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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Priorität der am 30. September 2019 eingereichten US-Patentanmeldung Nr.
16/588,060 mit dem Titel „Suppression of Rebalancing Currents in a Switched-Capacitor Network“ („Unterdrückung von Ausgleichsströmen in einem geschalteten Kondensatornetzwerk“), deren Inhalt hierin durch Bezugnahme vollständig aufgenommen ist.
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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft Leistungswandler und insbesondere geschaltete Kondensatornetzwerke innerhalb von Leistungswandlern.
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STAND DER TECHNIK
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Moderne elektronische Vorrichtungen weisen oft verschiedene Komponenten auf, die zum Betrieb Strom benötigen. Diese Komponenten sind anspruchsvoll in ihren Anforderungen. Daher ist es wichtig, jede Komponente mit einer stabilen Stromquelle zu versorgen.
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Eine auftretende Schwierigkeit besteht darin, dass die finale Stromquelle in vielen solchen Vorrichtungen eine Batterie ist. Die von einer Batterie zugeführte Spannung ist nicht konstant. Wenn sich die Batterie entlädt, beginnt diese Spannung nachzulassen. Temperaturänderungen können ein Wiederaufleben dieser Spannung verursachen. Laständerungen bewirken auf ähnliche Weise Änderungen der Ausgangsspannung der Batterie.
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Eine zusätzliche Schwierigkeit besteht, selbst wenn eine stabile Batteriespannung sichergestellt werden könnte. Unterschiedliche Komponenten weisen unterschiedliche Leistungsanforderungen auf. Beispielsweise benötigt das Display eines Smartphones normalerweise eine höhere Spannung als der Prozessor. Da die Batterie nur eine Spannung zuführen kann, muss ein Weg gefunden werden, die unterschiedlichen Anforderungen der verschiedenen Komponenten innerhalb der Vorrichtung zu erfüllen.
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Um dafür zu sorgen, dass die verschiedenen Komponenten mit einer stabilen Spannungsquelle versorgt werden, verfügen die meisten dieser Vorrichtungen über einen Leistungswandler, der zwischen der Batterie und den verschiedenen Komponenten liegt. Die Funktion des Leistungswandlers besteht darin, das, was die Batterie bieten kann, in eine Form umzuwandeln, die für die verschiedenen Komponenten geeignet ist, aus denen die Vorrichtung besteht.
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Bekannte Leistungswandler verwenden geschaltete Kondensatornetzwerke in Verbindung mit einem Durchführen ihrer Funktionen. Eine Schwierigkeit bei solchen Netzwerken besteht darin, dass sich im Laufe ihres Betriebs Ladung von einem Kondensator zum anderen bewegt. Diese Bewegung verursacht eine Erwärmung, was zu einem Energieverlust führt.
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ZUSAMMENFASSUNG
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In einem Aspekt weist die Erfindung einen Leistungswandler auf, der ein Schaltnetzwerk und eine Steuerung, die das Schaltnetzwerk steuert, beinhaltet. Die Steuerung bewirkt, dass das Schaltnetzwerk eine geschaltete Kondensatorschaltung bildet, die im Verlauf eines Betriebs einen ersten Pfad und einen zweiten Pfad umfasst. Der erste Pfad erstreckt sich durch ein erstes Kondensatornetzwerk, das eine Vielzahl von Pumpkondensatoren umfasst, und der zweite Pfad erstreckt sich durch ein zweites Kondensatornetzwerk, das dieselbe Vielzahl von Pumpkondensatoren umfasst. Der erste Pfad ist mit einer Anode und einer Kathode eines ersten Pumpkondensators aus der Vielzahl von Pumpkondensatoren verbunden. Der zweite Pfad ist mit der Anode und einer Kathode des ersten Pumpkondensators und mit einer Anode und einer Kathode eines zweiten Pumpkondensators aus der Vielzahl von Pumpkondensatoren verbunden. Die Anode des ersten Pumpkondensators ist mit der Anode des zweiten Pumpkondensators verbunden. Die Steuerung ist konfiguriert, sodass, wenn die Anode des ersten Pumpkondensators bei Bildung des zweiten Kondensatornetzwerks mit der Anode des zweiten Pumpkondensators verbunden wird, eine Spannungsdifferenz zwischen den Anoden null ist.
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In einigen Ausführungsformen weisen der erste Pfad und der zweite Pfad unterschiedliche Anzahlen von Pumpkondensatoren auf.
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In anderen Ausführungsformen weisen der erste Pfad und der zweite Pfad die gleiche Kapazität auf.
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In noch anderen Ausführungsformen ist die Steuerung konfiguriert, um zu bewirken, dass das Schaltnetzwerk eine geschaltete Kondensatorschaltung bildet, die ferner einen dritten Pfad umfasst. Der dritte Pfad, der in dem ersten Kondensatornetzwerk gebildet wird, weist die gleiche Kapazität wie der erste Pfad auf.
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Unter den Ausführungsformen sind auch jene, bei denen die Steuerung eine Steuerung ist, um zu bewirken, dass das Schaltnetzwerk eine geschaltete Kondensatorschaltung bildet, die ferner einen dritten Pfad umfasst, der in dem ersten Kondensatornetzwerk gebildet ist. Der erste, der zweite und der dritte Pfad weisen alle die gleiche Kapazität auf.
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Andere Ausführungsformen beinhalten jene, bei denen der erste Pfad sowohl einen Ausgleichskondensator als auch den ersten Pumpkondensator umfasst. Darunter sind Ausführungsformen, bei denen der zweite Pfad nur Pumpkondensatoren und keinen Ausgleichskondensator umfasst und wobei der erste und der zweite Pfad die gleiche Kapazität aufweisen, jene, bei denen der Ausgleichskondensator und der erste Pumpkondensator die gleiche Kapazität aufweisen, jene, bei denen der Ausgleichskondensator Ladung auf einem ersten Bereich speichert, der erste Pumpkondensator Ladung auf einem zweiten Bereich speichert und der zweite Bereich den ersten Bereich übersteigt, jene, bei denen der Ausgleichskondensator Ladung auf dem ersten und dem zweiten Bereich speichert, die durch eine erste Lücke getrennt sind, und der erste Pumpkondensator Ladung auf einem ersten und einem zweiten Bereich speichert, die durch eine zweite Lücke getrennt sind, wobei die zweite Lücke die erste Lücke übersteigt.
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Unter den Ausführungsformen, bei denen der erste Pfad sowohl einen Ausgleichskondensator als auch den ersten Pumpkondensator umfasst, sind auch jene, bei denen das Schaltnetzwerk einen Ausgleichsschalter umfasst, der den Ausgleichskondensator mit dem ersten Pumpkondensator verbindet, jene, bei denen der Ausgleichskondensator ein Ausmaß erhöht, mit dem der Leistungswandler in Bezug auf ein Ausmaß adiabatisch betrieben wird, in dem der Leistungswandler in Abwesenheit des Ausgleichskondensators adiabatisch betrieben werden würde, und jene, bei denen der Ausgleichskondensator ein Ausmaß reduziert, in dem ein Ausgleichsstrom in dem Leistungswandler in Bezug auf ein Ausmaß vorhanden ist, in dem der Ausgleichsstrom ohne den Ausgleichskondensator bestehen würde.
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In anderen Ausführungsformen wirken das erste und das zweite Kondensatornetzwerk, von denen jedes Ausgleichskondensatoren umfasst, zusammen, um eine erste Spannung in eine zweite Spannung umzuwandeln. Bei diesen Ausführungsformen würden das erste und das zweite Kondensatornetzwerk ein Umwandeln der ersten Spannung in die zweite Spannung auch dann fortsetzen, wenn die Ausgleichskondensatoren entfallen würden.
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In noch anderen Ausführungsformen sind die Kondensatoren in der Vielzahl von Pumpkondensatoren alle ladungsausgeglichen.
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Unter den Ausführungsformen befinden sich auch jene, bei denen die geschaltete Kondensatorschaltung mit einem oder mehreren Reglern verbunden ist.
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In einigen Ausführungsformen definieren das erste und das zweite Kondensatornetzwerk zusammen einen Kaskadenvervielfacher.
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In anderen Ausführungsformen umfasst das Schaltnetzwerk Stapelschalter, Phasenschalter und Ausgleichsschalter, wobei die Ausgleichsschalter kleiner sind als die Stapelschalter.
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In noch anderen Ausführungsformen umfasst die Vielzahl von Pumpkondensatoren einen Pumpkondensator, der neuausgeglichen werden soll, umfasst die geschaltete Kondensatorschaltung einen Ausgleichskondensator, und umfassen die Schalter des Schaltnetzwerks einen Schalter, der konfiguriert ist, um den Ausgleichskondensator von dem Pumpkondensator, der ausgeglichen werden soll, zu trennen.
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In einer anderen Ausführungsform beinhaltet ein Leistungswandler ein Schaltnetzwerk und eine Steuerung, die das Schaltnetzwerk steuert. Die ist konfiguriert, um zu bewirken, dass das Schaltnetzwerk ein Kondensatornetzwerk bildet. Das Kondensatornetzwerk umfasst einen ersten und einen zweiten Pfad, wovon jeder mindestens einen Pumpkondensator aufweist. Aufgrund des mindestens einen Pumpkondensators weisen der erste und der zweite Pfad eine entsprechende erste und zweite Kapazität auf. Der erste Pfad beinhaltet auch einen Neuausgleichskondensator. Aufgrund des Neuausgleichskondensators und des mindestens einen Pumpkondensators weist der erste Pfad eine dritte Kapazität auf. Die Größe der Differenz zwischen der ersten und der zweiten Kapazität ist größer als die Größe der Differenz zwischen der dritten und der zweiten Kapazität. Der Ausgleichskondensator bewirkt somit eine Verringerung der Ladungsumverteilung zwischen den zwei Pfaden und reduziert damit Verluste aus dem resultierenden Strom, der die Ladung umverteilt.
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Wie es hierin verwendet wird, soll eine Steuerung, die „konfiguriert ist, um [eine Bedingung] zu bewirken“, dasselbe bedeuten wie eine Steuerung, die „angepasst ist, um [diese Bedingung] zu bewirken“, und auch eine Steuerung, die diese Bedingung „bewirkt“. In allen Fällen decken alle vorstehenden Begriffe die Steuerung ab, unabhängig davon, ob sie tatsächlich in Betrieb ist. Hiermit wird darauf hingewiesen, dass jede Person, die den Anspruch dahingehend auslegt, dass das Gerät tatsächlich in Betrieb sein muss, damit die Ansprüche dieses Gerät abdecken, eine Person ist, die bei der Auslegung der Ansprüche einen Fehler gemacht hat, indem sie die Ansprüche nicht im Lichte der Patentschrift ausgelegt hat.
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Figurenliste
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- 1 zeigt einen Leistungswandler mit einem Regler, der mit einer Last verbunden ist;
- 2 zeigt einen Leistungswandler mit einem Regler, der mit einer Spannungsquelle verbunden ist;
- 3 zeigt einen Leistungswandler mit Reglern, die sowohl mit der Quelle als auch mit der Last verbunden sind;
- 4 zeigt Details einer geschalteten Kondensatorschaltung von 1;
- 5 und 6 zeigen zwei Netzwerke, die durch unterschiedliche Konfigurationen von Schaltern in der in 4 gezeigten geschalteten Kondensatorschaltung gebildet sind;
- 7 zeigt Einzelheiten einer geschalteten Kondensatorschaltung ähnlich wie jene, die in 4 gezeigt ist, jedoch mit hinzugefügten zusätzlichen Ausgleichskondensatoren; und
- 8 und 9 zeigen zwei Netzwerke, die durch unterschiedliche Konfigurationen von Schaltern in der in 7 gezeigten geschalteten Kondensatorschaltung gebildet sind.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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1-3 zeigen einen ersten, zweiten und dritten Leistungswandler 100, 101, 102, wovon jeder eine geschaltete Kondensatorschaltung 110 aufweist. Jede geschaltete Kondensatorschaltung 110 umfasst einen Kondensatorsatz 112 und ein Schaltnetzwerk 114, das den Kondensatorsatz 112 verwendet, um zu verschiedenen Zeiten verschiedene Kondensatornetzwerke zu bilden. Der Prozess eines dynamischen Bildens dieser Kondensatornetzwerke bewirkt, dass Ladung zwischen Kondensatoren übertragen wird. Diese Ladungsübertragung bewirkt schließlich, dass die geschaltete Kondensatorschaltung 110 eine erste Spannung, die an dem ersten Anschluss 116 der geschalteten Kondensatorschaltung anliegt, in eine zweite Spannung umwandelt, die an dem zweiten Anschluss 118 der geschalteten Kondensatorschaltung verfügbar gemacht wird.
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Leistungswandler der in
1 gezeigten Art sind detailliert beschrieben in
US-Patent Nr. 8,860,396 ,
US-Patent Nr. 8,743,553 ,
US-Patent Nr. 8,723,491 ,
US-Patent Nr. 8,503,203 ,
US-Patent Nr. 8,693,224 ,
US-Patent Nr. 8,724,353 , US-Patent Nr.
8,619,445 , US-Patent Nr.
9,203,299 , US-Patent Nr.
9,742,266 , US-Patent Nr.
9,041,459 , US-Veröffentlichung Nr. 2017/0085172, US-Patent Nr.
9,887,622 , US-Patent Nr.
9,882,471 , PCT-Veröffentlichung Nr.
WO2017161368 , PCT-Veröffentlichung Nr.
WO2017/091696 , PCT-Veröffentlichung Nr.
WO2017/143044 , PCT-Veröffentlichung Nr.
WO2017/160821 , PCT-Veröffentlichung Nr.
WO2017/156532 , PCT-Veröffentlichung Nr.
WO2017/196826 und US-Veröffentlichung Nr.
2017/0244318 , deren Inhalte alle durch Bezug hierin aufgenommen sind.
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Innerhalb der geschalteten Kondensatorschaltung 110 kann eine Vielzahl verschiedener Topologien verwendet werden. Diese beinhalte die Topologien Leiter, Dickson, Reihe-Parallel, Fibonacci, Kaskadenvervielfacher und Doppler.
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Die Spannung an dem zweiten Anschluss 118 der geschalteten Kondensatorschaltung ist gleich wie bei dem Produkt aus der Spannung an ihrem ersten Anschluss 116 und einem Spannungsumwandlungsfaktor. Der Spannungsumwandlungsfaktor ist eine Zahl aus einer Menge, die durch Vereinigung eines ersten Satzes und eines zweiten Satzes gebildet wird. Der erste Satz ist der Satz aller positiven ganzen Zahlen. Der zweite Satz sind die Kehrwerte des Satzes der ganzen Zahlen in dem ersten Satz. Wenn der Spannungsumwandlungsfaktor zu dem ersten Satz gehört, wird der Leistungswandler 100 als ein „Aufwärts“-Leistungswandler bezeichnet. Wenn der Spannungsumwandlungsfaktor zu dem zweiten Satz gehört, wird der Leistungswandler 100 als ein „Abwärts“-Leistungswandler bezeichnet.
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Eine Steuerung 120 stellt Steuersignale bereit, um einen Betrieb des Schaltnetzwerks 114 zu steuern. Um diese Funktionen auszuführen, nutzt die Steuerung 120 einen programmierbaren Prozessor 122 und Konfigurationsdaten 124 und/oder Prozessoranweisungen, die, wenn sie ausgeführt werden, bewirken, dass die Steuerung 120 ihre Aufgabe durchführt.
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Andere Ausführungsformen beinhalten jene, bei denen die Steuerung 120 logische Schaltungen nutzt, und jene, bei denen sie analoge Schaltungen nutzt, um den Betrieb des Schaltnetzwerks 114 zu steuern.
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Da der Spannungsumwandlungsfaktor der geschalteten Kondensatorschaltung 110 aus einem Satz diskreter Werte ausgewählt wird, gibt es viele Spannungen, die die geschaltete Kondensatorschaltung 110 nicht bereitstellen kann. Der Arbeitsbereich eines solchen Wandlers würde daher viele große Lücken aufweisen. Ein Leistungswandler, der nur auf eine geschaltete Kondensatorschaltung 110 vertraut, wird daher nicht in der Lage sein, effizient Spannungen bereitzustellen, die in diese Lücken fallen. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, auch einen Regler bereitzustellen.
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Wie eine geschaltete Kondensatorschaltung 110 wandelt ein Regler eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung um. Im Gegensatz zu einer geschalteten Kondensatorschaltung 110 kann ein Regler jedoch im Prinzip jede Spannung innerhalb eines kontinuierlichen Betriebsspannungsbereichs ausgeben. Dies unterscheidet sich von der geschalteten Kondensatorschaltung 110, die effizient nur eine Spannung ausgeben kann, die durch einen diskreten Satz von Spannungsumwandlungsfaktoren definiert ist. Ein Regler ist also sinnvoll, um diese Lücken füllen zu können.
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Im Fall des ersten Leistungswandlers 100 verbindet ein lastseitiger Regler 130 den zweiten Anschluss 118 der Ladungspumpe mit einer Last 140. Der erste Anschluss 116 der Ladungspumpe ist mit einer Stromquelle 150 verbunden. Es ist diese Leistungsquelle 150, die die Leistung zuführt, die durch den Leistungswandler 100 als Reaktion auf Steuersignale, die von der Steuerung 120 auf einem Steuerpfad 132 bereitgestellt werden, umgewandelt werden soll.
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Zur Unterstützung bei der Entscheidung, welche Steuersignale auf dem Steuerpfad 132 platziert werden sollen, empfängt die Steuerung 120 auch Sensorsignale über einen Sensorpfad 134. Diese Sensorsignale stellen Informationen darüber bereit, wie die geschaltete Kondensatorschaltung 110 betrieben wird. Der Sensorweg 134 erlaubt somit der Steuerung 120, eine Rückkopplungssteuerung durchzuführen.
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Im Fall des zweiten Leistungswandlers 101 verbindet ein versorgungsseitiger Regler 160 den ersten Anschluss 116 der Ladungspumpe mit der Stromquelle 150. Der dritte Leistungswandler 102 beinhaltet sowohl den lastseitigen Regler 130 als auch den quellenseitigen Regler 160.
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In einigen Ausführungsformen ist der Regler 130, 160 eine geschaltete Induktorschaltung. Beispiele beinhalten einen Abwärtswandler, einen Aufwärtswandler, einen Abwärts-Aufwärtswandler, ob nicht invertierend oder nicht, einen Cuk-Wandler, einen SEPIC-Wandler, einen Resonanzwandler, einen Mehrpegelwandler, einen Sperrwandler, einen Vorwärtswandler und einen Vollbrückenwandler. In solchen Ausführungsformen stellt die Steuerung 120 auch Steuersignale zum Steuern des Schalters des Reglers bereit.
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In anderen Ausführungsformen ist der Regler 130, 160 ein passiver Regler. Ein Beispiel für einen passiven Regler ist ein Induktor. Ein weiteres Beispiel für einen passiven Regler ist ein LC-Tank. Solche Ausführungsformen verzichten auf die Notwendigkeit, einen Schalter innerhalb des Reglers 130, 160 zu steuern.
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Ein Regler 130, 160, ob aktiv oder passiv, beinhaltet generell einen Induktor. Bei den Frequenzen von Interesse verhält sich der Induktor wie eine ideale Stromquelle. Aus diesem Grund verwenden einige der Figuren eine ideale Stromquelle IOUT, um den Regler 130, 160 darzustellen. Obwohl die Stromquelle IOUT mit einem Pfeil in einer bestimmten Richtung gezeigt wird, um den Strom darzustellen, soll dies nicht den Wert des Stroms implizieren. Somit kann der Wert des Stroms entweder positiv oder negativ sein. Die ideale Stromquelle IOUT kann als solche abhängig von der Aktivität der geschalteten Kondensatorschaltung 110, mit der der Regler 130, 160 verbunden ist, als Quelle oder Senke von Strom angesehen werden.
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4 zeigt Details einer besonderen geschalteten Kondensatorschaltung 110, die eine Eingangsspannung VIN an ihrem ersten Anschluss 116 erhält und die eine Ausgangsspannung VOUT an ihrem zweiten Anschluss 118 bereitstellt. Die veranschaulichte geschaltete Kondensatorschaltung 110 ist ein zweiphasiger Kaskadenvervielfacher, der einen Spannungswandlungsfaktor von 1/5 aufweist. Als Resultat ist die Ausgangsspannung VOUT ein Fünftel der Eingangsspannung VIN. Eine ideale Stromquelle IOUT stellt der lastseitige Regler 130 dar.
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Der Kondensatorsatz 112 umfasst einen ersten, zweiten, dritten und vierten äußeren Pumpkondensator C1A, C1B, C4A, C4B und einen ersten, zweiten, dritten und vierten inneren Pumpkondensator C2A, C2B, C3A, C4B. Es sind diese Pumpkondensatoren, die an der Spannungsumwandlung beteiligt sind.
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Das Schaltnetz 114 beinhaltet Stapelschalter und Phasenschalter.
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Die Stapelschalter verbinden Anoden der Pumpkondensatoren C1A, C1B, C4A, C4B, C2A, C2B, C3A, C4B entweder mit Anoden benachbarter Pumpkondensatoren oder mit einem der zwei Anschlüsse 116, 118 der geschalteten Kondensatorschaltung 110. In der veranschaulichten Schaltung gibt es zehn solcher Stapelschalter.
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Die Phasenschalter verbinden die Kathoden der Pumpkondensatoren C1A, C1B, C4A, C4B, C2A, C2B, C3A, C4B entweder mit Masse oder mit dem Ausgangsanschluss 118 der geschalteten Kondensatorschaltung 110. In dem veranschaulichten Schaltnetzwerk 114 gibt es vier solcher Phasenschalter.
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Die Stapelschalter und Phasenschalter unterteilen sich in eine erste und eine zweite Schaltergruppe 1, 2, die zusammen als eine Einheit betrieben werden. Die Steuerung 20 bewirkt, dass Schalter in der ersten Schaltergruppe 1 zusammen öffnen und schließen und die Schalter in der zweiten Schaltergruppe 2 zusammen öffnen und schließen. Dadurch bewirkt die Steuerung 20, dass das Schaltnetz 114 die Kondensatoren aus dem Kondensatorsatz 112 miteinander verbindet, um zunächst ein erstes Kondensatornetz 136 zu bilden und später dieselben Kondensatoren zu verwenden, um ein zweites Kondensatornetz 138 zu bilden, wie es in 5 und 6 gezeigt ist.
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Basierend auf der Konfiguration des Schaltnetzwerks 114 geht die geschaltete Kondensatorschaltung 110 zwischen einem ersten, einem zweiten und einem dritten Zustand über, um einen Betriebszyklus abzuschließen.
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In dem ersten Zustand der geschalteten Kondensatorschaltung sind alle Schalter in dem ersten Schaltersatz 1 offen und alle Schalter in dem zweiten Schaltersatz 2 sind geschlossen. Dies bildet ein erstes Kondensatornetzwerk 136, wie es in 5 gezeigt ist.
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In dem zweiten Zustand der geschalteten Kondensatorschaltung sind alle Schalter in dem ersten Schaltersatz 1 geschlossen und alle Schalter in dem zweiten Schaltersatz 2 sind offen. Dies bildet ein zweites Kondensatornetzwerk 138, wie es in 6 gezeigt ist.
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In dem dritten Zustand der geschalteten Kondensatorschaltung sind alle Schalter sowohl in dem ersten als auch in dem zweiten Schaltersatz 1, 2 offen. Der dritte Zustand bildet kein Netzwerk, weil alle Schalter offen sind.
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Die Erwünschtheit des dritten Zustands entsteht, weil es wichtig ist, sicherzustellen, dass Schalter in dem ersten und dem zweiten Schaltersatz 1, 2 niemals gleichzeitig in einem geschlossenen Zustand sind. Da diese Schalter unter Verwendung von Transistoren implementiert sind, muss berücksichtigt werden, dass nicht genau gesteuert werden kann, wann ein Transistor tatsächlich zwischen einem leitenden und einem nicht leitenden Zustand übergeht. Indem es einen dritten Zustand gibt, in dem alle Schalter offen sind, ist es möglich, die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren, dass Schalter aus dem ersten und dem zweiten Schaltersatz 1, 2 gleichzeitig geschlossen sind.
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In einem Betriebszyklus öffnet und schließt die Steuerung 120 Schalter in dem Schaltnetzwerk 114, um zu bewirken, dass die geschaltete Kondensatorschaltung 110 von dem ersten Zustand in den dritten Zustand, von dem dritten Zustand in den zweiten Zustand, von dem zweiten Zustand in den dritten Zustand und dann von dem dritten Zustand zurück in den ersten Zustand übergeht. Als Resultat weist jeder Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand einen dazwischenliegenden dritten Zustand auf. Die in diesem dritten Zustand verbrachte Zeit ist die „Totzeit“. Um unnötige Komplexität zu vermeiden, wird in der weiteren Erörterung angenommen, dass die geschaltete Kondensatorschaltung 110 zwischen ihrem ersten und zweiten Zustand direkt übergeht.
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Jedes von dem ersten und dem zweiten Kondensatornetzwerk 136, 138, die während des ersten und des zweiten Zustands gebildet werden, weist eine Vielzahl von Ladungsübertragungspfaden 152, 154 auf, die hierin einfach als „Pfade“ bezeichnet werden. Jeder dieser Pfade 152, 154 führt einen Strom, der letztendlich zu dem Ausgangsstrom IOUT beiträgt. Die gezeigte besondere Ausführungsform beinhaltet Pfade niedriger Kapazität 152 und Pfade hoher Kapazität 154. Der erste und der fünfte Pfad sind Pfade hoher Kapazität 152. Die verbleibenden Pfade sind Pfade niedriger Kapazität 154. Als Resultat sind die Ströme durch diese Pfade 152, 154 nicht gleich.
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Während des ersten Zustands sammelt mindestens einer der gezeigten Kondensatoren eine erste Menge an Ladung. Während des zweiten Zustands verliert dieser Kondensator eine zweite Menge an Ladung, die er zuvor akkumuliert hat. Wenn die erste und die zweite Menge gleich sind, wird der Kondensator als „ladungsausgeglichen“ bezeichnet. Andernfalls wird der Kondensator als „ladungsunausgeglichen“ bezeichnet.
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Bei einem Vergleich von 5 und 6 wird deutlich, dass es möglich ist, dass ein Kondensator, der den ersten Zustand in dem Pfad hoher Kapazität 154 verbringt, den zweiten Zustand in einem Pfad niedriger Kapazität 152 verbringt.
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Wie es beispielsweise in 5 und 6 gezeigt ist, verbringt der erste äußere Pumpkondensator C1A den ersten Zustand in einem Pfad hoher Kapazität 154 und verbringt den zweiten Zustand in einem Pfad niedriger Kapazität 152. Daher wird der erste äußere Pumpkondensator C1A unterschiedliche Ladungs- und Entladungsströme aufweisen. Als Resultat neigt der erste äußere Pumpkondensator C1A dazu, unausgeglichen zu werden.
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Ein Kondensator, der während eines Zustands unausgeglichen wird, hat die Möglichkeit, dies in dem nächsten Zustand zu korrigieren. Dies geht jedoch zu Lasten der Effizienz. Um den Grund dafür zu erkennen, ist es nützlich, die Wechselwirkung zwischen Kondensatoren zu betrachten.
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Angenommen beispielsweise, dass am Ende eines ersten Zustands ein erster Kondensator unausgeglichen ist. In dem zweiten Zustand ist es möglich, dass ein Schalter die Anode des ersten Kondensators mit der Anode eines zweiten Kondensators verbindet. Wenn die zwei Anoden auf unterschiedlichen Spannungen sind, fließt ein Ausgleichsstrom durch den Schalter zwischen dem ersten und dem zweiten Kondensator.
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Obwohl dieses Verfahren das Ungleichgewicht korrigiert, ist es mit Kosten verbunden. Da die zwei Anoden effektiv miteinander kurzgeschlossen sein würden, kann dieser Neuausgleichsstrom ziemlich groß sein. Dies führt zu großen ohmschen Verlusten. Der ohmsche Verlust, der aus dem Neuausgleich oder der Umverteilung der Ladung entsteht, wird hierin als „Umverteilungsverlust“ bezeichnet.
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Dies ist in 6 zu sehen, in der die Anode des ersten äußeren Pumpkondensators C1A mit der Anode des ersten inneren Pumpkondensators C2A kurzgeschlossen ist. In dem Maße, in dem zwischen den zwei beteiligten Anoden eine Spannungsdifferenz besteht, fließt ein großer Ausgleichsstrom zwischen diesen.
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Eine Möglichkeit, den Ausgleichsstrom zu unterdrücken, besteht darin, sicherzustellen, dass zwei beliebige Anoden, die miteinander verbunden werden sollen, bereits die gleiche Spannung aufweisen, wenn die Zeit kommt, sie miteinander zu verbinden. Dadurch wird sichergestellt, dass beim Verbinden der zwei Anoden kein Ausgleichsstrom zwischen diesen fließt.
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Wenn zum Beispiel im Fall von 6 die Anode des ersten äußeren Pumpkondensators auf derselben Spannung wie die Anode des ersten inneren Pumpkondensators ist, dann löst ein Verbinden der zwei Anoden keinen Fluss des Ausgleichsstroms aus.
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Die Ladungsmenge, die während eines bestimmten Zustands in einen Kondensator eintritt oder diesen verlässt, ist das Integral des Stroms über den Verlauf dieses Zustands. Um sicherzustellen, dass ein Kondensator im Lauf eines Zyklus gleiche Ladungsmengen gewinnt und verliert, ist es daher wichtig, dass das Integral des Stroms für diesen Kondensator sowohl während des ersten als auch des zweiten Zeitintervalls gleich ist. 7 zeigt eine geschaltete Kondensatorschaltung 110 ähnlich wie die in 5 gezeigte, jedoch modifiziert, um genau diese Bedingung zu erreichen, wodurch das Risiko eines Ladungsungleichgewichts zwischen den Kondensatoren reduziert wird.
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Wie in 7 gezeigt ist, beinhaltet der Kondensatorsatz 112 zwei verschiedene Arten von Kondensatoren. Wie es in 5 der Fall war, beinhaltet der Kondensatorsatz 112 einen ersten, zweiten, dritten und vierten äußeren Pumpkondensator C1A, C1B, C4A, C4B und einen ersten, zweiten, dritten und vierten inneren Pumpkondensator C2A, C2B, C3A, C4B. Der Kondensatorsatz 112 beinhaltet jedoch auch einen ersten und einen zweiten Ausgleichskondensator CR1, CR4.
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Die Kapazitäten dieses ersten und dieses zweiten Ausgleichskondensators CR1, CR4 sind so gewählt, dass alle Pfade 152, 154 in dem ersten und dem zweiten Zustand die gleiche Kapazität aufweisen. Für den Fall, dass alle Pumpkondensatoren C1A, C1B, C4A, C4B, C2A, C2B, C3A, C4B die gleiche Kapazität aufweisen, weisen der erste und der zweite Ausgleichskondensator CR1, CR4 die gleiche Kapazität wie die Pumpkondensatoren C1A, C1B, C4A, C4B, C2A, C2B, C3A, C4B auf.
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Zusätzlich zu den zehn Stapelschaltern und den vier Phasenschaltern beinhaltet das Schaltnetzwerk 114 auch einen ersten und einen zweiten Ausgleichsschalter 156, 158. Der erste Ausgleichsschalter 156 ist Teil des ersten Schaltersatzes 1. Der zwei Ausgleichsschalter 158 ist Teil des zweiten Schaltersatzes 2.
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Das Vorhandensein der Ausgleichskondensatoren CR1, CR4 resultiert in dem ersten und dem zweiten Kondensatornetzwerk 136, 138, die in 8 und 9 gezeigt sind.
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Wie es in 5 und 6 der Fall war, weisen das erste und das zweite Kondensatornetzwerk 136, 138 vielfache Pfade auf. Im Gegensatz zu diesen Kondensatornetzwerken, die eine Mischung aus Pfaden hoher und niedriger Kapazität 154, 152 aufwiesen, weisen das in 7 und 8 gezeigte erste und das zweite Kondensatornetzwerk 136, 138 nur Pfade hoher Kapazität 154 auf. Dies verringert die Wahrscheinlichkeit, zwei Anoden mit ungleicher Spannung zu verbinden, und verringert somit die Wahrscheinlichkeit eines Neuausgleichsverlusts.
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Die Ausgleichskondensatoren CR1, CR2 sind nicht an der Spannungsumwandlung beteiligt. Als solche müssen sie keine großen Ladungsmengen speichern. Ihre einzige Rolle besteht darin, eine Ausgleichskapazität bereitzustellen. Dies befreit sie von Gestaltungsbeschränkungen, die mit den Pumpkondensatoren C1A, C1B, C4A, C4B, C2A, C2B, C3A, C4B assoziiert sind.
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Für eine gegebene Permittivität zwischen den Platten hängt die Kapazität eines Kondensators mit parallelen Platten von der Fläche der Platten und dem Abstand dazwischen ab. Somit kann eine große Kapazität erreicht werden, indem es große Platten gibt, die weit voneinander entfernt sind, oder kleine Platten, die nahe beieinander sind.
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Wenn die Platten groß sind, verbrauchen sie viel Fläche auf einer integrierten Schaltung. Da die Herstellungskosten einer Schaltung von ihrer Gesamtfläche abhängen, resultiert das Vorhandensein großer Platten in einer teureren Schaltung.
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Wenn andererseits die Platten kleiner gemacht werden und auch der Abstand zwischen den Platten kleiner gemacht wird, um die gleiche Kapazität zu erreichen, dann wird für eine gegebene auf der Platte gespeicherte Ladungsmenge die Oberflächenladungsdichte größer sein. Dadurch wird das elektrische Feld zwischen den Platten intensiver. Dieses hohe elektrische Feld erzeugt zusammen mit dem kleineren Spalt zwischen den Platten das Risiko eines dielektrischen Durchschlags und einer Lichtbogenbildung über das Dielektrikum.
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Die Pumpkondensatoren 112 sollen große Ladungsmengen speichern und auch eine hohe DC-Vorspannung aufrechterhalten. Als solche sind sie typischerweise ziemlich groß, sodass die gespeicherte Ladung über eine größere Fläche verteilt werden kann. Tatsächlich sind die Pumpkondensatoren 112 in einigen Implementierungen groß genug, dass es praktischer ist, sie als konzentrierte Schaltungselemente bereitzustellen, anstatt Teil einer integrierten Schaltung zu sein.
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Dies gilt jedoch nicht für die Ausgleichskondensatoren CR1, CR4. Diese sind nur vorhanden, um einen Kapazitätswert bereitzustellen. Im Betrieb speichern sie nur eine symbolische Ladungsmenge. Die Ausgleichskondensatoren CR1, CR4 müssen auch keine DC-Vorspannung aufrechterhalten. Als solche können die Ausgleichskondensatoren CR1, CR4 ziemlich klein gefertigt werden. Dies bedeutet, dass sie die Herstellungskosten der Schaltung nicht wesentlich erhöhen.
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Im Betrieb weist ein offener Stapelschalter oft eine hohe Spannung an seinen Anschlüssen auf. Daher muss es verhindern, dass Strom fließt, selbst wenn eine hohe Spannung diesen Strom zum Fließen zwingt. Dies erfordert bestimmte Gestaltungskompromisse, die in einem physisch großen Schalter resultieren, der eine beträchtliche Fläche auf einer integrierten Schaltung verbraucht.
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Die Ausgleichsschalter 156, 158 vermeiden diese Gestaltungskompromisse. Im Betrieb weist ein Ausgleichsschalter 156, 158 nur eine geringe Spannungswelligkeit an seinen Anschlüssen auf. Dies bedeutet, dass die Ausgleichsschalter 156, 158 physisch kleiner gemacht werden können als die Stapelschalter 114.
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Generell ist es zur Förderung einer effizienten Leistungswandlung für den Leistungswandler 100, 101, 102 nützlich, so viel Strom wie möglich durch einen Induktor zu leiten. Da ein Induktor dazu neigt, Stromänderungen zu widerstehen, unterdrückt dies Stromtransienten, die zu Verlust beitragen. In einem 100 % adiabatischen Leistungswandler 100, 101, 102 fließt der gesamte Strom durch einen Induktor.
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Der usgleichsstrom fließt direkt zwischen Pumpkondensatoren. Als solcher fließt er nicht durch einen Induktor. Soweit ein Ausgleichsstrom vorhanden ist, verringert er das Ausmaß, in dem ein Leistungswandler 100, 101, 102 adiabat ist. Die Unterdrückung eines Neuausgleichsstroms durch die Verwendung der Ausgleichskondensatoren CR1, CR4 fördert somit den adiabatischen Betrieb des Leistungswandlers 100, 101, 102 als Ganzes.
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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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- US 16/588060 [0001]
- US 8860396 [0024]
- US 8743553 [0024]
- US 8723491 [0024]
- US 8503203 [0024]
- US 8693224 [0024]
- US 8724353 [0024]
- US 8619445 [0024]
- US 9203299 [0024]
- US 9742266 [0024]
- US 9041459 [0024]
- US 9887622 [0024]
- US 9882471 [0024]
- WO 2017161368 [0024]
- WO 2017/091696 [0024]
- WO 2017/143044 [0024]
- WO 2017/160821 [0024]
- WO 2017/156532 [0024]
- WO 2017/196826 [0024]
- US 2017/0244318 [0024]
