktors ist mit C1 an dem Knoten 108 und mit C1' an dem Knoten 110 über einen Induktorschalter S9 gekoppelt. Der Ausgangs-Terminal des ersten Induktors ist mit der zweiten Wandlungsschaltung an dem Schaltknoten 115 (LX3) gekoppelt.
In ähnlicher Weise hat der zweite Induktor L2 einen Eingangs-Terminal an dem Knoten 116 und einen Ausgangs-Terminal an dem Knoten 115. Der Eingangs-Terminal des zweiten Induktors ist mit C1' an dem Knoten 112 und mit C1 an dem Knoten 106 über einen anderen Induktorschalter S2 gekoppelt. Der Ausgangs-Terminal des zweiten Induktors ist mit der zweiten Wandlungsschaltung an dem Schaltknoten 115 (LX3) gekoppelt.
Der dritte fliegende Kondensator C2 hat einen ersten Terminal an dem Knoten 115 (LX3) und einen zweiten Terminal an dem Knoten 118, über einen dritten Masseschalter S7 mit Masse gekoppelt. Der erste Induktor L1 und der zweite Induktor L2 sind mit dem Ausgangsknoten über einen ersten Ausgangsschalter S5 gekoppelt. Der dritte fliegende Kondensator C2 ist über einen zweiten Ausgangsschalter S6, der zwischen den Knoten 118 und 104 vorgesehen ist, mit dem Ausgangsknoten gekoppelt.
Die Ansteuervorrichtung 120 ist ausgebildet, um neun Steuersignale Ct1-Ct9 zu erzeugen, um die Schalter S1-S9 entsprechend zu betätigen. Die Ansteuervorrichtung 120 ist konfiguriert, um verschiedene Schalter zu öffnen oder zu schließen, um den Wandler in einem gewünschten Schaltzustand zu betreiben. Die Ansteuervorrichtung 120 ist auch konfiguriert, um das erste und das zweite Netzwerk von Schaltern mit einer Sequenz von Zuständen während einer Ansteuerperiode T anzusteuern. Die Sequenz von Zuständen weist zumindest eine aus einer ersten Phase und einer zweiten Phase auf. In der ersten Phase lädt der fliegende Kondensator C2 und in der zweiten Phase ist der fliegende Kondensator C2 parallel zu dem Ausgangskondensator Cout gekoppelt und entlädt. Das erste Netzwerk von Schaltern kann mit einer ersten Frequenz betrieben werden und das zweite Netzwerk von Schaltern mit einer zweiten Frequenz. Zum Beispiel kann die zweite Frequenz größer als die erste Frequenz sein. Die Ansteuervorrichtung 120 kann auch konfiguriert sein, um eine Dauer des die Sequenz von Zuständen bildenden Schaltzustands zu ändern, um ein Sollumwandlungsverhältnis zu erreichen. Die Ansteuervorrichtung ist ausgebildet, um den einen oder die mehreren Zustände der ersten Phase und den einen oder die mehreren Zustände der zweiten Phase für eine vorgegebene Dauer während der Ansteuerperiode beizubehalten.
Die erste Phase kann zumindest einen aus einem ersten Zustand (DV/D1), einem zweiten Zustand (DP1/D1) und einem dritten Zustand (DP2/D1) umfassen. Der erste Zustand, auch als Entmagnetisierungszustand der ersten Phase (DV/D1) bezeichnet, ist konfiguriert, um sowohl den ersten Induktor als auch den zweiten Induktor zu entmagnetisieren. Der zweite Zustand, auch als primärer Magnetisierungszustand der ersten Phase (DP1/D1) bezeichnet, ist konfiguriert, um den ersten Induktor zu magnetisieren und den zweiten Induktor zu entmagnetisieren. Der dritte Zustand, der auch als sekundärer Magnetisierungszustand der ersten Phase (DP2/D1) bezeichnet wird, ist konfiguriert, um den zweiten Induktor zu magnetisieren und den ersten Induktor zu entmagnetisieren.
2A zeigt den Wandler 100 in dem Entmagnetisierungszustand der ersten Phase (DV/D1), um sowohl L1 als auch L2 zu entmagnetisieren. In dem Entmagnetisierungszustand der ersten Phase (DV/D1) sind die Schalter S3, S4 und S6 eingeschaltet (geschlossen) und die Schalter S1, S2, S5, S7, S8 und S9 sind ausgeschaltet (offen). Der Eingangs-Terminal ist von dem Ausgangs-Terminal entkoppelt und der Masse-Terminal ist über einen ersten Pfad und einen zweiten Pfad mit dem Ausgangs-Terminal gekoppelt, wobei der erste Pfad den ersten Masseschalter S4, den ersten Induktor L1, den dritten fliegenden Kondensator C2 und den zweiten Ausgangsschalter S6 umfasst. Der zweite Pfad umfasst den zweiten Masseschalter S3, den zweiten Induktor L2, den dritten fliegenden Kondensator C2 und den zweiten Ausgangsschalter S6.
2B zeigt den Wandler 100 in dem primären Magnetisierungszustand der ersten Phase (DP1/D1). In dem primären Magnetisierungszustand der ersten Phase sind die Schalter S1, S3, S6 und S9 eingeschaltet (geschlossen) und die Schalter S2, S4, S5, S7 und S8 sind ausgeschaltet (offen). Der Eingangs-Terminal ist mit dem Ausgangs-Terminal über einen Eingangspfad gekoppelt, der den ersten Eingangsschalter S1, den ersten fliegenden Kondensator C1, den ersten Induktor L1, den dritten fliegenden Kondensator C2 und den zweiten Ausgangsschalter S6 aufweist. Der Masse-Terminal ist mit dem Ausgangs-Terminal über einen ersten Massepfad und einen zweiten Massepfad gekoppelt. Der erste Massepfad umfasst S3, C1', S9, L1, C2 und S6. Der zweite Massepfad umfasst S3, L2, C2 und S6.
2C zeigt den Wandler 100 in dem sekundären Magnetisierungszustand der ersten Phase (DP2/D1). In dem sekundären Magnetisierungszustand der ersten Phase sind die Schalter S2, S4, S6 und S8 eingeschaltet (geschlossen) und die Schalter S1, S3, S5, S7 und S9 sind ausgeschaltet (offen). Der Eingangs-Terminal ist mit dem Ausgangs-Terminal über einen Eingangspfad gekoppelt, der den zweiten Eingangsschalter S8, den zweiten fliegenden Kondensator C1', den zweiten Induktor L2, den dritten fliegenden Kondensator C2 und den zweiten Ausgangsschalter S6 aufweist. Der Masse-Terminal ist mit dem Ausgangs-Terminal über einen ersten Massepfad und einen zweiten Massepfad gekoppelt. Der erste Massepfad umfasst den ersten Masseschalter S4, den ersten fliegenden Kondensator C1, den ersten Induktorschalter S2, den zweiten Induktor L2, den dritten fliegenden Kondensator C2 und den zweiten Ausgangsschalter S6. Der zweite Massepfad umfasst den ersten Masseschalter S4, den ersten Induktor L1, den dritten fliegenden Kondensator C2 und den zweiten Ausgangsschalter S6.
Während jedes der Zustände DV, DP1 und DP2 der ersten Phase D1 wird der fliegende Kondensator C2 geladen. Als Ergebnis müssen ein oder mehrere Zustände in die Ansteuersequenz aufgenommen werden, um C2 zu entladen.
Die zweite Phase kann zumindest einen aus einem vierten Zustand (DV/D2), einem fünften Zustand (DP1/D2) und einem sechsten Zustand (DP2/D2) umfassen. Der vierte Zustand, auch als Entmagnetisierungszustand der zweiten Phase (DV/D2) bezeichnet, ist konfiguriert, um sowohl den ersten Induktor als auch den zweiten Induktor zu entmagnetisieren. Der fünfte Zustand, auch als primärer Magnetisierungszustand der zweiten Phase (DP1/D2) bezeichnet, ist konfiguriert, um den ersten Induktor zu magnetisieren und den zweiten Induktor zu entmagnetisieren. Der sechste Zustand, der auch als sekundärer Magnetisierungszustand der zweiten Phase (DP2/D2) bezeichnet wird, ist konfiguriert, um den zweiten Induktor zu magnetisieren und den ersten Induktor zu entmagnetisieren.
3A zeigt den Wandler 100 in dem Entmagnetisierungszustand der zweiten Phase (DV/D2). In dem Entmagnetisierungszustand der zweiten Phase sind die Schalter S3, S4, S5 und S7 eingeschaltet (geschlossen) und die Schalter S1, S2, S6, S8 und S9 sind ausgeschaltet (offen). Der Eingangs-Terminal ist von dem Ausgangs-Terminal entkoppelt und der Masse-Terminal ist über einen ersten Pfad, einen zweiten Pfad und einen dritten Pfad mit dem Ausgangs-Terminal gekoppelt. Der erste Pfad umfasst den ersten Masseschalter S4, den ersten Induktor L1 und den ersten Ausgangsschalter S5. Der zweite Pfad umfasst den zweiten Masseschalter S3, den zweiten Induktor L2 und den ersten Ausgangsschalter S5. Der dritte Pfad umfasst S7, C2 und S5.
3B zeigt den Wandler 100 in dem primären Magnetisierungszustand der zweiten Phase (DP1/D2). In dem primären Magnetisierungszustand der zweiten Phase sind die Schalter S1, S3, S5, S7 und S9 eingeschaltet (geschlossen) und die Schalter S2, S4, S6 und S8 sind ausgeschaltet (offen). Der Eingangs-Terminal ist mit dem Ausgangs-Terminal über einen Eingangspfad gekoppelt, der den ersten Eingangsschalter S1, den ersten fliegenden Kondensator C1, den ersten Induktor L1 und den ersten Ausgangsschalter S5 aufweist. Der Masse-Terminal ist mit dem Ausgangs-Terminal über einen ersten Massepfad, einen zweiten Massepfad und einen dritten Massepfad gekoppelt. Der erste Massepfad umfasst den dritten Masseschalter S3, den zweiten fliegenden Kondensator C1', den zweiten Induktorschalter S9, den ersten Induktor L1 und den ersten Ausgangsschalter S5. Der zweite Massepfad umfasst den dritten Masseschalter S3, den zweiten Induktor L2 und den ersten Ausgangsschalter S5. Der dritte Massepfad umfasst S7, C2 und S5.
3C zeigt den Wandler 100 in dem sekundären Magnetisierungszustand der zweiten Phase (DP2/D2). In dem sekundären Magnetisierungszustand der zweiten Phase sind die Schalter S2, S4, S5, S7 und S8 eingeschaltet (geschlossen) und die Schalter S1, S3, S6 und S9 sind ausgeschaltet (offen). Der Eingangs-Terminal ist mit dem Ausgangs-Terminal über einen Eingangspfad gekoppelt, der den zweiten Eingangsschalter S8, den zweiten fliegenden Kondensator C1', den zweiten Induktor L2 und den ersten Ausgangsschalter S5 aufweist. Der Masse-Terminal ist mit dem Ausgangs-Terminal über einen ersten Massepfad, einen zweiten Massepfad und einen dritten Massepfad gekoppelt. Der erste Massepfad umfasst den ersten Masseschalter S4, den ersten fliegenden Kondensator C1, den ersten Induktorschalter S2, den zweiten Induktor L2 und den ersten Ausgangsschalter S5. Der zweite Massepfad umfasst den ersten Masseschalter S4, den ersten Induktor L1 und den ersten Ausgangsschalter S5. Der dritte Massepfad umfasst den dritten Masseschalter S7, den fliegenden Kondensator C2 und den ersten Ausgangsschalter S5. In den Zuständen der zweiten Phase D2 ist der fliegende Kondensator C2 parallel zu dem Ausgangskondensator Cout gekoppelt, wodurch C2 entladen wird.
In Betrieb hat die Ansteuersequenz eine Periode T, die eine erste Phase D1 mit einer Periode T1 und eine zweite Phase D2 mit einer Periode T2 umfasst, so dass T = T1 + T2.
Es ist offensichtlich, dass abhängig von der Anwendung verschiedene Ansteuersequenzen implementiert werden können. Um das Volt-Sek.-Ausgleichsprinzip über den Induktoren sowie das Ladungsausgleichsprinzip über den fliegenden Kondensatoren zu erfüllen, müssen die verschiedenen möglichen Sequenzen das Gleichungssystem (2) erfüllen, das unten in der Beschreibung dargestellt wird. Für D=0 ergibt dies eine Sequenz S1, die die Zustände (DV/D1) / (DV/D2) enthält. Für D=1 ergibt dies eine Sequenz S2, die die Zustände (DP1/D1) / (DP2/D1) / (DP1/D2) / (DP2/D2) enthält. Für 0<D<1 ergibt dies eine Sequenz S3, die die Zustände (DV/D1) / (DP1/D1) / (DP2/D1) / (DV/D2) / (DP1/D2) / (DP2/D2) enthält. Die Reihenfolge der Zustände kann innerhalb jeder Sequenz beliebig geändert werden, solange die relative Dauer dem Gleichungssystem (2) folgt. Die Beschreibung ist daher nicht auf eine bestimmte Wahl der Reihenfolge beschränkt.
Die erste Wandlungsschaltung steuert den Ladungsausgleich des ersten und des zweiten fliegenden Kondensators C1 und C1'. Während der primären und sekundären Magnetisierungszustände DP1 und DP2 erfahren die Kondensatoren C1 und C1' Stromflüsse in entgegengesetzte Richtungen. Während des primären Magnetisierungszustands DP1 lädt C1, während C1' entlädt. Ähnlich entlädt C1 während des sekundären Magnetisierungszustands DP2, während C1' lädt.
Theoretisch wird ein Ladungsausgleich erreicht, wenn der Arbeitszyklus von DP1 (D_DP1) gleich dem Arbeitszyklus von DP2 (D_DP2) ist (siehe Gleichungssystem (2)). Zum Beispiel ist in der ersten Phase D1 die Ein-Zeit Δ1 des Zustands DP1 gleich der Ein-Zeit Δ2 des Zustands DP2. In ähnlicher Weise ist in der zweiten Phase D2 die Ein-Zeit Δ3 des Zustands DP1 gleich der Ein-Zeit Δ4 des Zustands DP2.
In der Praxis können jedoch kleine Asymmetrien zwischen verschiedenen Komponenten bestehen, zum Beispiel zwischen L1 und L2. Infolgedessen kann es erforderlich sein, die Spannung über C1 und C1' auszugleichen, indem kleine Variationen in die relative Dauer der Zustände DP1 und DP2 eingeführt werden. Der Ladungsausgleich der fliegenden Kondensatoren C1 und C1' führt zu einem ausgeglichenen durchschnittlichen Strom durch die Induktoren L1 und L2.
Das Verhältnis des Ausgangsstroms I_OUT zu dem Strom durch die Induktoren L1 und L2 kann ausgedrückt werden als: $\frac{I_{O U T}}{I_{L 1} + I_{L 2}} = 2 - D_{D 2}, D_{D 1} = 1 - D_{D 2} D_{D 2} \in [0,1]$
Dabei ist D_D1 der Gesamt-Arbeitszyklus der Zustände der ersten Phase D1 ( 2A, 2B und 2C) und D_D2 ist das Gesamt-Arbeitszyklus der Zustände der zweiten Phase D2 (3A, 3B und 3C).
Für D_D2 = O ist der Ausgangsstrom I_OUT gleich dem doppelten Induktorstrom durch L1 und L2 (I_L1 + I_L2). Dies würde jedoch einen unendlichen Strom durch den fliegenden Kondensator C2 erfordern. Für eine ausgeglichenere Stromverteilung während der Betriebsphasen D1 und D2 kann das Schaltintervall gleichmäßig aufgeteilt werden, so dass D_D1 = D_D2 = 1/2 ist. In diesem Fall ist der Ausgangsstrom I_OUT gleich 1,5 des Gesamtstroms von den Induktoren, also $\frac{3}{2}$
(I_L1 + I_L2).
Da die Induktoren L1 und L2 über die zweite Wandlungsschaltung mit dem Ausgangs-Terminal gekoppelt sind, ist der durchschnittliche Gesamtstrom durch beide Induktoren geringer im Vergleich zu Topologien, bei denen der/die Induktor(en) direkt mit dem Ausgang verbunden ist/sind. Dadurch wird auch der durchschnittliche Induktorstrom reduziert. Der Betrag, um den der Induktorstrom reduziert wird, wird durch das Umwandlungsverhältnis der zweiten Wandlungsschaltung definiert. Daher werden für einen gegebenen Induktor die DC-Widerstands(DCR - DC resistance)-Verluste um das Quadrat des Umwandlungsverhältnisses der zweiten Wandlungsschaltung reduziert. Da L1 und L2 einen reduzierten Nennstrom haben, können auch die physikalischen Dimensionen der Induktoren L1 und L2 reduziert werden.
Der Ladungsausgleich des fliegenden Kondensators C2 wird vorgesehen, indem der Wandler unter Verwendung der ersten Phase D1 und der zweiten Phase D2 betrieben wird. Im Betrieb in der ersten Phase D1 lädt C2 und im Betrieb in der zweiten Phase D2 entlädt C2. In den Zuständen DV/D2, DP1/D2 und DP2/D2 ist der fliegende Kondensator C2 parallel zu C_OUT verbunden. Dadurch kann der Ladungsausgleich unabhängig von dem Arbeitszyklus der ersten und zweiten Phase erreicht werden, solange D_D2 größer Null ist.
Die Beziehung zwischen Wandlerausgang und Eingangsspannung wird durch Anwenden des Volt-Sek.-Ausgleichsprinzips auf die Spannung über den Induktoren in Kombination mit dem Arbeitszyklus der zweiten Stufe erhalten. ${\begin{matrix} \frac{V_{O U T}}{V_{I N}} = \frac{D}{3}, \\ \frac{D_{D P 1}}{D_{D 1}} = \frac{D_{D P 2}}{D_{D 1}} = \frac{D_{D P 2}}{D_{D 2}} = \frac{D}{2}, \\ D_{D V} = 1 - D, \\ D_{D 1} = D_{D 2} = \frac{1}{2}, \end{matrix} D \in [0,1]$
Dabei ist D der relative Arbeitszyklus in Bezug auf die Dauer der ersten Phase D1 und der zweiten Phase D2, D_D1 ist der Gesamt-Arbeitszyklus der Zustände der ersten Phase D1, D_D2 ist der Gesamt-Arbeitszyklus der Zustände der zweiten Phase D2, D_DP1 ist der Arbeitszyklus des primären Magnetisierungszustands (entweder in der ersten Phase oder in der zweiten Phase), D_DP2 ist der Arbeitszyklus des sekundären Magnetisierungszustands (entweder in der ersten Phase oder in der zweiten Phase) und D_DV ist der Arbeitszyklus des Entmagnetisierungszustands (entweder in der ersten Phase oder in der zweiten Phase).
Die Beziehung D_D1 = D_D2 = ½ entspricht einem spezifischen beispielhaften Betrieb des Wandlers, der die höchste Umwandlungseffizienz erreicht. Der Betrieb des Wandlers ist jedoch nicht auf diese spezifische Bedingung beschränkt.
Das aus Gleichung (2) abgeleitete maximale Ausgangs-zu-Eingangs-Umwandlungsverhältnis beträgt V_OUT/V_IN = 1/3 für D = 1.
Das Umwandlungsverhältnis des Leistungswandlers kann als das Produkt des Umwandlungsverhältnisses der ersten Stufe mit dem Umwandlungsverhältnis der zweiten Stufe definiert werden. Das Umwandlungsverhältnis CR1 der ersten Wandlerstufe kann als die durchschnittliche Spannung an den Schaltknoten LX1 und LX2 über der Eingangsspannung Vin definiert werden: $C R 1 = \frac{< V L X 1 > + < V L X 2 >}{2 V_{I N}}$
Das Umwandlungsverhältnis CR2 der zweiten Wandlerstufe kann als die Ausgangsspannung über der durchschnittlichen Spannung an den Schaltknoten LX3 definiert werden: $C R 2 = \frac{V_{O U T}}{< V L X 3 >} .$
4 zeigt eine Ansteuersequenz zum Betreiben des DC-DC-Wandlers 100 über eine Ansteuerperiode T, die auch als Schaltzyklus bezeichnet wird. In diesem Beispiel steuert die Ansteuervorrichtung 120 den DC-DC-Wandler mit dem Zustand DP1/D1 (Wellenform 410) zwischen den Zeitpunkten t0 und t1 für eine Dauer Δ1, mit dem Zustand DP2/D1 (Wellenform 420) zwischen den Zeitpunkten t1 und t2 für eine Dauer Δ2, mit dem Zustand DP1/D2 (Wellenform 430) zwischen den Zeitpunkten t2 und t3 für eine Dauer Δ3, mit dem Zustand DP2/D2 (Wellenform 440) zwischen den Zeitpunkten t3 und t4 für eine Dauer Δ4 an. Diese Sequenz wird dann im Laufe der Zeit wiederholt, um die erforderliche Ausgangsleistung zu liefern. Es ist offensichtlich, dass an den Zeitpunkten t1, t2, t3 und t4 eine Totzeit eingeführt werden kann.
In diesem Beispiel beträgt der Arbeitszyklus T1 der ersten Phase das Doppelte des Arbeitszyklus T2 der zweiten Phase. Es ist offensichtlich, dass verschiedene Arbeitszyklen verwendet werden können. Zum Beispiel kann der Arbeitszyklus T1 der ersten Phase gleich dem Arbeitszyklus T2 der zweiten Phase gewählt werden. Dies kann verwendet werden, um eine hohe Stromeffizienz zu optimieren.
Die Schalter des Wandlers 100 können unter Verwendung verschiedener Typen von Leistungsschaltern, wie Feldeffekttransistoren (FETs - Field effect transistors), implementiert werden. Die Nennspannungen für die Schalter S1 und S8 des Wandlers 100 können in Abhängigkeit von der implementierten Startschaltung variieren. Im Prinzip haben die Eingangsschalter S1 und S8 eine Nennspannung von V_IN, da sie die Eingangsspannung V_IN beim Start aufrechterhalten müssen, jedoch können S1 und S8 mit einer Nennspannung von V_IN/2 implementiert werden, wenn eine Startschaltung vorgesehen ist, um einen ausgeglichenen Abfall von V_IN über die Schalter S1 und S4 sowie über die Schalter S8 und S3 vorzusehen. Alternativ kann ein einfacheres Startschema implementiert werden, um die Schalter S4 und S3 zu schließen und dann V_IN über die Schalter S1 und S8 abzusenken, solange die Spannung über den fliegenden Kondensatoren Null ist.
Die Induktorschalter S2, S9 und die Masseschalter S3, S4 haben eine Nennspannung von V_IN/2. Der Masseschalter S7 und die Ausgangsschalter S5 und S6 haben eine Nennspannung von V_OUT. Die Nennspannung der Schalter ist daher im Vergleich zu der Nennspannung eines herkömmlichen Abwärtswandlers, der Schalter mit Nennspannung V_IN erfordert, reduziert. Außerdem ist die Nennspannung der Schalter in der zweiten Wandlerstufe so niedrig wie die relativ kleine Ausgangsspannung V_OUT. Dies ist vorteilhaft, da Leistungsschalter mit einer niedrigen Nennspannung typischerweise eine bessere Leistungszahl haben, die durch einen relativ kleinen spezifischen Widerstand und Gate-Kapazität gekennzeichnet ist.
Die zwei Wandlerstufen können in eine einzige Wandlereinheit integriert sein oder alternativ in separaten Einheiten implementiert sein. Zum Beispiel könnten die Schalter der ersten Wandlungsschaltung, die fliegenden Kondensatoren C1 und C1' und die Induktoren L1 und L2 Teil einer Vorwandlerstufe werden, die ein PWM-Signal mit einem durchschnittlichen Pegel nahe einer erforderlichen Busspannung erzeugt. Ihr Betrieb kann eingeschränkt sein, um die Schwankungen der Eingangsspannung des Wandlers zu kompensieren (Leitungsregelung). Die Schalter der zweiten Wandlungsschaltung und der fliegende Kondensator C2 können als zweite Stufe dienen, die ihren Arbeitszyklus anpasst, um die gesamte Wandlerausgangsspannung fein abzustimmen, zum Beispiel, um einen durch einen variablen Laststrom verursachten Abfall zu kompensieren, wodurch eine Lastregelung vorgesehen wird.
Die durch L1 und L2 vorgesehene induktive Verbindung zwischen der ersten Wandlungsstufe und der zweiten Wandlungsstufe ermöglicht unabhängige Schaltfrequenzen der Schalter des ersten Schaltnetzwerks bzw. des zweiten Schaltnetzwerks. Da die Schalter in der zweiten Wandlerstufe nur eine Nennspannung in dem Bereich der Ausgangsspannung benötigen, kann die zweite Stufe mit einer viel höheren Frequenz mit ähnlichen Schaltverlusten schalten als die erste Wandlerstufe. Zum Beispiel kann die zweite Stufe mit einer Frequenz arbeiten, die 10- oder 100-mal schneller ist als die Frequenz der ersten Stufe.
Für eine niedrige Ausgangsspannung ermöglicht dieser Vorgang eine Reduzierung der relativen Ausgangsspannungswelligkeit.
5 zeigt einen weiteren Leistungswandler. Der Wandler 500 teilt viele ähnliche Komponenten zu den in der Schaltung 100 von 1 dargestellten. Dieselben Bezugszeichen wurden verwendet, um entsprechende Komponenten darzustellen, und deren Beschreibung wird der Kürze halber nicht wiederholt. In diesem Beispiel umfasst die zweite Wandlungsschaltung einen zusätzlichen fliegenden Kondensator C4, einen zusätzlichen Masseschalter S11 und einen zusätzlichen Ausgangsschalter S10.
Der fliegende Kondensator C2 hat einen ersten Terminal an dem Schaltknoten LX3 115 und einen zweiten Terminal an dem Knoten 118, der über den dritten Masseschalter S7 mit Masse gekoppelt ist. Der vierte fliegende Kondensator C4 hat einen ersten Terminal an dem Knoten LX3 115 und einen zweiten Terminal an dem Knoten 519, der über den vierten Masseschalter S11 mit Masse gekoppelt ist. Der fliegende Kondensator C2 ist mit dem Ausgangsknoten über den zweiten Ausgangsschalter S6, der zwischen den Knoten 118 und 104 vorgesehen ist, gekoppelt. Der vierte fliegende Kondensator C4 ist mit dem Ausgangsknoten über den dritten Ausgangsschalter S10, der zwischen den Knoten 519 und 104 vorgesehen ist, gekoppelt. Der erste und der zweite Induktor L1, L2 sind über den ersten Ausgangsschalter S5 mit dem Ausgangsknoten 104 gekoppelt.
Die Ansteuervorrichtung 520 ist ausgebildet, um elf Steuersignale Ct1 -Ct11 zu erzeugen, um die Schalter S1 - S11 entsprechend zu betätigen. Die Ansteuervorrichtung 520 ist konfiguriert, um das erste und das zweite Netzwerk von Schaltern mit einer Sequenz von Zuständen während einer Ansteuerperiode T anzusteuern, die eine erste Phase D1 und eine zweite Phase D2 aufweist, wie oben in Bezug auf 1 beschrieben ist.
Die erste Phase kann zumindest einen aus einem Entmagnetisierungszustand der ersten Phase (DV/D1), um den ersten und den zweiten Induktor zu entmagnetisieren, einem primären Magnetisierungszustand der ersten Phase (DP1/D1), um den ersten Induktor zu magnetisieren und den zweiten Induktor zu entmagnetisieren, und einem sekundären Magnetisierungszustand der ersten Phase (DP2/D1), um den zweiten Induktor zu magnetisieren und den ersten Induktor zu entmagnetisieren, umfassen. Die zweite Phase kann zumindest einen aus einem Entmagnetisierungszustand der zweiten Phase (DV/D2), um den ersten und zweiten Induktor zu entmagnetisieren, einem primären Magnetisierungszustand der zweiten Phase (DP1/D2), um den ersten Induktor zu magnetisieren und den zweiten Induktor zu entmagnetisieren, und einem sekundären Magnetisierungszustand der zweiten Phase (DP2/D2), um den zweiten Induktor zu magnetisieren und den ersten Induktor zu entmagnetisieren, umfassen.
In dem Schaltzustand oder den Schaltzuständen der ersten Phase D1 sind die Schalter S6 und S10 eingeschaltet (geschlossen) und die Schalter S5, S7 und S11 sind ausgeschaltet (offen). In dem Schaltzustand oder den Schaltzuständen der zweiten Phase D2 sind die Schalter S6 und S10 ausgeschaltet (offen) und die Schalter S5, S7 und S11 sind eingeschaltet (geschlossen). Die Schalter S1, S2, S3, S4, S8 und S9 des ersten Netzwerks von Schaltern können mit einer ersten Schaltfrequenz betrieben werden. Die Schalter S5, S6, S7, S10 und S11 des zweiten Netzwerks von Schaltern können mit einer zweiten Schaltfrequenz betrieben werden. In Betrieb werden der vierte fliegende Kondensator C4 und die Schalter S10 und S11 verwendet, um den Gesamtausgangsstrom auf zwei parallele Schaltkondensatorphasen zu verteilen.
6 zeigt einen weiteren Leistungswandler mit einer einfacheren Topologie im Vergleich zu den Topologien 100 und 500. Der Wandler 600 teilt viele ähnliche Komponenten zu den in der Schaltung 100 von 1 dargestellten. Dieselben Bezugszeichen wurden verwendet, um entsprechende Komponenten darzustellen und deren Beschreibung wird der Kürze halber nicht wiederholt. In diesem Beispiel bleibt die zweite Wandlungsschaltung dieselbe wie in 1, jedoch wurde die erste Wandlungsschaltung vereinfacht, indem die Schalter S8, S9 und der zweite fliegende Kondensator C1' entfernt wurden. Die Ansteuervorrichtung 620 ist ausgebildet, um sieben Steuersignale Ct1-Ct7 zu erzeugen, um die Schalter S1-S7 entsprechend zu betätigen.
Der Betrieb des Leistungswandlers 600 ist ähnlich zu dem Betrieb des Wandlers 100 von 1. Jedoch wird in diesem Fall während des Magnetisierungszustands DP1 die Induktor L1 durch einen einzigen Magnetisierungspfad über den fliegenden Kondensator C1 magnetisiert. In ähnlicher Weise wird während des Magnetisierungszustands DP2 der Induktor L2 durch einen einzigen Magnetisierungspfad über den fliegenden Kondensator C1 magnetisiert.
Der Leistungswandler 600 ist kompakter als der Leistungswandler 100, jedoch ist im Betrieb die Stromverteilung durch die Leistungsschalter weniger ausgeglichen, insbesondere durch die Masseschalter S3 und S4, und eine unterschiedliche Anzahl von seriellen Leistungsschaltern wird während der Magnetisierung der Induktoren L1 und L2 verwendet. Im Vergleich zu dem Leistungswandler 100 ist die Eingangsspitzenstromwelligkeit doppelt so groß und das maximale Ausgangs-zu-Eingangs-Umwandlungsverhältnis V_OUT/V_IN ist um 50% niedriger.
Die in Bezug auf die 1 bis 6 beschriebenen DC-DC-Wandler wurden als Step-down- bzw. Abwärtswandler beschrieben. Es ist offensichtlich, dass solche Wandler in umgekehrter Richtung (d.h. unter Verwendung des Eingangs als Ausgang und des Ausgangs als Eingang) als Boost- bzw. Aufwärtswandler betrieben werden können, um eine Aufwärtswandlung zu erreichen. In diesem Szenario wird die Magnetisierungs-(Entmagnetisierungs-)-Phase in dem Abwärtsbetrieb zu einer Entmagnetisierungs-(Magnetisierungs-)-Phase in dem Aufwärtsbetrieb. Wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, entlädt außerdem der zweite fliegende Kondensator (C2) in der ersten Phase und lädt in der zweiten Phase.
Die fliegenden Kapazitäten der ersten und zweiten Wandlungsschaltungen können über einzelne oder mehrere in Serie und/oder parallel verbundene Kondensatoren implementiert werden. Die Kapazitäten können auch aus einem Kondensatornetzwerk bestehen, das während des Wandlerbetriebs rekonfigurierbar ist.
In verschiedenen beispielhaften Implementierungen kann die zweite Stufe der Leistungswandler der 1 bis 6 mit dem Lastpunkt (POL - Point of Load) kombiniert werden, zum Beispiel durch Implementieren der zweiten Stufe als Teil eines Mikroprozessors. Möglich wird dies dadurch, dass die zweite Stufe rein kapazitiv ist und dass Kondensatoren bis zum Tausendfachen der Energie eines Induktors bei gleichem Volumen speichern können. Außerdem müssen die Schalter der zweiten Stufe nur Spannungen in dem Bereich der Eingangsspannung der Last handhaben.
7 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Umwandeln von Leistung mit einem Ausgangs-zu-Eingangs-Umwandlungsverhältnis.
In Schritt 710 wird ein Leistungswandler vorgesehen. Der Leistungswandler hat einen Masse-Port, einen ersten Port und einen zweiten Port. Wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, empfängt der erste Port eine Eingangsspannung und der zweite Port sieht die Ausgangsspannung vor, und, wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, empfängt der zweite Port eine Eingangsspannung und der erste Port sieht die Ausgangsspannung vor. Der Leistungswandler umfasst weiter eine erste Wandlungsschaltung, die mit dem ersten Port gekoppelt ist, eine zweite Wandlungsschaltung, die mit dem zweiten Port gekoppelt ist. Die erste Wandlungsschaltung weist einen ersten fliegenden Kondensator (C1), der mit einem ersten Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist, und zwei Induktoren (erster Induktor und zweiter Induktor) auf, die beide mit der zweiten Wandlungsschaltung gekoppelt sind. Die zweite Wandlungsschaltung weist einen zweiten fliegenden Kondensator (C2) auf, der mit einem zweiten Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist.
In Schritt 720 werden das erste und das zweite Netzwerk von Schaltern während einer Ansteuerperiode mit einer Sequenz von Zuständen angesteuert. Die Sequenz von Zuständen weist zumindest eine aus einer ersten Phase und einer zweiten Phase auf, wobei, wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, der zweite fliegende Kondensator (C2) in der ersten Phase lädt und in der zweiten Phase entlädt, und, wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, der zweite fliegende Kondensator (C2) in der ersten Phase entlädt und in der zweiten Phase lädt.
Für Fachleute ist offensichtlich, dass Variationen der offenbarten Anordnungen möglich sind, ohne von der Offenbarung abzuweichen. Dementsprechend dient die obige Beschreibung der spezifischen Ausführungsbeispiele nur als Beispiel und nicht zum Zweck der Einschränkung. Für Fachleute ist offensichtlich, dass geringfügige Modifikationen ohne wesentliche Änderungen des beschriebenen Betriebs vorgenommen werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 7230405 [0002]
US 8427113 [0002]
US 9559589 [0002, 0003]
US 6963497 [0003]
US 7782027 [0003]

Claims

Leistungswandler zum Vorsehen einer Ausgangsspannung mit einem Ausgangs-zu-Eingangs-Umwandlungsverhältnis, wobei der Leistungswandler einen Masse-Port, einen ersten Port und einen zweiten Port hat, wobei, wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, der erste Port eine Eingangsspannung empfängt und der zweite Port die Ausgangsspannung vorsieht, und, wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, der zweite Port eine Eingangsspannung empfängt und der erste Port die Ausgangsspannung vorsieht; wobei der Leistungswandler aufweist eine erste Wandlungsschaltung, die mit dem ersten Port gekoppelt ist; eine zweite Wandlungsschaltung, die mit dem zweiten Port gekoppelt ist; und ein Ansteuervorrichtung; wobei die erste Wandlungsschaltung einen ersten fliegenden Kondensator, der mit einem ersten Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist, und einen ersten Induktor und einen zweiten Induktor aufweist, die beide mit der zweiten Wandlungsschaltung gekoppelt sind; wobei die zweite Wandlungsschaltung einen zweiten fliegenden Kondensator aufweist, der mit einem zweiten Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist; wobei die Ansteuervorrichtung ausgebildet ist, um das erste und das zweite Netzwerk von Schaltern mit einer Sequenz von Zuständen während einer Ansteuerperiode anzusteuern, wobei die Sequenz von Zuständen zumindest eine aus einer ersten Phase und einer zweiten Phase aufweist, wobei, wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, die erste Phase konfiguriert ist, um den zweiten fliegenden Kondensator zu laden, und die zweite Phase konfiguriert ist, um den zweiten fliegenden Kondensator zu entladen, und, wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, die erste Phase konfiguriert ist, um den zweiten fliegende Kondensator zu entladen, und die zweite Phase konfiguriert ist, um den zweiten fliegende Kondensator zu laden.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei das erste Netzwerk von Schaltern aufweist einen ersten Schalter, um den ersten fliegenden Kondensator mit dem ersten Port zu koppeln; einen ersten Masseschalter, um den ersten fliegenden Kondensator mit Masse zu koppeln; einen ersten Induktorschalter, um den ersten fliegenden Kondensator mit dem zweiten Induktor zu koppeln; und einen zweiten Masseschalter, um den zweiten Induktor mit Masse zu koppeln.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 2, wobei das zweite Netzwerk von Schaltern aufweist einen zweiten Schalter, um den ersten Induktor und den zweiten Induktor mit dem zweiten Port zu koppeln; einen dritten Schalter, um den zweiten fliegenden Kondensator mit dem zweiten Port zu koppeln; und einen dritten Masseschalter, um den zweiten fliegenden Kondensator mit Masse zu koppeln.
Der Leistungswandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste Phase zumindest einen aus einem ersten Zustand, einem zweiten Zustand und einem dritten Zustand aufweist, wobei, wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, der erste Zustand ein Entmagnetisierungszustand ist, um den ersten und den zweiten Induktor zu entmagnetisieren, der zweite Zustand ein primärer Magnetisierungszustand ist, um den ersten Induktor zu magnetisieren und den zweiten Induktor zu entmagnetisieren, und der dritte Zustand ein sekundärer Magnetisierungszustand ist, um den zweiten Induktor zu magnetisieren und den ersten Induktor zu entmagnetisieren; und, wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, der erste Zustand ein Magnetisierungszustand ist, um den ersten und den zweiten Induktor zu magnetisieren, der zweite Zustand ein primärer Entmagnetisierungszustand ist, um den ersten Induktor zu entmagnetisieren und den zweiten Induktor zu magnetisieren, und der dritte Zustand ein sekundärer Entmagnetisierungszustand ist, um den zweiten Induktor zu entmagnetisieren und den ersten Induktor zu magnetisieren.
Der Leistungswandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Phase zumindest einen aus einem vierten Zustand, einem fünften Zustand und einem sechsten Zustand aufweist; wobei, wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, der vierte Zustand ein Entmagnetisierungszustand ist, um den ersten und den zweiten Induktor zu entmagnetisieren, der fünfte Zustand ein primärer Magnetisierungszustand ist, um den ersten Induktor zu magnetisieren und den zweiten Induktor zu entmagnetisieren, und der sechste Zustand ein sekundärer Magnetisierungszustand ist, um den zweiten Induktor zu magnetisieren und den ersten Induktor zu entmagnetisieren; und, wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, der vierte Zustand ein Magnetisierungszustand ist, um den ersten und den zweiten Induktor zu magnetisieren, der fünfte Zustand ein primärer Entmagnetisierungszustand ist, um den ersten Induktor zu entmagnetisieren und den zweiten Induktor zu magnetisieren, und der sechste Zustand ein sekundärer Entmagnetisierungszustand ist, um den zweiten Induktor zu entmagnetisieren und den ersten Induktor zu magnetisieren.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 4, wenn abhängig von Anspruch 3, wobei in dem ersten Zustand der erste Port von dem zweiten Port entkoppelt ist und der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Pfad und einen zweiten Pfad gekoppelt ist, wobei der erste Pfad den ersten Masseschalter, den ersten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator und den dritten Schalter aufweist; und wobei der zweite Pfad den zweiten Masseschalter, den zweiten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator und den dritten Schalter aufweist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 4, wenn abhängig von Anspruch 3, wobei in dem zweiten Zustand der Eingangs-Port mit dem zweiten Port über einen Pfad gekoppelt ist, der den ersten Schalter, den ersten fliegenden Kondensator, den ersten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator und den dritten Schalter aufweist; und wobei der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen Massepfad gekoppelt ist, der den dritten Masseschalter, den zweiten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator und den dritten Schalter aufweist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 4, wenn abhängig von Anspruch 3, wobei in dem dritten Zustand der erste Port von dem zweiten Port entkoppelt ist und der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Massepfad und einen zweiten Massepfad gekoppelt ist, wobei der erste Massepfad den ersten Masseschalter, den ersten fliegenden Kondensator, den ersten Induktorschalter, den zweiten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator und den dritten Schalter aufweist; und wobei der zweite Massepfad den ersten Masseschalter, den ersten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator und den dritten Schalter aufweist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 5, wenn abhängig von Anspruch 3, wobei in dem vierten Zustand der erste Port von dem zweiten Port entkoppelt ist und der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Pfad, einen zweiten Pfad und einen dritten Pfad gekoppelt ist; wobei der erste Pfad den ersten Masseschalter, den ersten Induktor und den zweiten Schalter aufweist, wobei der zweite Pfad den zweiten Masseschalter, den zweiten Induktor und den zweiten Schalter aufweist; wobei der dritte Pfad den dritten Masseschalter, den zweiten fliegenden Kondensator und den zweiten Schalter aufweist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 5, wenn abhängig von Anspruch 3, wobei in dem fünften Zustand der erste Port mit dem zweiten Port über einen Pfad gekoppelt ist, der den ersten Schalter, den ersten fliegenden Kondensator, den ersten Induktor und den zweiten Schalter aufweist; und wobei der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Massepfad und einen zweiten Massepfad gekoppelt ist, wobei der erste Massepfad den dritten Masseschalter, den zweiten Induktor und den zweiten Schalter aufweist; und wobei der zweite Massepfad den dritten Masseschalter, den zweiten fliegenden Kondensator und den zweiten Schalter aufweist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 5, wenn abhängig von Anspruch 3, wobei in dem sechsten Zustand der erste Port von dem zweiten Port entkoppelt ist und der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Massepfad, einen zweiten Massepfad und einen dritten Massepfad gekoppelt ist; wobei der erste Massepfad den ersten Masseschalter, den ersten fliegenden Kondensator, den ersten Induktorschalter, den zweiten Induktor und den zweite Schalter aufweist; wobei der zweite Massepfad den ersten Masseschalter, den ersten Induktor und den zweiten Schalter aufweist; und wobei der dritte Massepfad den dritten Masseschalter, den zweiten fliegenden Kondensator und den zweiten Schalter aufweist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 4, wenn abhängig von Anspruch 3, wobei die erste Wandlungsschaltung einen dritten fliegenden Kondensator aufweist; und wobei das erste Netzwerk von Schaltern einen vierten Schalter aufweist, um den dritten fliegenden Kondensator mit dem ersten Port zu koppeln, und einen zweiten Induktorschalter, um den dritten fliegenden Kondensator mit dem ersten Induktor zu koppeln.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 12, wobei in dem zweiten Zustand der erste Port mit dem zweiten Port über einen Pfad gekoppelt ist, der den ersten Schalter, den ersten fliegenden Kondensator, den ersten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator und den dritten Schalter aufweist; und wobei der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Massepfad und einen zweiten Massepfad gekoppelt ist, wobei der erste Massepfad den dritten Masseschalter, den dritten fliegenden Kondensator, den zweiten Induktorschalter, den ersten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator und den dritten Schalter aufweist; und wobei der zweite Massepfad den dritten Masseschalter, den zweiten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator und den dritten Schalter aufweist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 12, wobei in dem dritten Zustand der erste Port mit dem zweiten Port über einen Pfad gekoppelt ist, der den vierten Schalter, den dritten fliegenden Kondensator, den zweiten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator und den dritten Schalter aufweist; und wobei der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Massepfad und einen zweiten Massepfad gekoppelt ist, wobei der erste Massepfad den ersten Masseschalter, den ersten fliegenden Kondensator, den ersten Induktorschalter, den zweiten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator und den dritten Schalter aufweist; und wobei der zweite Massepfad den ersten Masseschalter, den ersten Induktor, den zweiten fliegenden Kondensator und den dritten Schalter aufweist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 12, wobei in dem fünften Zustand der erste Port mit dem zweiten Port über einen Pfad gekoppelt ist, der den ersten Schalter, den ersten fliegenden Kondensator, den ersten Induktor und den zweiten Schalter aufweist; und wobei der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Massepfad, einen zweiten Massepfad und einen dritten Massepfad gekoppelt ist; wobei der erste Massepfad den dritten Masseschalter, den dritten fliegenden Kondensator, den zweiten Induktorschalter, den ersten Induktor und den zweiten Schalter aufweist; wobei der zweite Massepfad den dritten Masseschalter, den zweiten Induktor und den zweiten Schalter aufweist; und wobei der dritte Massepfad den dritten Masseschalter, den zweiten fliegenden Kondensator und den zweiten Schalter aufweist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 12, wobei in dem sechsten Zustand der erste Port mit dem zweiten Port über einen Pfad gekoppelt ist, der den vierten Schalter, den dritten fliegenden Kondensator, den zweiten Induktor und den zweiten Schalter aufweist; und wobei der Masse-Port mit dem zweiten Port über einen ersten Massepfad, einen zweiten Massepfad und einen dritten Massepfad gekoppelt ist; wobei der erste Massepfad den ersten Masseschalter, den ersten fliegenden Kondensator, den ersten Induktorschalter, den zweiten Induktor und den zweiten Schalter aufweist; wobei der zweite Massepfad den ersten Masseschalter, den ersten Induktor und den zweiten Schalter aufweist; und wobei der dritte Massepfad den dritten Masseschalter, den zweiten fliegenden Kondensator und den zweiten Schalter aufweist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 12, wobei die zweite Wandlungsschaltung weiter einen vierten fliegenden Kondensator aufweist, und wobei das zweite Netzwerk von Schaltern weiter einen fünften Schalter aufweist, um den vierten fliegenden Kondensator mit dem zweiten Port zu koppeln; und einen vierten Masseschalter, um den vierten fliegenden Kondensator mit Masse zu koppeln.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 5, wobei die Ansteuervorrichtung ausgebildet ist, um den zweiten Zustand und den dritten Zustand für eine gleiche vorgegebene Dauer beizubehalten, und/oder wobei die Ansteuervorrichtung ausgebildet ist, um den fünften Zustand und den sechsten Zustand für eine gleiche vorgegebene Dauer beizubehalten.
Der Leistungswandler gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ansteuervorrichtung ausgebildet ist, um das erste Netzwerk von Schaltern mit einer ersten Frequenz und das zweite Netzwerk von Schaltern mit einer zweiten Frequenz zu betreiben.
Verfahren zum Umwandeln von Leistung mit einem Ausgangs-zu-Eingangs-Umwandlungsverhältnis, wobei das Verfahren aufweist: Vorsehen eines Leistungswandlers mit einem Masse-Port, einem ersten Port und einem zweiten Port, wobei, wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, der erste Port eine Eingangsspannung empfängt und der zweite Port die Ausgangsspannung vorsieht, und, wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, der zweite Port eine Eingangsspannung empfängt und der erste Port die Ausgangsspannung vorsieht; wobei der Leistungswandler aufweist eine erste Wandlungsschaltung, die mit dem ersten Port gekoppelt ist, eine zweite Wandlungsschaltung, die mit dem zweiten Port gekoppelt ist; wobei die erste Wandlungsschaltung einen ersten fliegenden Kondensator, der mit einem ersten Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist, und einen ersten Induktor und einen zweiten Induktor aufweist, die beide mit der zweiten Wandlungsschaltung gekoppelt sind; wobei die zweite Wandlungsschaltung einen zweiten fliegenden Kondensator aufweist, der mit einem zweiten Netzwerk von Schaltern gekoppelt ist; Ansteuern des ersten und des zweiten Netzwerks von Schaltern mit einer Sequenz von Zuständen während einer Ansteuerperiode, wobei die Sequenz von Zuständen zumindest eine aus einer ersten Phase und einer zweiten Phase aufweist, wobei, wenn der Leistungswandler als Abwärtswandler arbeitet, der zweite fliegende Kondensator in der ersten Phase lädt und in der zweiten Phase entlädt, und, wenn der Leistungswandler als Aufwärtswandler arbeitet, der zweite fliegende Kondensator in der ersten Phase entlädt und in der zweiten Phase lädt.