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VERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 3. Mai 2019 eingereichten U.S.-Patentanmeldung Nr.
16/402,874 mit dem Titel „Driving Circuit for Switches Used in a Charge Pump“, deren Inhalt hierin vollständig durch Bezugnahme aufgenommen ist.
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft die Leistungsumwandlung und insbesondere Ladungspumpen.
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HINTERGRUND
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In einer typischen Ladungspumpe verbindet ein Satz von Schaltern in einem Schaltnetzwerk Pumpkondensatoren miteinander, um zu unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Kondensatornetzwerke auszubilden. Durch den Übergang zwischen verschiedenen Kondensatornetzwerken ist es möglich, eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung umzuwandeln. Ein Netzwerk dieser Art wird oft als „Netzwerk mit geschalteten Kondensatoren“ bezeichnet.
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Die Schalter werden typischerweise durch Feldeffekttransistoren implementiert, die durch Anreicherung und Verarmung einer Inversionsschicht zwischen zwei ähnlich dotierten halbleitenden Bereichen in einen Übergang zwischen leitenden und nichtleitenden Zuständen gebracht werden können. Um diesen Übergang zu bewirken, wird üblicherweise bewirkt, dass ein elektrisches Feld in einem entgegengesetzt dotierten halbleitenden Bereich zwischen den zwei ähnlich dotierten halbleitenden Bereichen vorliegt. Die zwei ähnlich dotierten Bereiche werden oft als „Source“ und „Drain“ bezeichnet. Der entgegengesetzt dotierte Bereich wird oft als „Kanal“ bezeichnet.
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Um das elektrische Feld zu steuern, ist es üblich, eine leitende Metallplatte auf eine Oxidschicht zu legen, die den Kanalbereich bedeckt. Diese Platte wird oft als „Gate-Anschluss“ bezeichnet. Durch Ablegen und Abziehen von Ladung an diesem Gate-Anschluss ist es möglich, das elektrische Feld innerhalb des Kanalbereichs zu steuern. Ein Kreis, der dafür verantwortlich ist, diese Ladung schnell und zu bestimmten Zeiten abzulegen und abzuziehen, ist ein „Treiber“.
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Wenn keine Spannung angelegt wird, gibt es im Allgemeinen keine Inversionsschicht, um die Source und den Drain zu verbinden. Als Ergebnis steht ein Ladungsträger bei dem Versuch, den Kanal zu durchqueren, vor einem erheblichen Hindernis. Dies bedeutet, dass zwischen der Source und dem Drain keine signifikante Leitung besteht. In diesem Fall leitet der Transistor. In diesem Zustand wird der Schalter als „offen“ oder „aus“ bezeichnet.
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Um eine Leitung zu ermöglichen, ist es notwendig, eine Spannung an den Gate-Anschluss anzulegen. Diese Spannung erzeugt ein elektrisches Feld, das Majoritätsträger antreibt, wodurch eine Schicht in der Nähe des Gate-Anschlusses entvölkert wird. Ladungsträger von der Source können dann in diese entvölkerte Schicht eintreten und von der Source zum Drain gelangen. Da diese Schicht nun mit Minoritätsträgern aus Sicht des Gates, einer Populationsinversion, bestückt ist, wird die Schicht hierin als „Inversionsschicht“ bezeichnet. In diesem Fall leitet der Transistor. In diesem Zustand wird der Schalter als „geschlossen“ oder „ein“ bezeichnet.
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Bei einem Transistor wie vorstehend beschrieben ist der Schalter standardmäßig geöffnet. Ein solcher Transistor wird als „normalerweise aus“ bezeichnet. In solchen Fällen muss zum Schließen des Schalters eine Spannung angelegt werden.
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Es gibt jedoch auch Transistoren, bei denen dieses Verhalten umgekehrt ist. Bei diesen Transistoren ist der Schalter standardmäßig geschlossen. Ein solcher Transistor ist „normalerweise eingeschaltet“. Um den Schalter zu öffnen, muss eine Spannung angelegt werden. Ein solcher Transistor erfordert eine andere Art von Ansteuerkreis.
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KURZDARSTELLUNG
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Die Erfindung weist eine Ladungspumpe zur Leistungsumwandlung auf. Die Ladungspumpe beinhaltet Schalter, die Kondensatoren verbinden, wobei wenigstens einer der Schalter durch Transistoren implementiert ist, die standardmäßig geschlossen oder EIN sind und die durch Anlegen einer geeigneten Gate-Spannung geöffnet oder ausgeschaltet werden müssen.
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In einem Aspekt weist die Erfindung einen Leistungswandler auf, bei dem eine Ladungspumpe ein Schaltnetzwerk zum Verbinden von Pumpkondensatoren beinhaltet. Eine Steuervorrichtung bewirkt, dass die Transistoren, die die Schalter des Schaltnetzwerks implementieren, zwischen leitenden und nichtleitenden Zuständen wechseln, wodurch bewirkt wird, dass die Pumpkondensatoren zu unterschiedlichen Zeiten in unterschiedlichen Anordnungen miteinander verbunden werden. Unter diesen Transistoren befindet sich ein erster Transistor, der in einen leitenden Zustand übergeht, wenn seine Source und sein Gate auf gleichem Potential liegen.
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In einigen Ausführungsformen beinhaltet das Schaltnetzwerk Transistoren, die angeordnet sind, um Kathoden der Pumpkondensatoren selektiv zu erden, und Transistoren, die angeordnet sind, um Anoden der Pumpkondensatoren miteinander zu verbinden. Erstere definieren geerdete Schalter und letztere definieren Schwimmschalter.
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Einige Ausführungsformen beinhalten einen Gate-Treiber, dessen Ausgang mit einem Gate des ersten Transistors verbunden ist, wobei die Source des ersten Transistors mit der Versorgung des Gate-Treibers verbunden ist.
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Zu den Ausführungsformen gehören auch solche, bei denen das Source-Potential des ersten Transistors während des Betriebs der Ladungspumpe relativ zu Erde schwimmt. Dies bedeutet, dass sich das Source-Potential während des Betriebs der Ladungspumpe mit der Zeit relativ zu einem Erde-Potential ändert.
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In einigen Ausführungsformen bewirkt ein mit einem Gate des ersten Transistors verbundener Gate-Treiber, dass der erste Transistor aufhört zu leiten. Dies geschieht durch Anlegen einer Spannung an sein Gate. Der Wert dieser Spannung variiert im Verlauf der Zeit, wenn der Leistungswandler während seines Betriebs zwischen verschiedenen Anordnungen von miteinander verbundenen Pumpkondensatoren wechselt.
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Zu den Ausführungsformen gehören auch Leistungswandler, die zwei Chips aufweisen, die aus unterschiedlichen Halbleitern bestehen. Der erste Chip beinhaltet den ersten Transistor und der zweite Chip beinhaltet einen Ansteuerkreis zum Ansteuern des ersten Transistors. Zwischen dem ersten und dem zweiten Chip existiert eine Kommunikationsverknüpfung.
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Zu diesen Multi-Chips-Ausführungsformen gehören diejenigen, bei denen der erste Chip siliziumfrei ist und der zweite Chip Silizium beinhaltet. Zu diesen Ausführungsformen gehören auch diejenigen, bei denen der erste Chip aus einem anderen Substrat als Silizium ausgebildet ist, und diejenigen, bei denen der zweite Chip aus einem Siliziumsubstrat ausgebildet ist.
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Zu diesen Multi-Chips-Ausführungsformen gehören auch diejenigen, bei denen die Transistoren des Schaltnetzwerks auf einem ersten Chip sind und die Steuervorrichtung, der Gate-Treiber und die Hebelschieber zum Betreiben der Transistoren alle auf einem zweiten Chip sind. Solche Ausführungsformen können Chips aufweisen, die aus unterschiedlichen Halbleitern hergestellt sind. In einigen dieser Fälle ist ein Chip ein Siliziumchip und der andere ein siliziumfreier Chip. In anderen Fällen besteht ein Chip aus einem Siliziumsubstrat und der andere Chip besteht aus einem anderen Substrat als Silizium.
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Zu diesen Multi-Chip-Ausführungsformen gehören auch solche, bei denen der erste Chip einen Transistor beinhaltet, der die Eigenschaft aufweist, zwischen seiner Source und seinem Drain leiten zu können, selbst wenn keine Spannung an sein Gate angelegt wird, und die Eigenschaft aufweist, die Leitung zwischen seiner Source und seinen Drain beim Anlegen einer geeigneten Spannung an seinem Gate zu unterbinden.
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Natürlich erfordern nicht alle Ausführungsformen zwei Chips. Der hierin beschriebene und beanspruchte Gegenstand kann auch auf einem einzelnen Chip implementiert werden. In einer bestimmten Einzel-Chip-Ausführungsform beinhaltet der Chip sowohl den ersten Transistor als auch einen ersten Ansteuerkreis zum Ansteuern des ersten Transistors.
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Oder er kann auf drei Chips implementiert werden. Einige Ausführungsformen können auf vier, fünf oder sogar sechs Chips implementiert werden. Tatsächlich kann der hierin beschriebene Gegenstand auf einer beliebigen Anzahl von Chips implementiert werden.
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In anderen Ausführungsformen beinhaltet ein Treiber einen Spannungsregler, der bewirkt, dass die Ausgangsspannung des Treibers als Reaktion auf Veränderungen der Source-Spannung des ersten Transistors, gemessen relativ zu Masse, variiert. Darunter befinden sich Treiber, bei denen eine Spannung an einem Vorspannungskondensator einen Offset zwischen den Gate- und Source-Spannungen des ersten Transistors steuert, wenn bewirkt werden soll, dass der erste Transistor aufhört zu leiten. Zu diesen Ausführungsformen gehören diejenigen, bei denen der Regler eine stabile Gleichstromspannungsquelle mit niedriger Serienimpedanz beinhaltet, die parallel über den Vorspannungskondensator geschaltet ist. In einigen Ausführungsformen implementiert eine Zener-Diode eine solche Source, wobei ihre Durchbruchspannung als die erforderliche stabile Gleichstromspannung fungiert.
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Zu diesen Ausführungsformen gehört auch eine, bei der der Regler eine Nebenschlussvorrichtung beinhaltet, die mit dem Vorspannungskondensator verbunden ist. Ein an das Gate der Nebenschlussvorrichtung angeschlossener Operationsverstärker steuert, wie viel Strom durch ihn fließt, und zwar so, dass eine ausreichende Spannung am Vorspannungskondensator aufrechterhalten wird. Diese Ausführungsformen beinhalten etwas zum Steuern der Nebenschlussvorrichtung, wie einen Nebenschlussregler. Zu den Varianten eines Nebenschlussreglers gehört eine, bei der ein Differenzverstärker ein Steuersignal bereitstellt, das den Strom durch die Nebenschlussvorrichtung regelt. Der Differenzverstärker beinhaltet einen ersten und einen zweiten Eingang, die eine Spannungsdifferenz definieren, die als Reaktion auf Spannungsschwankungen am Vorspannungskondensator variiert.
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Alternativ können die Nebenschlussvorrichtung und der Differenzverstärker durch einen Source-Folger ersetzt werden. Ein Beispiel wäre eines, bei dem eine Vorspannungsschaltung eine mit dem Vorspannungskondensator verbundene Nebenschlussvorrichtung basierend auf Variationen der Source-Spannung des ersten Transistors steuert.
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In anderen Ausführungsformen beinhaltet ein Treiber zum Ansteuern des ersten Transistors einen Kreis mit geschalteten Kondensatoren, in dem eine Spannung an einem ersten Kondensator eine Spannungsdifferenz zwischen einer Source und einem Gate des ersten Transistors regelt und ein zweiter Kondensator die Ladung des ersten Kondensators nach Bedarf auffüllt, um eine gewünschte Spannung zu halten. Der Kreis mit geschalteten Kondensatoren weist auch Schalter auf, die den ersten und den zweiten Kondensator miteinander verbinden und voneinander trennen.
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In anderen Ausführungsformen beinhaltet ein Treiber zum Ansteuern des ersten Transistors einen Kreis mit geschalteten Kondensatoren, in dem eine Spannung an einem ersten Kondensator eine Spannungsdifferenz zwischen einer Source und einem Gate des ersten Transistors regelt und ein zweiter Kondensator die Ladung des ersten Kondensators nach Bedarf auffüllt, um eine gewünschte Spannung zu halten. In dieser Ausführungsform sind die Schalter konfiguriert, um den ersten und den zweiten Kondensator miteinander zu verbinden und zu trennen und um den zweiten Kondensator mit einer externen Spannungsquelle zu verbinden und auch von dieser zu trennen.
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In anderen Ausführungsformen beinhaltet die Ladungspumpe einen internen Knoten, der auf einer Zwischenspannung gehalten wird. Diese Ausführungsformen beinhalten einen Treiber zum Ansteuern des ersten Transistors unter Verwendung eines Kreises mit geschalteten Kondensatoren, der erste und zweite Kondensatoren beinhaltet. Eine Spannung über dem ersten Kondensator regelt eine Spannungsdifferenz zwischen einer Source und einem Gate des ersten Transistors und der zweite Kondensator ist mit dem Knoten verbunden, um Ladung zur Verwendung beim Auffüllen des ersten Kondensators nach Bedarf zu erhalten, um eine gewünschte Spannung über dem ersten Kondensator aufrechtzuerhalten.
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In anderen Ausführungsformen beinhaltet die Ladungspumpe einen internen Knoten, der auf einer Zwischenspannung ist. Diese Ausführungsformen beinhalten einen Treiber zum Ansteuern des ersten Transistors unter Verwendung eines Kreises mit geschalteten Kondensatoren. Der Kreis mit geschalteten Kondensatoren beinhaltet einen ersten, zweiten und dritten Kondensator. Eine Spannung über dem ersten Kondensator regelt eine Spannungsdifferenz zwischen einer Source und einem Gate des ersten Transistors, der zweite Kondensator ist mit dem Knoten verbunden, um Ladung zur Verwendung beim Auffüllen des ersten Kondensators nach Bedarf zu erhalten, um eine gewünschte Spannung über dem ersten Kondensator aufrechtzuerhalten, und der dritte Kondensator füllt die Ladung auf dem ersten Kondensator auf.
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Ausführungsformen beinhalten ferner solche, bei denen ein Induktor mit der Ladungspumpe verbunden ist, sodass sich eine Ladungsmenge auf wenigstens einem der Pumpkondensatoren ändert, wenn Ladung durch die Induktivität fließt, und solche, bei denen ein LC-Kreis mit der Ladungspumpe verbunden ist.
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In anderen Ausführungsformen verbinden die unterschiedlichen Anordnungen die Pumpkondensatoren, um wenigstens zwei Ladungsübertragungspfade auszubilden, die zu unterschiedlichen Zeiten während des Betriebs des Schaltnetzwerks existieren. In solchen Ausführungsformen existieren die Ladungsübertragungspfade nicht gleichzeitig. In einem typischen Fall existiert ein Ladungsübertragungspfad für einige Zeit und hört dann auf, zu existieren. Darauf folgt eine kurze Totzeit, während der kein Ladungsübertragungspfad existiert. Nach Ablauf dieser Totzeit stellt das Schaltnetzwerk dann einen neuen Ladungsübertragungspfad her.
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Die begleitende Beschreibung und der Stand der Technik beschreiben bestimmte Aspekte der Vorrichtungsphysik, die zum Verständnis des in den Ansprüchen aufgeführten Gegenstands nützlich sein können. Es ist jedoch wichtig, sich daran zu erinnern, dass der beanspruchte Gegenstand der Erfindung unabhängig und getrennt von der Beschreibung der zugrunde liegenden Vorrichtungsphysik existiert und auf keine Weise von der Richtigkeit dieser Beschreibung abhängig ist. Dies ist eine natürliche Folge der grundlegenden erkenntnistheoretischen Tatsache, dass alle derartigen Beschreibungen nur auf experimentell nachprüfbaren Modellen einer zugrunde liegenden physikalischen Realität basieren, dass daher alle auf der Physik basierenden Erklärungen notwendigerweise fehleranfällig sind und dass die Geschichte des wissenschaftlichen Fortschritts im Wesentlichen nicht mehr als eine Geschichte der Korrektur solcher Fehler ist.
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Diese und andere Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen ersichtlich, hierbei zeigen:
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Figurenliste
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- 1 einen 2:1-Leistungswandler, der miteinander verbundene Kondensatoren verwendet, um eine Spannungstransformation durchzuführen;
- 2 Details eines Treibers zum Ansteuern eines Schalters von dem in 1 gezeigten Leistungswandler;
- 3 einen Treiber, der sich auf eine Zener-Diode verlässt, die in Verbindung mit der Verhinderung der Leitung durch einen normalleitenden Transistor von 1 verwendet wird;
- 4 einen Treiber, der sich auf einen Nebenschlussregler verlässt, um eine Leitung am Leiten durch einen normalleitenden Transistor aus 1 zu hindern;
- 5 einen Treiber, der sich auf einen Source-Folger verlässt, um eine Leitung am Leiten durch einen normalleitenden Transistor aus 1 zu hindern;
- 6 einen alternativen Treiber, der sich auf einen geschalteten Kondensator verlässt, um eine Leitung am Leiten durch einen normalleitenden Transistor aus 1 zu hindern; und
- 7 einen alternativen Treiber, der sich auf ein Paar geschalteter Kondensatoren verlässt, um ein Leiten durch einen normalleitenden Transistor aus 1 zu verhindern.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1 zeigt einen Leistungswandler 10, der eine Ladungspumpe 12 beinhaltet. Die Ladungspumpe 12 beinhaltet einen ersten und einen zweiten Pumpkondensator 14, 16, die durch einen ersten und einen zweiten geerdeten Schalter 18, 20 und erste bis sechste Schwimmschalter 22, 24, 26, 28, 30, 32 miteinander verbunden sind.
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Weitere Beispiele für Leistungswandler der in
1 gezeigten Art sind im U.S.-Patent Nr.
8,860,396 , U.S.-Patent Nr.
8,743,553 , U.S.-Patent Nr.
8,723,491 , U.S.-Patent Nr.
8,503,203 , U.S.-Patent Nr.
8,693,224 , U.S.-PatentNr.
8,724,353 , U.S.-Patent Nr.
8,619,445 , U.S.-PatentNr.
9,203,299 , U.S.-Patent Nr.
9,742,266 , U.S.-Patent Nr.
9,041,459 , U.S.-Veröffentlichung Nr.
2017/0085172 , U.S.-Patent Nr.
9,887,622 , U.S.-Patent Nr.
9,882,471 , PCT-Veröffentlichung Nr.
WO2017161368 , PCT-Veröffentlichung Nr.
WO2017/091696 , PCT-Veröffentlichung Nr.
WO2017/143044 , PCT-Veröffentlichung Nr.
W02017/160821 , PCT-Veröffentlichung Nr.
WO2017/156532 , PCT-Veröffentlichung Nr.
WO2017/196826 und U.S.-Veröffentlichung Nr.
2017/0244318 detailliert beschrieben, deren Inhalte alle durch Bezug hierin aufgenommen sind.
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Die Ladungspumpe 12 beinhaltet eine zusätzliche Schaltung, die zum Vorladen der Kondensatoren verwendet wird, damit die Ladungspumpe mit dem Betrieb beginnen kann. Diese Schaltung wurde der Übersichtlichkeit halber weggelassen.
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Während des Betriebs werden der erste und der zweite geerdete Schalter 18, 20 und der erste bis sechste Schwimmschalter 22, 24, 26, 28, 30, 32 choreographiert, um zwischen Schaltanordnungen zu wechseln. Jede Schaltanordnung wird durch einen Satz von offenen Schaltern und einen anderen Satz von geschlossenen Schaltern definiert. Jede Schaltanordnung existiert für eine Zeitdauer.
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Im Verlauf ihres Betriebs wechselt die Ladungspumpe 12 von einer ersten Schaltanordnung zu einer nächsten Schaltanordnung und schließlich zurück zu der ersten Schaltanordnung. Diese Übergänge von der ersten Schaltanordnung durch eine oder mehrere nächste Schaltanordnungen und dann zurück zur ersten Schaltanordnung wiederholen sich während des Betriebs der Ladungspumpe auf unbestimmte Zeit.
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Der dargestellte Wandler 10 weist ein erstes und ein zweites Port 34, 36 auf, die auf einer ersten und einer zweiten Spannung liegen. Bei dem dargestellten Leistungswandler 10 beträgt das Verhältnis zwischen diesen Spannungen 2:1. Die dargestellte Architektur ist jedoch leicht erweiterbar, um ein Spannungsverhältnis von N : 1 aufzuweisen.
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Zwei der Schaltanordnungen der Ladungspumpe 12 bilden zwei unterschiedliche Ladungsübertragungspfade innerhalb der Ladungspumpe 12 aus. Die hierin beschriebenen Verfahren und Systeme können jedoch mit Ladungspumpen verwendet werden, die Anordnungen, die während des Betriebs mehr als zwei separate und unterschiedliche Ladungsübertragungspfade ausbilden, sowie Anordnungen aufweisen, die sich nur auf einen einzigen Ladungsübertragungspfad durch die Ladungspumpe verlassen.
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Wenn geladen, speichert jeder Pumpkondensator 14, 16 Energie in einem elektrischen Feld, das durch die darin gespeicherte Ladung erzeugt wird. Der Betrieb der Ladungspumpe 12 schließt das Bewegen der diesem Feld zugeordneten Energie zwischen den Pumpkondensatoren 14, 16 ein. Da diese Energie aus Ladung entsteht, besteht eine Möglichkeit darin, Ladung von einem Kondensator zum anderen zu bewegen, beispielsweise indem man sie einfach miteinander verbindet. Dies würde einen Kondensator entladen, während der andere geladen wird. Die Ladungsbewegung würde somit zu einer Energiebewegung von einem Kondensator zum anderen führen.
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Diese Art der Energiebewegung zwischen Kondensatoren führt jedoch zu Verlusten. Um solche Verluste zu reduzieren, ist es sinnvoll, die Energie eines Kondensators zu entnehmen und vorübergehend in einem Magnetfeld zu speichern. Diese gespeicherte magnetische Energie kann dann in elektrische Energie umgewandelt werden, die in einem anderen Kondensator gespeichert ist. Der Nettoeffekt davon besteht darin, die Bewegung elektrischer Energie von einem Kondensator zum anderen zu erreichen, während der der Ladungsumverteilung zwischen den Kondensatoren zugeordnete Verlust vermieden wird.
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Diese Form der Energieübertragung kann durchgeführt werden, indem ein Induktor strategisch derart platziert wird, dass Ladung, die in und aus wenigstens einem Kondensator übertragen wird, Strom durch den Induktor zugeordnet ist. Der Induktor verwendet diesen Strom, um ein Magnetfeld zu unterstützen, das die zugeordnete Energie speichert. Diese Energie kann dann während einer späteren Betriebsphase der Ladungspumpe 12 aus dem Magnetfeld zurückgewonnen und in in einem Kondensator gespeicherte elektrische Energie umgewandelt werden. Tatsächlich erzeugt der Induktor eine Art „magnetisches Schwungrad“, das die Energie, die sonst während der Ladungsumverteilung verloren gegangen wäre, zurückgewinnt und recycelt.
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Der dargestellte Leistungswandler 10 beinhaltet somit einen Induktor 38, durch den bewirkt werden kann, dass diese Ladung durch den Betrieb des dritten bis sechsten Schwimmschalters 26, 28, 30, 32 geleitet wird. Durch den Induktor 38 laufende Ladung sammelt sich an einem Anschlusskondensator 40, der auf einer relativ konstanten Spannung gehalten wird.
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Die Position des Induktors 38 wird ausgewählt, um sicherzustellen, dass eine Ladungsumverteilung zwischen den Pumpkondensatoren 14, 16 Strom durch den Induktor 38 verursacht. Somit kann der Induktor 38 Energie, die dieser Ladungsumverteilung zugeordnet ist, einfangen und dann zu einem späteren Zeitpunkt freigeben. Außerdem muss der Induktor 38 einen ausgewählten Induktor aufweisen, um zu vermeiden, dass ein Resonanzzustand verursacht wird, der durch den Betrieb des dritten bis sechsten Schwimmschalters 26, 28, 30, 32 stimuliert werden kann.
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Das bestimmte Beispiel eines hierin beschriebenen Leistungswandlers weist einen ersten Chip 42 und einen zweiten Chip 50 auf. Dies ist jedoch nur beispielhaft. Ein Leistungswandler, der die hierin beschriebenen Prinzipien verkörpert, kann auf einem einzigen Chip implementiert werden. Alternativ kann ein hierin beschriebener Leistungswandler in drei oder mehr Chips implementiert werden.
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Der erste Chip 42 trägt die Schalter 18-32. Der zweite Chip 50 trägt andere Kreise zum Betreiben der Ladungspumpe 12. Beispiele für solche Kreise beinhalten Ansteuerkreise 44, Pegelumsetzer 46 und eine Steuervorrichtung 48. Während des Betriebs des Leistungswandlers 10 tauschen der erste und der zweite Chip 42, 50 Eingangs- und Ausgangssignale 52, 54 aus. Der zweite Chip 50 beinhaltet auch eine externe Schnittstelle 56 zum Austausch digitaler Signale mit anderen Vorrichtungen.
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Eine Vielzahl von Transistoren kann verwendet werden, um die Schalter 18-32 zu implementieren. Dazu gehören Feldeffekttransistoren und Übergangstransistoren. Beispiele von Übergangstransistoren beinhalten bipolare Übergangstransistoren. Beispiele von Feldeffekttransistoren beinhalten Heteroübergangstransistoren und Homoübergangstransistoren. Beispiele für Homoübergangstransistoren sind MOSFETS und JFETs. Beispiele von Heteroübergangstransistoren beinhalten Transistoren mit hoher Elektronenmobilität.
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Als Halbleiter kann eine Vielzahl von Materialien verwendet werden. In einigen Ausführungsformen ist der Halbleiter ein elementarer Halbleiter, wie etwa Silizium oder Germanium. In anderen Ausführungsformen ist der Halbleiter ein Verbindungshalbleiter. Beispiele beinhalten Siliziumcarbid, Indiumphosphat, Galliumarsenid, Galliumnitrid, Aluminiumgalliumnitrid und Siliziumgermanium.
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Zu den Transistoren, die zum Implementieren eines oder mehrerer der Schalter 18-32 geeignet sind, gehört einer, der zwischen seiner Source und seinem Drain leitet, es sei denn, an sein Gate wird eine Spannung angelegt, um dies zu verhindern. Beispiele geeigneter normalleitender Transistoren beinhalten solche, bei denen ein Übergang zwischen zwei unterschiedlichen Materialien besteht und nicht nur zwei unterschiedlich dotierte Varianten des gleichen Materials.
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In einigen dieser Ausführungsformen weist der Chip zwei Bereiche auf, die aus zwei unterschiedlichen Materialien bestehen, die aneinander anstoßen, um einen Übergang auszubilden. Durch geeignete Anordnung dieser zwei Bereiche unterschiedlicher Materialien ist es möglich, eine sehr dünne Schicht auszubilden, die mit hochbeweglichen Elektronen im Leitungsband geflutet wird. Diese hochbeweglichen Elektronen fließen so frei, als ob sie ein Gas wären. Als solche bilden sie die Grundlage der Leitung zwischen einer Source und einem Drain eines Transistors aus, vorausgesetzt, dass keine Spannung an einen Gate-Anschluss davon angelegt wird, um eine solche Leitung zu hemmen.
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In einer Ausführungsform ist eines der unterschiedlichen Materialien ein Halbleiterkristall, bei dem die Knoten des Halbleiterkristalls mit Gallium- und Arsenatomen gefüllt sind, und das andere ist ein Halbleiterkristall, bei dem die Knoten mit Gallium-, Aluminium- und Arsenatomen gefüllt sind. Diese zwei Bereiche grenzen aneinander an, um einen Übergang auszubilden.
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Das vorstehende Beispiel ist nur eine von vielen möglichen Implementierungen eines Transistors oder elektrischen Ventils, das einen Stromdurchgang dahindurch ermöglicht, es sei denn, ein Schritt wird unternommen, um den Stromfluss zu stoppen. Solche Vorrichtungen unterscheiden sich von denen, bei denen kein Strom durch die Vorrichtung fließt, es sei denn, es werden Schritte unternommen, um einen solchen Stromfluss zu ermöglichen. Die hierin beschriebenen Kreise sind unabhängig von den besonderen Gründen, warum sich eine Vorrichtung in einem normalleitenden Zustand befindet und sind daher auf alle derartigen Vorrichtungen anwendbar, ungeachtet der zugrunde liegenden Physik, die die Vorrichtung dazu veranlasst, sich so zu verhalten, wie sie sich verhält.
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Bei einem Leistungswandler ist es sinnvoll, die Schalter selbst innerhalb der Ladungspumpe 12 mit Transistoren zu implementieren, die Ladungsträger hoher Mobilität bieten, um eine hohe Leistungseffizienz zu erreichen. Die zusätzliche Schaltung zum Steuern der Ladungspumpe 12 profitiert j edoch nicht so stark von diesem Vorteil. Daher sind die zusätzlichen Kosten solcher Schalter schwer zu rechtfertigen. Angesichts der Beschränkungen der heutigen Fertigungstechnologie ist es daher nützlich, den zweiten Chip 50 aus einem Kristall herzustellen, in dem die Knoten Siliziumatome sind. Im Gegensatz zu denen auf dem ersten Chip 42 sind die Transistoren auf dem zweiten Chip 50 von der Art, die keinen leitenden Pfad zwischen ihren jeweiligen Sources und Drains unterstützt, wenn keine Spannung an entsprechenden Gates davon angelegt wird.
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Die Steuervorrichtung 48 bewirkt, dass sich die Schalter 18-32 derart öffnen und schließen, dass unterschiedliche Konfigurationen des ersten und des zweiten Pumpkondensators 14, 16 bewirkt werden. Im Allgemeinen kommuniziert die Steuervorrichtung 48 nicht direkt mit einem Schalter 18-32. Um einen Schalter 18-32 zu öffnen oder zu schließen, sendet die Steuervorrichtung 48 ein Steuersignal an einen Ansteuerkreis 44. Es ist dieser Ansteuerkreis 44, der letztendlich bewirkt, dass Ladung in den Gate-Bereich eines angesteuerten Transistors hinein oder aus diesem fließt, um den Schalter 18-32 zu öffnen oder zu schließen.
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2 zeigt einen Gate-Treiber 58 zum Ansteuern eines Transistors 64, der im Folgenden als „angesteuerter Transistor“ 64 bezeichnet wird. Der Ansteuerkreis 44 weist so viele dieser Gate-Treiber 58 auf, wie angesteuerte Transistoren 64 vorhanden sind.
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Der Gate-Treiber 58 beinhaltet einen Steuereingang 60 und einen Gate-Treiberausgang 62. Der Steuereingang 60 ist mit der Steuervorrichtung 48 verbunden und empfängt von dieser ein Steuersignal. Der Gate-Treiberausgang 62 ist mit einem Gate-Anschluss eines angesteuerten Transistors 64 verbunden, der einen Schalter 18-32 implementiert. Als Reaktion auf ein Steuersignal an seinem Steuereingang 60 bewirkt der Gate-Treiber 58, dass Ladung zum Gate-Anschluss des angesteuerten Transistors 64 hin oder von diesem weg fließt, um zu bewirken, dass der angesteuerte Transistor 64 zwischen einem leitenden Zustand und einem nichtleitenden Zustand wechselt.
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Diese Ladung muss von irgendwoher kommen. Um die Ladung zu liefern, weist der Gate-Treiber 58 einen ersten und einen zweiten Leistungsanschluss 66, 68 auf. Eine Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungsanschluss 66, 68 stellt eine elektromotorische Kraft bereit, die verwendet werden kann, um überschüssige Ladung und damit Spannung an den Gate-Anschluss des angesteuerten Transistors anzulegen.
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Um eine solche Potentialdifferenz zu bewirken, ist es sinnvoll, einen der zwei Leistungsanschlüsse 66, 68 mit der Source des angesteuerten Transistors 64 und den anderen der zwei Stromanschlüsse 68, 66 mit einer Spannung zu verbinden, die relativ zur Source-Spannung etwas verschoben ist.
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In den Fällen, in denen der angesteuerte Transistor 64 einer ist, der erfordert, dass eine Spannung an sein Gate angelegt wird, um die Leitung zwischen seiner Source und seinem Drain zu unterbrechen, ist der Source-Anschluss des angesteuerten Transistors mit dem ersten Leistungsanschluss 66 verbunden. Dies ist die in 2 gezeigte Konfiguration. In allen anderen Fällen ist der Source-Anschluss des angesteuerten Transistors mit dem zweiten Leistungsanschluss 68 verbunden.
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Eine konstante Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungsanschluss 66, 68 entsteht aus einem Vorspannungskondensator 70, dessen Anode mit dem ersten Leistungsanschluss 66 verbunden ist und dessen Kathode mit dem zweiten Leistungsanschluss 68 verbunden ist. Die Spannung über dem Vorspannungskondensator 70 ist daher ein Offset, der eine konstante Potenzialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungsanschluss 66, 68 aufrechterhält. Dies bedeutet, dass das Regeln der Spannung über dem Vorspannungskondensator 70 gleichbedeutend mit dem Regeln der Potentialdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungsanschluss 66, 68 ist.
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Im Normalbetrieb wechselt die Source-Spannung des angesteuerten Transistors zwischen verschiedenen Werten relativ zur Erde. Dadurch wechselt auch die Spannung am ersten Leistungsanschluss 66, der ja mit der Source des angesteuerten Transistors verbunden ist, zwischen unterschiedlichen Werten relativ zur Erde. Da der Vorspannungskondensator 70 den zweiten Stromanschluss 68 relativ zum ersten Leistungsanschluss 66 auf einem fixierten Offset hält, variiert die Spannung am zweiten Stromanschluss 68 ebenfalls relativ zur Erde. Die Spannungsdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungsanschluss 66, 68 bleibt jedoch durch die Spannung über dem Vorspannungskondensator 70 auf dem gleichen Wert geklemmt.
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Für die geerdeten Schalter 18, 20 wird keine weitere Schaltung benötigt. Immerhin ist der Source-Anschluss eines geerdeten Schalters 18, 20 geerdet. Daher kann der geerdete Schalter 18, 20 nicht anders, als eine konstante Source-Spannung aufzuweisen. Als Ergebnis ist es lediglich erforderlich, die Kathode des Vorspannungskondensators mit einer negativen Versorgungsspannung zu verbinden, um zu bewirken, dass ein geerdeter Schalter 18, 20 aufhört zu leiten. Die Größe dieser negativen Versorgungsspannung wird auf den gewünschten Offset zwischen Gate- und Source-Spannungen eingestellt, um das Leiten des angesteuerten Transistors 64 zu stoppen. Die Anode des Vorspannungskondensators 70 ist zusammen mit dem Source-Anschluss des angesteuerten Transistors mit Erde verbunden.
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Für die Schwimmschalter 22-32 stützt sich der Ansteuerkreis 44 auf einen Spannungsregler 72, um Variationen in der Source-Spannung des angesteuerten Transistors zu kompensieren. Die verschiedenen hierin beschriebenen Ansteuerkreise 44 unterscheiden sich hauptsächlich in den Details des Spannungsreglers 72.
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3 zeigt einen Ansteuerkreis 44, in dem sich der Spannungsregler 72 auf eine stabile Gleichstromspannungsquelle mit niedriger Serienimpedanz stützt. Bei der gezeigten speziellen Implantation fungiert eine Zener-Diode 74 als erforderliche Gleichstromspannungsquelle.
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Die Kathode des Vorspannungskondensators 70 ist mit einem Reihenwiderstand 76 verbunden, der in Reihe mit einer Spannungsquelle 78 liegt, die eine negative Spannung über ihren Anschlüssen aufrechterhält. Als solche ist die Spannung an der Kathode des Vorspannungskondensators diese negative Spannung, die um den Spannungsabfall, der dem Reihenwiderstand 76 zugeordnet ist, verschoben ist.
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Mit nur den bisher identifizierten Komponenten würde die Spannung über dem Vorspannungskondensator 70 dazu neigen, mit der Zeit zu variieren. Dies ist unerwünscht, da, wenn der angesteuerte Transistor 64 ausgeschaltet sein sollte, ein fixierter Offset zwischen den Gate- und Source-Spannungen am angesteuerten Transistor 64 erforderlich ist.
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Um einen solchen fixierten Offset sicherzustellen, ist es sinnvoll, die Zener-Diode 74 über den Vorspannungskondensator 70 zu schalten und dies so zu tun, dass die Zener-Diode 74 im Durchbruchsmodus arbeitet. Dies stellt sicher, dass die Spannung über dem Vorspannungskondensator 70 an die Durchbruchspannung der Zener-Diode 74 gekoppelt bleibt. Der Reihenwiderstand 76 und die Spannungsquelle 78 stellen sicher, dass ein Gleichstrompfad verfügbar ist, damit der Strom der Zener-Diode fließt.
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Als Ergebnis ist im Betrieb, wenn die Steuervorrichtung 48 ein Steuersignal an den Steuereingang 60 bereitstellt, um den Schalter zu schließen, die Gate-Spannung gleich der Source-Spannung. Dies liegt daran, dass der Source-Anschluss des angesteuerten Transistors 64 mit dem ersten Leistungsanschluss 66 des Gate-Treibers 58 kurzgeschlossen wurde. Dies führt zu keiner Spannungsdifferenz zwischen dem Gate und der Source des angesteuerten Transistors. In dieser Konfiguration leitet der angesteuerte Transistor 64.
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Wenn die Steuervorrichtung 48 ein Signal an den Steuereingang 60 des Gate-Treibers sendet, um den Schalter zu öffnen, weist die Gate-Spannung aufgrund des Klemmens durch die Zener-Diode 74 einen fixierten Offset von der Source-Spannung auf. Die resultierende Spannungsdifferenz zwischen dem Gate und der Source des Transistors verhindert, dass der angesteuerte Transistor 64 leitet.
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Obwohl sich die gezeigte besondere Ausführungsform auf eine Zener-Diode 74 stützt, ist es möglich, die Zener-Diode 74 durch eine beliebige stabile Gleichstromspannungsquelle mit einer niedrigen Reihenimpedanz zu ersetzen.
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In einem alternativen Ansteuerkreis 44, der in 4 gezeigt ist, stützt sich der Regler 72 auf einen Nebenschlussregler. Diese Ausführungsform beinhaltet einen RC-Widerstand 82 und einen RC-Kondensator 84, der parallel zu diesem RC-Widerstand 82 liegt. Zusammen definieren sie einen RC-Kreis 86, der zwischen dem ersten Leistungsanschluss 66 und einem invertierenden Eingang 88 eines Differenzverstärkers 90 verbunden wird. Die an den invertierenden Eingang 88 angelegte Spannung ist daher gleich der Spannung am ersten Leistungsanschluss 66, wird jedoch durch einen Spannungsabfall am RC-Widerstand 82 verringert, der durch den von einer Stromquelle 94 gezogenen Strom verursacht wird.
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Währenddessen ist der nicht invertierende Eingang 88 des Differenzverstärkers 90 mit dem zweiten Leistungsanschluss 68 verbunden.
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Als Ergebnis sieht der Differenzverstärker 90 eine Spannungsdifferenz, die durch den RC-Widerstand 82 und den durch eine Stromquelle 94 fließenden Strom gesteuert wird. Diese Spannungsdifferenz stellt eine Grundlage für den Differenzverstärker 90 bereit, um eine Rückkopplungssteuerung der Spannung über dem Vorspannungskondensator 70 durchzuführen.
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Der Differenzverstärker 90 weist einen Ausgang auf, der mit einem Gate einer Nebenschlussvorrichtung 92 verbunden ist, die in dieser Ausführungsform als ein Feldeffekttransistor mit Verstärkungsmodus implementiert ist. Die Nebenschlussvorrichtung 92 ist mit der Kathode des Vorspannungskondensators 70 verbunden, sodass, wenn bewirkt wird, dass die Nebenschlussvorrichtung 92 leitet, sie den Vorspannungskondensator 70 entlädt..
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Wenn der Differenzverstärker 90 bewirkt, dass die Nebenschlussvorrichtung 92 leitet, fließt Ladung aus dem Vorspannungskondensator 70, wodurch die Spannung über dem Vorspannungskondensator 70 reduziert wird. Dies stellt eine Möglichkeit bereit, die Spannung über dem Vorspannungskondensator 70 zu regulieren. Als Ergebnis wirken die Stromquelle 94 und die Nebenschlussvorrichtung 92 zusammen, um eine spannungsgesteuerte Stromquelle auszubilden. Der Strom durch diese spannungsgesteuerte Stromquelle hängt von einer Spannung ab, die vom Ausgang des Differenzverstärkers bereitgestellt wird.
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Der invertierende Eingang 88 des Differenzverstärkers ist auch mit dieser Stromquelle 94 verbunden. Ein Spannungsabfall, der durch das Produkt des von der Stromquelle 94 bereitgestellten Stroms und des Widerstandswerts des RC-Widerstands 82 definiert ist, stellt die gewünschte Spannungsdifferenz über dem Vorspannungskondensator 70 ein. Dadurch wird letztendlich die Spannungsdifferenz zwischen dem Gate und der Source eingestellt, wenn der angesteuerte Transistor 64 nichtleitend ist.
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Währenddessen ist ein nicht invertierender Eingang 96 des Differenzverstärkers 90 mit der Kathode des Vorspannungskondensators 70 verbunden.
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Im Betrieb ist ersichtlich, dass der Differenzverstärker die Gate-Spannung der Nebenschlussvorrichtung 92 einstellt, um sicherzustellen, dass die Spannungsdifferenz zwischen dem invertierenden und dem nicht invertierenden Eingang 88, 96 null ist. Dadurch wird sichergestellt, dass die Spannung am Vorspannungskondensator 70 gleich dem Spannungsabfall am RC-Widerstand 82 als Ergebnis des von der Stromquelle 94 gezogenen Stroms ist.
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Solange die Spannungsdifferenz zwischen dem invertierenden und nicht invertierenden Eingang 88, 96 null ist, bleibt die Nebenschlussvorrichtung 92 geöffnet. Als Ergebnis ändert sich die Spannung am Vorspannungskondensator 70, die bereits den richtigen Wert hat, nicht. In allen anderen Fällen schließt der Differenzverstärker 90 die Nebenschlussvorrichtung 92, um zu ermöglichen, dass sich die in der Spannung über dem Vorspannungskondensator 70 gespeicherte Ladung auf eine Weise ändert, die die Spannungsdifferenz zwischen den invertierenden und nicht invertierenden Eingängen 88, 96 auf null wiederherstellt. Sobald dies auftritt, ist das Gleichgewicht wiederhergestellt und der Differenzverstärker 90 öffnet die Nebenschlussvorrichtung 92 wieder.
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Der Vorspannungskondensator 70 stellt die Ladung bereit, um den angesteuerten Transistor 64 auszuschalten. Er stellt auch die Ladung bereit, die benötigt wird, um alle Versorgungs- und Vorspannungsströme zu unterstützen, die zum Betreiben des Gate-Treibers 58 erforderlich sind. Beim Bereitstellen dieser Ladung entlädt sich der Vorspannungskondensator 70 natürlich selbst. Die Ladung, die der Vorspannungskondensator 70 während dieser Vorgänge unvermeidlich verliert, muss daher wieder aufgefüllt werden. Der Differenzverstärker 90, die Nebenschlussvorrichtung 92, die Stromquelle 94, der RC-Widerstand 82 und der RC-Kondensator 84 wirken alle zusammen, um einen Nebenschlussregler zu definieren, der die Ladung auffüllt, die der Vorspannungskondensator 70 bei der Ausführung seiner Funktionen verliert.
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Durch geeignetes Auswählen des Wertes des Spannungsabfalls über dem RC-Widerstand 82 wird es möglich, einen Sollwert für die Spannungsdifferenz über dem Vorspannungskondensator 70 festzulegen. Dies stellt sicher, dass, wenn der angesteuerte Transistor 64 geöffnet werden soll, die Gate-Spannung um den erforderlichen Betrag von der Source-Spannung abweicht.
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Der Differenzverstärker 90 und die Nebenschlussvorrichtung 92 definieren einen Nebenschlussregler 98.
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In den Fällen, in denen die Ladungspumpe 12 einen Arbeitszyklus von 50 % zum Wiederaufladen des Vorspannungskondensators 70 aufweist, ist es möglich, dass der Nebenschlussregler 98 eine relativ geringe Bandbreite aufweist. Dies fördert die Stabilität der Rückkopplungsschleife. In manchen Fällen kann auf die Rückkopplungsschleife ganz verzichtet werden.
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Die anderen Komponenten als der angesteuerte Transistor 64 und der Vorspannungskondensator 70 sind in den zweiten Chip 50 integriert. In Ausführungsformen, die Kondensatoren hoher Dichte verwenden, besteht die Möglichkeit, auch den Vorspannungskondensator 70 zu integrieren. In einigen Ausführungsformen halten zusätzliche interne Kondensatoren während Übergangsereignissen eine stabile Versorgungsspannung aufrecht.
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5 zeigt einen Ansteuerkreis 44, in dem sich der Regler 72 auf einen Source-Folger stützt.
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Der erste Leistungsanschluss 66 des Gate-Treibers 58 ist sowohl mit der Anode eines Vorspannungskondensators 70 als auch mit der Source des angesteuerten Transistors verbunden. Der zweite Leistungsanschluss 68 ist mit der Kathode des Vorspannungskondensators 70 und mit einer Nebenschlussvorrichtung 92 verbunden, die als Source-Folger arbeitet.
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Der Ansteuerkreis 44 beinhaltet ferner einen parallelen RC-Kreis 86, der eine Verbindung zwischen dem ersten Leistungsanschluss 66 des Gate-Treibers 58 und dem Gate der Nebenschlussvorrichtung 92 herstellt. Der parallele RC-Kreis 86 beinhaltet einen RC-Widerstand 82, der parallel zu einem RC-Kondensator 84 liegt. Das Gate der Nebenschlussvorrichtung 92 ist auch mit einer Stromquelle 94 verbunden. Der Spannungsabfall, der durch das Produkt aus dem Strom der Stromquelle und dem Widerstandswert des RC-Widerstands 82 definiert ist, stellt die gewünschte Spannungsdifferenz über dem Vorspannungskondensator 70 ein.
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Der RC-Kreis 86 und die Anode des Vorspannungskondensators 70 sind beide mit derselben Spannung verbunden. In dieser Konfiguration entspricht die Summe des Spannungsabfalls über dem RC-Widerstand 82 und des Spannungsabfalls zwischen dem Gate und der Source des Nebenschlussschalters dem gewünschten Spannungsabfall über dem Vorspannungskondensator 70. Wenn sich die Source-Spannung des angesteuerten Transistors 64 ändert, dann weichen die an den Gate-Anschluss der Nebenschlussvorrichtung 92 angelegte Spannung und die an den Source-Anschluss der Nebenschlussvorrichtung 92 angelegte Spannung ab. Als Ergebnis ändert sich der Strom durch die Nebenschlussvorrichtung 92. Dadurch kann sich die Ladungsmenge auf dem Vorspannungskondensator 70 ändern, wodurch sich die Spannungsdifferenz über dem Vorspannungskondensator 70 ändert, bis sie wieder mit der über dem Widerstand 82 übereinstimmt. An diesem Punkt erreichen die der Nebenschlussvorrichtung 92 zugeführten Gate- und Source-Spannungen wieder einen stationären Zustand.
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Durch geeignetes Auswählen des Wertes des Spannungsabfalls über dem RC-Widerstand 82 wird es möglich, einen Sollwert für die Spannungsdifferenz über dem Vorspannungskondensator 70 festzulegen. Dies stellt sicher, dass, wenn der angesteuerte Transistor 64 geöffnet werden soll, die Gate-Spannung um den erforderlichen Betrag von der Source-Spannung abweicht.
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Ein Source-folgender Ansteuerkreis 44, wie in 5 gezeigt, ist besonders für einen N: 1-Wandler nützlich, bei dem Zwischenspannungen von der Ladungspumpe 12 eine niedrigere Vorspannung an der Nebenschlussvorrichtung 98 erzeugen, wodurch die Erzeugung einer negativen Vorspannung an der Kathode des Vorspannungskondensators 70 als Reaktion auf seine Anode gefördert wird. Dies erzeugt wiederum eine negative Vorspannung, um zu bewirken, dass der angesteuerte Transistor 64 aufhört zu leiten. Die Stromquelle 94 und der RC-Widerstand 82 wirken zusammen, um eine Vorspannung relativ zu einer geeigneten der Zwischenspannungen in der Ladungspumpe 12 zu erzeugen.
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In dem Source-folgenden Ansteuerkreis 44, wie in 5 gezeigt, sind andere Komponenten als der angesteuerte Transistor 64 und der Vorspannungskondensator 70 in den zweiten Chip 50 integriert. In Ausführungsformen, die Kondensatoren hoher Dichte verwenden, besteht die Möglichkeit, auch den Vorspannungskondensator 70 zu integrieren. In einigen Ausführungsformen halten zusätzliche interne Kondensatoren während Übergangsereignissen eine stabile Versorgungsspannung aufrecht.
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6 zeigt einen alternativen Ansteuerkreis 44, in dem erste, zweite, dritte und vierte Schalter 100, 102, 104, 106 bewirken, dass ein erster Speicherkondensator 108 zwischen dem Sammeln von mehr Ladung und dem Abgeben von Ladung nach Bedarf an den Vorspannungskondensator 70 wechselt.
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Das Schließen des ersten Schalters 100 verbindet den ersten Speicherkondensator 108 mit der Source des angesteuerten Transistors, mit dem ersten Leistungsanschluss 66 und mit der Anode des Vorspannungskondensators 70. Das Schließen des zweiten Schalters 102 verbindet den ersten Speicherkondensator 108 mit dem zweiten Leistungsanschluss 68 und mit der Kathode des Vorspannungskondensators 70. Das Schließen des dritten Schalters 104 verbindet den ersten Speicherkondensator 108 mit einer Spannungsquelle. Das Schließen des vierten Schalters 108 erdet den ersten Speicherkondensator 106.
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Während der angesteuerte Transistor 64 leitet, schließt die Steuervorrichtung 48 den dritten und den vierten Schalter 104, 106, um den ersten Speicherkondensator 108 aufzufüllen. Dadurch wird sichergestellt, dass der Speicherkondensator 108 mit ausreichender Ladung bereit ist, wenn er in Aktion gerufen wird, um die Leitung zu beenden.
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In dem Ladungsauffüllungsschritt öffnet die Steuervorrichtung 48 den dritten und vierten Schalter 104, 106 und schließt dann den ersten und zweiten Schalter 100, 102. Dadurch kann der erste Speicherkondensator 108 die Ladung des Vorspannungskondensators 70 wieder auffüllen, wodurch sichergestellt wird, dass die Spannung über dem Vorspannungskondensator 70 ausreicht, um den angesteuerten Transistor 64 in einen nichtleitenden Zustand anzusteuern und dort zu halten.
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In der in 6 gezeigten Ausführungsform kann es erforderlich sein, dass der dritte und der vierte Schalter 104, 106 robust genug sind, um eine hohe Spannung zu erhalten. Ein alternativer Ansteuerkreis 44 auf Basis geschalteter Kondensatoren, der in 7 gezeigt ist, umgeht diese Schwierigkeit, indem eine Versorgungsspannung aus einer der Zwischenspannungen entnommen wird, die innerhalb der Ladungspumpe 12 verfügbar sind. Dies geht auf Kosten eines zusätzlichen Kondensators.
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In 7 beinhaltet ein alternativer Ansteuerkreis 44, der sich ebenfalls auf einen Kreis mit geschalteten Kondensatoren stützt, einen Gate-Treiber 58 mit einem Steuereingang 60, einem Gate-Treiberausgang 62, einem ersten Leistungsanschluss 66 und einem zweiten Leistungsanschluss 68. Der Steuereingang 60 ist mit der Steuervorrichtung 16 verbunden, um ein Steuersignal zum Steuern eines angesteuerten Transistors 64 zu empfangen. Der Gate-Treiberausgang 62 ist mit dem Gate des angesteuerten Transistors 64 verbunden.
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Der erste Leistungsanschluss 66 des Gate-Treibers 58 ist sowohl mit der Anode eines Vorspannungskondensators 70 als auch mit der Source des angesteuerten Transistors verbunden. Der zweite Leistungsanschluss 68 ist mit der Kathode des Vorspannungskondensators 70 verbunden.
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Der Ansteuerkreis 44 beinhaltet auch erste und zweite Schalter 100, 102, die den Vorspannungskondensator 70 und den ersten und zweiten Speicherkondensator 108, 110 miteinander verbinden, um ein Netzwerk mit geschalteten Kondensatoren auszubilden. Der erste und der zweite Speicherkondensator 108, 110 funktionieren als Spannungsteiler, sodass die Spannung über dem Vorspannungskondensator 70 letztendlich von dem Verhältnis zwischen den Kapazitäten des ersten und zweiten Speicherkondensators 108, 110 abhängt.
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Im geschlossenen Zustand erzeugt der erste Schalter 100 eine Parallelverbindung zwischen dem ersten Speicherkondensator 108 und dem Vorspannungskondensator 70. Im geschlossenen Zustand verbindet der zweite Schalter 102 den ersten und den zweiten Speicherkondensator 108, 110 in Reihe. Der zweite Speicherkondensator 110 ist mit einer Zwischenspannung verbunden, die von einer anderen Stelle innerhalb der Ladungspumpe 112 abgeleitet wird.
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Im Betrieb ist, wenn der angesteuerte Transistor 64 leitet, der erste Schalter 100 geöffnet und der zweite Schalter 102 geschlossen. Als Ergebnis füllt der zweite Speicherkondensator 108 seine Ladung unter Verwendung der Zwischenspannungsquelle wieder auf.
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Wenn es Zeit ist, die Ladung des Vorspannungskondensators 70 aufzufüllen, öffnet sich der zweite Schalter 102, woraufhin der erste Schalter 100 schließt. Da die ersten Speicherkondensatoren 106 und der Vorspannungskondensator 70 nun parallel geschaltet sind, kann der zweite Speicherkondensator 108 die Ladung auf dem Vorspannungskondensator 70 wieder auffüllen, wodurch die Spannung an ihm auf den Offset erhöht wird, der erforderlich ist, um zu bewirken, dass der angesteuerte Transistor 64 aufhört zu leiten.
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In dieser Konfiguration können der erste und der zweite Schalter 100, 102 Schalter mit relativ niedriger Spannung sein, da sie eher mit den niedrigeren Zwischenspannungen innerhalb der Ladungspumpe 12 als mit einer möglicherweise viel höheren externen Versorgungsspannung verbunden werden.
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Nach der Beschreibung der Erfindung und einer bevorzugten Ausführungsform davon wird als neu beansprucht und durch ein Patent gesichert:
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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