DE112021006753T5

DE112021006753T5 - Zweistufiger Spannungswandler für Betrieb mit hohem Wirkungsgrad

Info

Publication number: DE112021006753T5
Application number: DE112021006753.2T
Authority: DE
Inventors: Cory Brent Arnold; Justin Michael Burkhart
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2021-01-04
Filing date: 2021-12-29
Publication date: 2023-10-19
Also published as: WO2022147119A1; CN116686198A; US20240055989A1

Abstract

Ein Spannungswandler enthält: einen ersten und einen zweiten Schalter mit einer ersten Nennspannung, wobei der erste Schalter zwischen einer Eingangsspannung und einem ersten Knoten angeschlossen ist und der zweite Schalter zwischen dem ersten Knoten und einem Potential angeschlossen ist; einen Überbrückungsschalter, angeschlossen zwischen der Eingangsspannung und einem zweiten Knoten; eine erste Induktivität, angeschlossen zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten; einen ersten Kondensator, angeschlossen zwischen dem zweiten Knoten und dem Potential; einen dritten und einen vierten Schalter mit einer zweiten Nennspannung, die niedriger ist als die erste Nennspannung, wobei der dritte Schalter zwischen dem zweiten Knoten und einem dritten Knoten angeschlossen ist und der vierte Schalter zwischen dem dritten Knoten und dem Potential angeschlossen ist; und ein Schaltersteuermodul, ausgelegt, als Reaktion darauf, dass die Eingangsspannung größer wird als eine vorgegebene Spannung: den ersten und den zweiten Schalter zu schalten und die Spannung am zweiten Knoten hin zu einer Sollspannung zu justieren.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldungen
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Patentanmeldung Nr. 63/133,640 , eingereicht am 4. Januar 2021. Die gesamte Offenbarung der oben angeführten Anmeldung ist hier durch Bezugnahme aufgenommen.
Gebiet
Die vorliegende Offenbarung betrifft Spannungswandler und insbesondere Abwärts-Spannungswandler.
Hintergrund
Die hier vorgesehene Beschreibung des Hintergrunds dient dem Zweck, allgemein den Kontext der Offenbarung darzustellen. Die Arbeit der vorliegend genannten Erfinder, in dem Ausmaß, in dem sie in diesem Hintergrundabschnitt beschrieben ist, sowie Aspekte der Beschreibung, die bei der Einreichung nicht anderweitig als Stand der Technik gelten können, sind weder ausdrücklich noch implizit als Stand der Technik gegenüber der vorliegenden Offenbarung zugelassen.
Fahrzeuge enthalten verschiedene Bestandteile. Zum Beispiel enthalten einige Fahrzeuge einen Verbrennungsmotor, der Luft und Treibstoff verbrennt, um Antriebsdrehmoment für Vortrieb zu erzeugen. Eine Lichtmaschine wandelt mechanische Energie aus der Rotation des Verbrennungsmotors in elektrische Energie zur Verwendung durch das Fahrzeug um. Zum Beispiel kann elektrische Energie von der Lichtmaschine zum Wiederaufladen einer Batterie verwendet werden. Zusätzlich oder alternativ kann elektrische Energie von der Lichtmaschine verwendet werden, um verschiedenes Fahrzeug-Zubehör zu versorgen, wie etwa Beleuchtung usw.
Unter einigen Umständen kann die Batterie des Fahrzeugs von der Lichtmaschine elektrisch getrennt werden. Zum Beispiel kann die Batterie des Fahrzeugs von der Lichtmaschine elektrisch getrennt werden, wenn das Fahrzeug mit einem anderen Objekt zusammenstößt, wie etwa einem Fahrzeug, einer Mittelleitplanke, einer Absperrung usw.
Zusammenfassung
In einem Merkmal enthält ein Spannungswandler: einen ersten und einen zweiten Schalter mit einer ersten Nennspannung, wobei der erste Schalter zwischen einer Eingangsspannung und einem ersten Knoten angeschlossen ist und der zweite Schalter zwischen dem ersten Knoten und einem Potential angeschlossen ist; einen Überbrückungsschalter, angeschlossen zwischen der Eingangsspannung und einem zweiten Knoten; eine erste Induktivität, angeschlossen zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten; einen ersten Kondensator, angeschlossen zwischen dem zweiten Knoten und dem Potential; einen dritten und einen vierten Schalter mit einer zweiten Nennspannung, die niedriger ist als die erste Nennspannung, wobei der dritte Schalter zwischen dem zweiten Knoten und einem dritten Knoten angeschlossen ist und der vierte Schalter zwischen dem dritten Knoten und dem Potential angeschlossen ist; und ein Schaltersteuermodul, ausgelegt, als Reaktion darauf, dass die Eingangsspannung größer wird als eine vorgegebene Spannung: den Überbrückungsschalter zu öffnen; und den ersten und den zweiten Schalter komplementär zu schalten, um die Spannung am zweiten Knoten hin zu einer Sollspannung zu regeln.
In weiteren Merkmalen enthält der Spannungswandler ferner einen zweiten Kondensator und eine zweite Induktivität, wobei: die zweite Induktivität zwischen dem dritten Knoten und einem Ausgangsknoten angeschlossen ist; und der zweite Kondensator zwischen dem Ausgangsknoten und dem Potential angeschlossen ist.
In weiteren Merkmalen ist die vorgegebene Spannung entweder höher als die oder gleich der Sollspannung.
In weiteren Merkmalen ist die vorgegebene Spannung niedriger als die zweite Nennspannung des dritten und des vierten Schalters.
In weiteren Merkmalen ist das Schaltersteuermodul ausgelegt, den ersten und den zweiten Schalter bei einer Frequenz von mindestens 2 Megahertz komplementär zu schalten.
In weiteren Merkmalen ist das Schaltersteuermodul ausgelegt, den ersten und den zweiten Schalter bei einer Frequenz komplementär zu schalten, die niedriger als oder gleich 8 Megahertz ist.
In weiteren Merkmalen ist das Schaltersteuermodul ausgelegt, wenn die Eingangsspannung niedriger ist als die vorgegebene Spannung, den ersten und den zweiten Schalter zu öffnen und den Überbrückungsschalter zu schließen.
In weiteren Merkmalen ist das Schaltersteuermodul ferner ausgelegt, den dritten und den vierten Schalter auf Grundlage eines Justierens einer Spannung an einem Ausgangsknoten hin zu einer oder auf eine Sollspannung komplementär zu schalten.
In weiteren Merkmalen ist das Schaltersteuermodul ferner ausgelegt, den dritten und den vierten Schalter auf Grundlage eines Justierens der Spannung an dem Ausgangsknoten hin zu der oder auf die Sollspannung komplementär zu schalten, während es den ersten und den zweiten Schalter komplementär schaltet.
In weiteren Merkmalen ist die Sollspannung niedriger als die zweite Nennspannung.
In weiteren Merkmalen liegt die Sollspannung zwischen 1 und 9 Volt, einschließlich.
In weiteren Merkmalen beträgt die erste Nennspannung mindestens 30 Volt und beträgt die zweite Nennspannung mindestens 12 Volt.
In weiteren Merkmalen ist die erste Nennspannung höher als die Sollspannung am zweiten Knoten.
In weiteren Merkmalen ist die zweite Nennspannung höher als die Sollspannung am zweiten Knoten.
In weiteren Merkmalen sind der erste, der zweite, der dritte und der vierte Schalter Feldeffekttransistoren (FETs).
In weiteren Merkmalen enthält der Spannungswandler ferner einen zwischen dem dritten Knoten und einem fünften Knoten angeschlossenen Kondensator, wobei der vierte Schalter zwischen dem fünften Knoten und dem Potential angeschlossen ist.
In weiteren Merkmalen enthält der Spannungswandler ferner: einen fünften Schalter, angeschlossen zwischen dem dritten Knoten und einem Ausgangsknoten; und einen sechsten Schalter, angeschlossen zwischen dem fünften Knoten und dem Ausgangsknoten.
In weiteren Merkmalen enthält der Spannungswandler ferner einen Ausgangskondensator, angeschlossen zwischen dem Ausgangsknoten und dem Potential.
In weiteren Merkmalen weisen der fünfte und der sechste Schalter die zweite Nennspannung auf, die niedriger ist als die erste Nennspannung.
In weiteren Merkmalen ist das Schaltersteuermodul ausgelegt: den dritten und den sechsten Schalter zu öffnen, während der vierte und der fünfte Schalter geschlossen sind; und den vierten und den fünften Schalter zu öffnen, während der dritte und der sechste Schalter geschlossen sind.
Weitere Gebiete der Anwendbarkeit der vorliegenden Offenbarung werden aus der genauen Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung offensichtlich. Die genaue Beschreibung und spezifische Beispiele sind nur zu Zwecken der Erläuterung bestimmt und sollen nicht den Umfang der Offenbarung einschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Die vorliegende Offenbarung wird vollständiger aus der genauen Beschreibung und der begleitenden Zeichnung verstanden, wobei:

1 ein Funktions-Blockschaltbild eines beispielhaften Spannungssteuerungssystems eines Fahrzeugs ist;
2 ein Schaltbild einer beispielhaften Umsetzung eines Spannungswandlers enthält;
3 ein Schaltbild einer beispielhaften Umsetzung eines Spannungswandlers mit einer einzigen Stufe ist;
4 eine Kurve des Wirkungsgrads über dem Laststrom ist;
5 eine Kurve der Verlustleistung über dem Laststrom ist;
6 ein Flussdiagramm ist, das ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern des Spannungswandlers darstellt; und
7 ein Schaltbild einer beispielhaften Umsetzung eines Spannungswandlers enthält.

In der Zeichnung können Bezugsnummern wiederverwendet sein, um ähnliche und/oder identische Elemente zu kennzeichnen.
Genaue Beschreibung
Ein Spannungswandler wandelt eine Eingangsspannung in eine Soll-Ausgangsspannung um. Zum Beispiel erzeugt ein Abwärts-Spannungswandler eine Ausgangsspannung aus der Eingangsspannung, die niedriger ist als die Ausgangsspannung. Ein Aufwärts-Spannungswandler erzeugt eine Ausgangsspannung aus der Eingangsspannung, die höher ist als die Ausgangsspannung.
Der Spannungswandler könnte eine einzelne Stufe von Schaltern enthalten, die Nennspannungen aufweisen, die ausreichend sind, um eine vorübergehende Erhöhung der Eingangsspannung zu überleben. Zum Beispiel könnte der Spannungswandler in verschiedenen Umsetzungen, wie etwa in Fahrzeug-Umsetzungen, Schalter enthalten, die Nennspannungen von 36 Volt Gleichspannung aufweisen. Einstufige Spannungswandler können jedoch einen verringerten Wirkungsgrad gegenüber zweistufigen Spannungswandlern aufweisen.
Die vorliegende Anmeldung befasst sich mit einem zweistufigen Spannungswandler. Eine erste Stufe enthält erste Schalter mit einer ersten Nennspannung, und eine zweite Stufe enthält Schalter mit zweiten Nennspannungen, die niedriger sind als die ersten Nennspannungen. Die ersten Schalter (und die erste Nennspannung) sind ausreichend, um eine maximale Erhöhung einer Eingangsspannung zu überleben. Falls die Eingangsspannung höher wird als eine vorgegebene Spannung, schaltet ein Schaltersteuermodul die ersten Schalter, um eine in die zweite Stufe eingegebene Spannung auf einen Sollwert zu verringern, der niedriger ist als die zweite Nennspannung der Schalter der zweiten Stufe. Das Schaltersteuermodul schaltet die zweiten Schalter, um eine Soll-Ausgangsspannung zu erzielen. Der zweistufige Spannungswandler ist elektrisch effizienter als ein einstufiger Spannungswandler.
1 ist ein Funktions-Blockschaltbild eines beispielhaften Spannungssteuerungssystems eines Fahrzeugs. Während das Beispiel des in einem Fahrzeug eingesetzten Spannungssteuerungssystems vorgesehen ist, ist die vorliegende Anmeldung auch bei anderen Anwendungen als Fahrzeugen anwendbar, wie etwa gewerblichen Anwendungen.
Eine Lichtmaschine 104 wandelt mechanische Energie (z.B. Rotation einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors) in elektrische Energie um, wie etwa zum Laden einer Batterie 108. Die Batterie 108 kann beispielsweise eine 12-Volt-Gleichstrombatterie oder eine Batterie mit einer anderen geeigneten Nennspannung sein.
Ein Filter gegen elektromagnetische Störungen (EMV-Filter) 112 führt eine EMV-Filterung eines Ausgangs der Batterie 108 durch. Ein Überspannungsbegrenzer 116 beschränkt die Spannung zu einem Verpolungsschutz 120 auf eine vorgegebene Maximalspannung, wie etwa ungefähr 35-42 Volt Gleichspannung oder eine andere geeignete Maximalspannung. Der Verpolungsschutz 120 schützt vor falschem (verpoltem) Anschluss an Klemmen der Batterie 108. Zum Beispiel kann der Verpolungsschutz 120 (elektrisch) öffnen, wenn die Batterie 108 falsch angeschlossen wird.
Ein Spannungswandler 124 ist an einen Ausgang des Verpolungsschutzes 120 angeschlossen und empfängt eine Eingangsspannung (Vin), wie etwa von dem Verpolungsschutz 120. Der Spannungswandler 124 erzeugt eine Ausgangsspannung (Vout) aus der Eingangsspannung unter Verwendung einer Spannungswandlung. Zum Beispiel ist die Ausgangsspannung niedriger als die Eingangsspannung in dem Beispiel des Spannungswandlers 124, der einen Abwärts-Spannungswandler enthält, oder höher als die Eingangsspannung in dem Beispiel des Spannungswandlers 124, der einen Aufwärts-Spannungswandler enthält. Ein oder mehrere elektrische Bestandteile 128, wie etwa Fahrzeugzubehör, Beleuchtung usw. arbeiten unter Verwendung der Ausgangsspannung des Spannungswandlers 124.
Der Spannungswandler 124 enthält eine erste Stufe, die einen ersten und einen zweiten Schalter enthält, die eine erste Nennspannung aufweisen. Der Spannungswandler 124 enthält auch eine zweite Stufe, die einen dritten und einen vierten Schalter mit einer zweiten Nennspannung enthält, die niedriger ist als die erste Nennspannung.
Ein Schaltersteuermodul 132 steuert ein Schalten der Schalter des Spannungswandlers 124. Das Schaltersteuermodul 132 schaltet den dritten und den vierten Schalter, um die Ausgangsspannung aus der Eingangsspannung zu erzeugen. Das Schaltersteuermodul 132 schaltet den ersten und den zweiten Schalter, um die Eingangsspannung zu einem Potential, wie etwa einem Massepotential, zu entladen, wenn beispielsweise die Eingangsspannung größer ist als eine vorgegebene Lastabwurfspannung, wie etwa wenn die Batterie 108 von der Lichtmaschine 104 getrennt wird, oder wenn ein oder mehrere andere Lastabwurfereignisse auftreten. Anders ausgedrückt, wenn die Eingangsspannung größer wird als eine vorgegebene Lastabwurfspannung, schaltet das Schaltersteuermodul 132 den ersten und den zweiten Schalter so, dass eine in die zweite Stufe eingegebene Spannung auf einen Sollwert verringert wird, der niedriger ist als die Nennspannung des dritten und des vierten Schalters. Die vorgegebene Lastabwurfspannung ist höher als die zweite Nennspannung des dritten und des vierten Schalters.
2 enthält ein Schaltbild einer beispielhaften Umsetzung des Spannungswandlers 124. Der Spannungswandler 124 enthält eine erste Stufe 204 und eine zweite Stufe 208. Die erste Stufe 204 enthält einen ersten Schalter 212 und einen zweiten Schalter 216. Der erste Schalter 212 und der zweite Schalter 216 weisen eine erste Nennspannung auf. Die erste Nennspannung kann beispielsweise ungefähr 36 Volt Gleichspannung oder eine andere geeignete Spannung sein, die größer ist als die Nennspannung der Batterie 108. Hier beschriebene Nennspannungen können als Spannung zwischen dem Eingangs- und Ausgangsanschlüssen (z.B. Source- und Drain-Anschlüssen) eines Schalters ausgedrückt sein. „Ungefähr“ kann +/-10 % bedeuten. Der erste und der zweite Schalter 212 und 216 sind so bemessen, dass sie groß genug sind, damit es ausreicht, ein Automobil-Lastabwurfereignis zu überleben.
Der erste Schalter 212 ist zwischen einem Knoten, der die Eingangsspannung (Vin) empfängt, und einem ersten Knoten 220 angeschlossen. Der zweite Schalter 216 ist zwischen dem ersten Knoten 220 und einem Massepotential angeschlossen. Während das Beispiel eines Massepotentials vorgesehen ist, ist die vorliegende Anmeldung auch auf positive und negative Potentiale anwendbar.
Die erste Stufe 204 enthält auch einen Überbrückungsschalter 224, eine erste Induktivität 228 und einen ersten Kondensator 232. Der Überbrückungsschalter 224 ist zwischen dem Knoten, der die Eingangsspannung (Vin) empfängt, und einem zweiten Knoten 236 angeschlossen. Die erste Induktivität 228 ist zwischen dem erste Knoten 220 und dem zweiten Knoten 236 angeschlossen. Der erste Kondensator 232 ist zwischen dem zweiten Knoten 236 und dem Massepotential angeschlossen.
Die zweite Stufe 208 enthält einen dritten Schalter 240 und einen vierten Schalter 244. Der dritte und der vierte Schalter 240 und 244 weisen eine zweite Nennspannung auf, die niedriger ist als die erste Nennspannung. Nur als Beispiel können in dem Beispiel des ersten und des zweiten Schalters 212 und 216 mit einer ersten Nennspannung von ungefähr 36 Volt Gleichspannung der dritte und der vierte Schalter 240 und 244 eine Nennspannung von ungefähr 18 Volt Gleichspannung oder eine andere geeignete Nennspannung aufweisen. Die zweite Nennspannung ist höher als die Eingangsspannung (Vin) unter normalen Betriebsbedingungen.
Während Beispiele der ersten und der zweiten Stufe 204 und 208 vorgesehen sind, können ein oder mehrere Bauteile anders angeordnet sein.
Der dritte Schalter 240 ist zwischen dem zweiten Knoten 236 und einem dritten Knoten 248 angeschlossen. Der vierte Schalter 244 ist zwischen dem dritten Knoten 248 und dem Massepotential angeschlossen.
Die zweite Stufe 208 enthält auch eine zweite Induktivität 252 und einen zweiten Kondensator 256. Die zweite Induktivität 252 ist zwischen dem dritten Knoten 248 und einem Ausgangsknoten 260 angeschlossen. Die Ausgangsspannung (Vout) wird über den Ausgangsknoten 260 ausgegeben. Der zweite Kondensator 256 ist zwischen dem Ausgangsknoten 260 und dem Massepotential angeschlossen.
Der erste, der zweite, der dritte, der vierte Schalter und der Überbrückungsschalter 212, 216, 240, 244 und 224 können Feldeffekttransistoren (FETs) oder eine andere geeignete Art von Schaltern sein.
Das Schaltersteuermodul 132 steuert das Schalten des ersten, des zweiten, des dritten, des vierten Schalters und des Überbrückungsschalters 212, 216, 240, 244 und 224. Während des normalen Betriebs hält das Schaltersteuermodul 132 den ersten und den zweiten Schalter 212 und 216 offen und schließt den Überbrückungsschalter 224. Dies verbindet die Eingangsspannung (Vin) mit dem zweiten Knoten 236. Das Schaltersteuermodul 132 steuert ein Schalten des dritten und des vierten Schalters 240 und 244, um die Ausgangsspannung (Vout) am Ausgangsknoten 260 auf eine Soll-Ausgangsspannung zu justieren. Die Soll-Ausgangsspannung kann ein fester vorgegebener Wert sein oder kann variabel sein. Die Soll-Ausgangsspannung kann beispielsweise ungefähr 1-9 Volt Gleichspannung oder eine andere geeignete Soll-Ausgangsspannung sein. Beispiele von Soll-Ausgangsspannungen umfassen 1,2 Volt Gleichspannung, 3,3 Volt Gleichspannung, 5 Volt Gleichspannung usw.
Das Schaltersteuermodul 132 schaltet den dritten und den vierten Schalter 240 und 244 komplementär. Wie es hier benutzt ist, kann ein komplementäres Schalten von zwei Schaltern bedeuten: ein Schließen eines der beiden Schalter, während der andere der beiden Schalter geöffnet wird, und umgekehrt. Die beiden Schalter sind nicht zur selben Zeit geschlossen. Jedoch können die beiden Schalter beide über einen vorgegebenen Zeitraum (z.B. einen Totzeitraum) offen sein, bevor einer der Schalter geschlossen wird.
Die Ausgangsspannung erhöht sich, wenn der dritte Schalter 240 geschlossen ist und der vierte Schalter 244 offen ist. Die Ausgangsspannung verringert sich, wenn der dritte Schalter 240 offen ist und der vierte Schalter 244 geschlossen ist.
Es kann gesagt werden, dass ein Lastabwurfereignis eintritt, wenn die Eingangsspannung (Vin) größer ist als die vorgegebene Lastabwurfspannung (die auch als ein Lastabwurfspannungs-Schutzschwellenwert bezeichnet sein kann), die größer ist als die erste vorgegebene Spannung für normale Betriebsbedingungen (z.B. 12 Volt Gleichspannung). Die vorgegebene Lastabwurfspannung kann beispielsweise ungefähr 15 Volt Gleichspannung oder eine andere geeignete Spannung betragen. Die vorgegebene Lastabwurfspannung kann niedriger als, gleich oder größer als die zweite Nennspannung des dritten und des vierten Schalters 240 und 244 sein.
Wenn die Eingangsspannung größer ist als die vorgegebene Lastabwurfspannung, öffnet das Schaltersteuermodul den Überbrückungsschalter 224 und schaltet den ersten und den zweiten Schalter 212 und 216 komplementär, um die Spannung am zweiten Knoten 236 auf eine zweite Sollspannung zu regeln und auf den dritten und den vierten Schalter 240 und 244 einzugeben. Bei dem komplementären Schalten ist, wenn einer aus dem ersten und dem zweiten Schalter 212 und 216 geschlossen ist, der andere aus dem ersten und dem zweiten Schalter 212 und 216 offen, und umgekehrt. Der erste und der zweite Schalter 212 und 216 sind nicht beide zur selben Zeit geschlossen. Jedoch kann das Schaltersteuermodul 132 den ersten und den zweiten Schalter 212 und 216 so schalten, dass beide aus dem ersten und dem zweiten Schalter 212 und 216 zur selben Zeit offen sind, wie etwa über einen Totzeitraum, bevor es einen aus dem ersten und dem zweiten Schalter 212 und 216 schließt.
Die zweite Nennspannung ist niedriger ist als die erste Nennspannung des ersten und des zweiten Schalters 212 und 216. Die zweite Nennspannung kann auch niedriger sein als die zweite Nennspannung des dritten und des vierten Schalters 240 und 244. Die Spannung am zweiten Knoten 236 erhöht sich, wenn der erste Schalter 212 geschlossen ist und der zweite Schalter 216 offen ist. Die Spannung am zweiten Knoten 236 verringert sich, wenn der erste Schalter 212 offen ist und der zweite Schalter 216 geschlossen ist. Das Schaltersteuermodul 132 kann weiter den dritten und den vierten Schalter 240 und 244 komplementär schalten, um die Ausgangsspannung hin zu der oder auf die Soll-Ausgangsspannung zu justieren, während es den ersten und den zweiten Schalter 212 und 216 komplementär schaltet.
Das Schaltersteuermodul 132 kann den ersten und den zweiten Schalter 212 bei einer vorgegebenen Schaltfrequenz schalten (schließen). Die vorgegebene Frequenz kann beispielsweise zwischen 2 Megahertz (MHz) und 8 MHz liegen oder eine andere geeignete Frequenz sein. Wenn die vorgegebene Frequenz zwischen 2 und 8 MHz liegt, kann dies Störungen bei Fahrzeuganwendungen minimieren oder verhindern. Die vorgegebene Schaltfrequenz des ersten und des zweiten Schalters 212 kann es ermöglichen, dass die Induktanz und die physische Größe der ersten Induktivität 228 minimiert wird. Die vorgegebene Schaltfrequenz kann eine feste vorgegebene Frequenz oder variabel sein.
Als eine Alternative zu dem Beispiel von 2 enthält 3 ein einstufiges Beispiel, das Schalter enthält, die Nennspannungen aufweisen, die ausreichend sind, um ein Lastabwurfereignis ohne die zweite Stufe zu überleben. Zum Beispiel können die Schalter von 3 die erste Nennspannung aufweisen, und das Schaltersteuermodul 132 kann die Schalter steuern, um die Spannung auf die Soll-Ausgangsspannung zu verringern. Das Beispiel von 3 ist jedoch weniger effizient und verbraucht mehr Energie als die Beispiele von 2 und 7. Die Beispiele von 2 und 7 können auch kostengünstiger sein als das Beispiel von 3 und physisch kleiner (z.B. in Fläche oder Volumen) sein als das Beispiel von 3.
4 enthält eine beispielhafte Kurve des Wirkungsgrads über dem Laststrom. Die Kurve 404 gibt den Wirkungsgrad des Beispiels von 2 während des normalen Betriebs mit einer Eingangsspannung (Vin) von 14 Volt Gleichspannung und einer Ausgangsspannung (Vout) von 3,3 Volt Gleichspannung wieder. Die Kurve 408 gibt den Wirkungsgrad des Beispiels von 3 während des normalen Betriebs mit einer Eingangsspannung (Vin) von 14 Volt Gleichspannung und einer Ausgangsspannung (Vout) von 3,3 Volt Gleichspannung wieder. Wie durch 4 dargestellt, ist das Beispiel von 2 effizienter und verbraucht weniger Leistung als das Beispiel von 3.
5 enthält eine beispielhafte Kurve der Verlustleistung über dem Laststrom. Die Kurve 504 gibt die Verlustleistung des Beispiels von 2 mit einer Eingangsspannung (Vin) von 14 Volt Gleichspannung und einer Ausgangsspannung (Vout) von 3,3 Volt Gleichspannung wieder. Die Kurve 508 gibt die Verlustleistung des Beispiels von 3 mit einer Eingangsspannung (Vin) von 14 Volt Gleichspannung und einer Ausgangsspannung (Vout) von 3,3 Volt Gleichspannung wieder.
Während das Beispiel von 2 so dargestellt ist, dass es in der zweiten Stufe einen Abwärtswandler enthält, ist die vorliegende Anmeldung auch auf andere Arten von Spannungswandlern anwendbar. Zum Beispiel kann die zweite Stufe einen Aufwärtswandler oder einen Abwärts-/Aufwärtswandler enthalten. Auch kann, während das Beispiel von 2 eine einzige Ebene/Phase vorsieht, die zweite Stufe einen Spannungswandler für mehrere Ebenen/Phasen enthalten und mehrere verschiedene Soll-Ausgangsspannungen ausgeben.
6 ist ein Flussdiagramm, das ein beispielhaftes Verfahren zum Steuern des Spannungswandlers 124 darstellt. Die Steuerung beginnt mit 602, wo das Schaltersteuermodul 132 die Eingangsspannung (Vin) und die Ausgangsspannung (Vout) empfängt. Das Schaltersteuermodul 132 kann auch die Spannung zur zweiten Stufe 208 empfangen, d.h. die Spannung am zweiten Knoten 236. Diese Spannungen können beispielsweise unter Verwendung von Spannungsaufnehmern gemessen werden.
Bei 604 bestimmt das Schaltersteuermodul 132, ob die Eingangsspannung größer ist als die vorgegebene Lastabwurfspannung. Wenn 604 unwahr ist, geht die Steuerung weiter mit 608. Bei 608 öffnet das Schaltersteuermodul 132 den ersten und den zweiten Schalter 212 und 216 oder hält den ersten und den zweiten Schalter 212 und 216 offen. Das Schaltersteuermodul 132 schließt bei 608 auch den Überbrückungsschalter 224. Das Schaltersteuermodul 132 schaltet bei 608 auch den dritten und den vierten Schalter komplementär, um die Ausgangsspannung (Vout) hin zu der oder auf die Soll-Ausgangsspannung zu justieren. Die Steuerung kehrt zu 602 zurück. Wenn 604 wahr ist, fährt die Steuerung mit 612 fort.
Bei 612 öffnet das Schaltersteuermodul 132 den Überbrückungsschalter 224. Bei 616 schaltet das Schaltersteuermodul 132 den ersten und den zweiten Schalter 212 und 216 komplementär, um die Eingangsspannung zu der zweiten Stufe 208 hin zu der oder auf die zweite Sollspannung zu verringern. Das Schaltersteuermodul 132 schaltet bei 616 auch den dritten und den vierten Schalter komplementär, um die Ausgangsspannung (Vout) hin zu der oder auf die Soll-Ausgangsspannung zu justieren. Die Steuerung kehrt zu 602 zurück.
7 ist ein Funktions-Blockschaltbild eines beispielhaften Spannungswandlers. In dem Beispiel von 7 enthält die zweite Stufe 208 einen Umrichter mit geschaltetem Kondensator. Ein Kondensator 704 ist zwischen dem dritten und dem vierten Schalter 240 und 244 angeschlossen. Ein fünfter Schalter 708 ist zwischen (a) einem Knoten 712 zwischen dem dritten Schalter 240 und einem ersten Ende des Kondensators 704 und (b) dem Ausgangsknoten 260 angeschlossen. Ein sechster Schalter 716 ist zwischen (a) einem Knoten 720 zwischen einem zweiten Ende des Kondensators 704 und dem vierten Schalter 720 und (b) dem Ausgangsknoten 260 angeschlossen.
Der erste Schalter 212 und der zweite Schalter 216 weisen die erste Nennspannung auf, wie oben beschrieben, wie etwa ungefähr 36 Volt Gleichspannung oder eine andere geeignete Spannung, die höher ist als die Nennspannung der Batterie 108. Der dritte, der vierte, der fünfte und der sechste Schalter 240, 244 708 und 712 weisen eine zweite Nennspannung auf, die niedriger ist als die erste Nennspannung. Nur als Beispiel können in dem Beispiel des ersten und des zweiten Schalters 212 und 216 mit einer ersten Nennspannung von ungefähr 36 Volt Gleichspannung der dritte, der vierte, der fünfte und der sechste Schalter 240, 244, 708 und 712 eine Nennspannung von ungefähr 18 Volt Gleichspannung oder eine andere geeignete Nennspannung aufweisen. Die zweite Nennspannung ist höher als die Eingangsspannung (Vin) unter normalen Betriebsbedingungen.
Das Schaltersteuermodul 132 steuert das Schalten des ersten, des zweiten und des Überbrückungsschalters 212, 216 und 214, wie oben beschrieben. Das Schaltersteuermodul 132 steuert den dritten, den vierten, den fünften und den sechsten Schalter in zwei Phasen unter Verwendung eines Takts. Die beiden Phasen können jeweils eine Einschaltdauer von 50 % aufweisen und vollständig außer Phase zueinander sein, sodass die Schalter der ersten Phase aus/offen sind, wenn die Schalter der zweiten Phase ein/geschlossen sind, und umgekehrt. Der dritte und der sechste Schalter 240 und 216 können in der ersten Phase ein/geschlossen sein, und der vierte und der fünfte Schalter 244 und 708 können in der zweiten Phase ein/geschlossen sein. Der vierte und der fünfte Schalter 244 und 708 können in der ersten Phase ein/geschlossen sein, und der dritte und der sechste Schalter 240 und 216 können in der zweiten Phase ein/geschlossen sein. Die Schalter der ersten und der zweiten Phase werden komplementär geschaltet.
In der ersten Phase schließt das Schaltersteuermodul 132 den dritten und den sechsten Schalter 240 und 716 und öffnet den vierten und den fünften Schalter 244 und 708. In der ersten Phase liegt der Kondensator 704 in Reihe mit dem Ausgangskondensator 256, und der Kondensator 704 wird geladen. In der zweiten Phase schließt das Schaltersteuermodul 132 den vierten und den fünften Schalter 244 und 708 und öffnet den dritten und den sechsten Schalter 2540 und 716. In der zweiten Phase liegt der Kondensator 704 parallel zum Ausgangskondensator 256, und der Kondensator 704 entlädt sich auf den Ausgangskondensator 256.
Im Gleichgewicht kann die Ausgangsspannung der zweiten Stufe 208 gleich ungefähr der halben Eingangsspannung zur zweiten Stufe 208 (der Spannung am Knoten 236) sein. Während eine beispielhafte Anordnung eines Umrichters mit geschaltetem Kondensator vorgesehen ist, ist die vorliegende Anmeldung auch auf andere Anordnungen mit geschaltetem Kondensator anwendbar, einschließlich Anordnungen mit geschaltetem Kondensator, die mehrere fliegende Kondensatoren enthalten, Anordnungen mit geschaltetem Kondensator, die Aufwärts-Umrichterverhältnisse enthalten und Anordnungen mit geschaltetem Kondensator, die Abwärts-Umrichterverhältnisse enthalten. Der fünfte und der sechste Schalter 708 und 716 können dieselbe Art Schalter sein wie der dritte und der vierte Schalter 240 und 244, wie etwa FETs.
Die vorstehende Beschreibung ist nur erläuternder Natur, und es ist keineswegs beabsichtigt, dass sie die Offenbarung, ihre Anwendung oder ihre Nutzungen einschränkt. Die weitreichenden Lehren der Offenbarung können in einer Vielzahl von Formen umgesetzt sein. Daher sollte, während diese Offenbarung besondere Beispiele enthält, der wahre Umfang der Offenbarung nicht so beschränkt sein, da andere Modifikationen nach einer Einsicht in die Zeichnung, die Beschreibung und die folgenden Ansprüche offensichtlich werden. Es versteht sich, dass ein oder mehrere Schritte innerhalb eines Verfahrens in anderer Reihenfolge (oder gleichzeitig) ausgeführt werden können, ohne die Prinzipien der vorliegenden Offenbarung zu verändern. Ferner können, obwohl jede der Ausführungsformen oben mit bestimmten Merkmalen beschrieben ist, ein beliebiges oder mehrere dieser oben bezüglich einer beliebigen Ausführungsform der Offenbarung beschriebenen Merkmale in einer beliebigen der anderen Ausführungsformen eingesetzt und/oder mit Merkmalen davon kombiniert werden, sogar wenn diese Kombination nicht ausdrücklich beschrieben ist. Mit anderen Worten, die beschriebenen Ausführungsformen schließen einander nicht aus, und Permutationen einer oder mehrerer Ausführungsformen miteinander verbleiben im Geltungsbereich dieser Offenbarung.
Räumliche und funktionelle Beziehungen zwischen Elementen (beispielsweise zwischen Modulen, Schaltkreiselementen, Halbleiterschichten usw.) sind unter Verwendung verschiedener Ausdrücke beschrieben, darunter „angeschlossen“, „verknüpft“, „gekoppelt“, „benachbart“, „neben“, „auf“, „oberhalb“, „unterhalb“ und „angeordnet“. Sofern nicht ausdrücklich als „direkt“ beschrieben, wenn in der obigen Offenbarung eine Beziehung zwischen einem ersten und einem zweiten Element beschrieben ist, kann diese Beziehung eine direkte Beziehung sein, wo keine anderen dazwischenliegenden Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element vorhanden sind, kann aber auch eine indirekte Beziehung sein, wo ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente zwischen dem ersten und dem zweiten Element (entweder räumlich oder funktionell) vorhanden sind. Wie er hier benutzt ist, sollte der Ausdruck „mindestens eines aus A, B oder C“ so ausgelegt werden, dass er ein logisches (A ODER B ODER C) meint, unter Verwendung eines nicht-exklusiven logischen ODERs, und sollte nicht so ausgelegt werden, dass er „mindestens eins aus A, mindestens eins aus B und mindestens eins aus C“ meint.
In den Figuren weist die Richtung eines Pfeils, wie sie durch den Pfeilkopf angegeben ist, im Allgemeinen auf den Informationsfluss (wie etwa von Daten oder Anweisungen) hin, der für die Darstellung interessant ist. Wenn beispielsweise Element A und Element B eine Vielfalt von Informationen austauschen, aber vom Element A zum Element B gesendete Informationen für die Darstellung relevant sind, kann der Pfeil vom Element A zum Element B weisen. Dieser Pfeil in nur einer Richtung besagt nicht, dass keine anderen Informationen vom Element B zum Element A gesendet werden. Ferner kann für vom Element A zum Element B gesendete Informationen das Element B Anforderungen oder Empfangsbetätigungen für die Informationen zum Element A senden.
In dieser Anmeldung, die die nachstehenden Definitionen enthält, können der Begriff „Modul“ oder der Begriff „Steuerung“ durch den Begriff „Schaltung“ ersetzt werden. Der Begriff „Modul“ kann sich beziehen auf, Teil sein von oder enthalten: eine anwendungsspezifische integrierte Schaltung (ASIC); eine digitale, analoge oder gemischte analoge/digitale diskrete Schaltung; eine digitale, analoge oder gemischte analoge/digitale integrierte Schaltung; eine kombinatorische Logikschaltung; ein Field Programmable Gate Array (FPGA); eine Prozessorschaltung (gemeinsam, eigen oder Gruppe), die Programmcode ausführt; eine Speicherschaltung (gemeinsam, eigen oder Gruppe), die durch die Prozessorschaltung ausgeführten Programmcode speichert; andere geeignete Hardware-Bauteile, welche die beschriebene Funktionalität vorsehen; oder eine Kombination einiger oder aller der Obigen, wie etwa in einem Ein-Chip-System.
Das Modul kann eine oder mehrere Interfaceschaltungen enthalten. In einigen Beispielen können die Interfaceschaltungen drahtgebundene oder drahtlose Schnittstellen enthalten, die mit einem lokalen Netzwerk (LAN), dem Internet, einem Weitverkehrsnetz (WAN) oder Kombinationen davon verbunden sind. Die Funktionalität eines beliebigen gegebenen Moduls nach der vorliegenden Offenbarung kann über vielfache Module verteilt sein, die über Interfaceschaltungen verbunden sind. Beispielsweise können vielfache Module Lastaufteilung ermöglichen. In einem weiteren Beispiel kann ein Server-Modul (auch als Fern- oder Cloud-Modul bekannt) einige Funktionalität im Auftrag eines Client-Moduls erfüllen.
Der Begriff „Programmcode“, wie er oben benutzt ist, kann Software, Firmware und/oder Mikrocode enthalten und sich auf Programme, Routinen, Funktionen, Klassen, Datenstrukturen und/oder Objekte beziehen. Der Begriff „gemeinsame Prozessorschaltung“ umfasst eine einzelne Prozessorschaltung, die einigen oder den gesamten Programmcode von vielfachen Modulen ausführt. Der Begriff „Gruppenprozessorschaltung“ umfasst eine Prozessorschaltung, die in Kombination mit zusätzlichen Prozessorschaltungen einigen oder den gesamten Programmcode von einem oder mehreren Modulen ausführt. Bezugnahmen auf vielfache Prozessorschaltungen umfassen vielfache Prozessorschaltungen auf getrennten Chips, vielfache Prozessorschaltungen auf einem einzigen Chip, vielfache Kerne einer einzigen Prozessorschaltung, vielfache Threads einer einzigen Prozessorschaltung oder eine Kombination der Obigen. Der Begriff „gemeinsame Speicherschaltung“ umfasst eine einzelne Speicherschaltung, die einigen oder den gesamten Programmcode von vielfachen Modulen speichert. Der Begriff „Gruppenspeicherschaltung“ umfasst eine Speicherschaltung, die in Kombination mit zusätzlichen Speichern einigen oder den gesamten Programmcode von einem oder mehreren Modulen speichert.
Der Begriff „Speicherschaltung“ ist eine Untermenge des Begriffs „computerlesbarer Datenträger“. Der Begriff „computerlesbarer Datenträger“, wie er hier benutzt ist, umfasst keine vorübergehenden elektrischen oder elektromagnetischen Signale, die sich durch ein Medium fortpflanzen (wie etwa auf einer Trägerwelle); der Begriff „computerlesbarer Datenträger“ kann daher als materiell und nicht vorübergehend betrachtet werden. Nicht einschränkende Beispiele eines nicht vorübergehenden materiellen computerlesbaren Mediums sind nichtflüchtige Speicherschaltungen (wie etwa eine Flash-Speicherschaltung, eine löschbare programmierbare Nur-Lese-Speicherschaltung oder eine Masken-Nur-Lese-Speicherschaltung), flüchtige Speicherschaltungen (wie etwa eine statische Direktzugriffspeicherschaltung oder eine dynamische Direktzugriffspeicherschaltung), magnetische Speichermedien (wie etwa ein analoges oder digitales Magnetband oder ein Festplattenlaufwerk) und optische Speichermedien (wie etwa eine CD, eine DVD oder eine Blu-Ray-Disc).
Die in dieser Anmeldung beschriebenen Vorrichtungen und Verfahren können teilweise oder vollständig durch einen Spezialcomputer umgesetzt sein, der erzeugt ist durch ein Einrichten eines Allzweckcomputers, eine oder mehrere bestimmte, in Computerprogrammen verwirklichte Funktionen auszuführen. Die oben beschrieben Funktionsblöcke und Flussdiagramm-Bestandteile und anderen Elemente dienen als Softwareangaben, die durch die Routinearbeit eines ausgebildeten Technikers oder Programmierers in Computerprogramme übersetzt werden können.
Die Computerprogramme enthalten Prozessor-ausführbare Anweisungen, die auf mindestens einem nicht vorübergehenden materiellen computerlesbaren Datenträger gespeichert sind. Die Computerprogramme können auch gespeicherte Daten enthalten oder sich darauf stützen. Die Computerprogramme können ein grundlegendes Eingabe-/Ausgabesystem (BIOS), das mit Hardware des Spezialcomputers zusammenwirkt, Gerätetreiber, die mit bestimmten Vorrichtungen des Spezialcomputers zusammenwirken, ein oder mehrere Betriebssysteme, Benutzeranwendungen, Hintergrunddienste, Hintergrundanwendungen usw. umfassen.
Die Computerprogramme können enthalten: (i) zu parsenden beschreibenden Text, wie etwa HTML (hypertext markup language), XML (extensible markup language), oder JSON (JavaScript Object Notation) (ii) Assemblercode, (iii) durch einen Compiler aus Sourcecode erzeugten Objektcode, (iv) Sourcecode zur Ausführung durch einen Interpreter, (v) Sourcecode zur Compilierung und Ausführung durch einen Just-in-time-Compiler usw. Nur als Beispiel kann Quellcode unter Verwendung von Syntax aus Sprachen geschrieben sein, umfassend C, C++, C#, Objective-C, Swift, Haskell, Go, SQL, R, Lisp, Java®, Fortran, Perl, Pascal, Curl, OCaml, Javascript®, HTML5 (Hypertext Markup Language 5th revision), Ada, ASP (Active Server Pages), PHP (PHP: Hypertext Preprocessor), Scala, Eiffel, Smalltalk, Erlang, Ruby, Flash®, Visual Basic®, Lua, MATLAB, SIMULINK und Python®.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 63/133640 [0001]

Claims

Spannungswandler, umfassend: einen ersten und einen zweiten Schalter mit einer ersten Nennspannung, wobei der erste Schalter zwischen einer Eingangsspannung und einem ersten Knoten angeschlossen ist und der zweite Schalter zwischen dem ersten Knoten und einem Potential angeschlossen ist; einen Überbrückungsschalter, angeschlossen zwischen der Eingangsspannung und einem zweiten Knoten; eine erste Induktivität, angeschlossen zwischen dem ersten Knoten und dem zweiten Knoten; einen ersten Kondensator, angeschlossen zwischen dem zweiten Knoten und dem Potential; einen dritten und einen vierten Schalter mit einer zweiten Nennspannung, die niedriger ist als die erste Nennspannung, wobei der dritte Schalter zwischen dem zweiten Knoten und einem dritten Knoten angeschlossen ist und der vierte Schalter zwischen dem dritten Knoten und dem Potential angeschlossen ist; und ein Schaltersteuermodul, ausgelegt, als Reaktion darauf, dass die Eingangsspannung größer wird als eine vorgegebene Spannung: den Überbrückungsschalter zu öffnen; und den ersten und den zweiten Schalter komplementär zu schalten, um die Spannung am zweiten Knoten hin zu einer Sollspannung zu regeln.
Spannungswandler nach Anspruch 1, ferner umfassend einen zweiten Kondensator und eine zweite Induktivität, wobei: die zweite Induktivität zwischen dem dritten Knoten und einem Ausgangsknoten angeschlossen ist; und der zweite Kondensator zwischen dem Ausgangsknoten und dem Potential angeschlossen ist.
Spannungswandler nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Spannung entweder höher als die oder gleich der Sollspannung ist.
Spannungswandler nach Anspruch 1, wobei die vorgegebene Spannung niedriger ist als die zweite Nennspannung des dritten und des vierten Schalters.
Spannungswandler nach Anspruch 1, wobei das Schaltersteuermodul ausgelegt ist, den ersten und den zweiten Schalter bei einer Frequenz von mindestens 2 Megahertz komplementär zu schalten.
Spannungswandler nach Anspruch 1, wobei das Schaltersteuermodul ausgelegt ist, den ersten und den zweiten Schalter bei einer Frequenz komplementär zu schalten, die niedriger als oder gleich 8 Megahertz ist.
Spannungswandler nach Anspruch 1, wobei das Schaltersteuermodul ausgelegt ist, wenn die Eingangsspannung niedriger ist als die vorgegebene Spannung, den ersten und den zweiten Schalter zu öffnen und den Überbrückungsschalter zu schließen.
Spannungswandler nach Anspruch 1, wobei das Schaltersteuermodul ferner ausgelegt ist, den dritten und den vierten Schalter auf Grundlage eines Justierens einer Spannung an einem Ausgangsknoten hin zu einer oder auf eine Sollspannung komplementär zu schalten.
Spannungswandler nach Anspruch 8, wobei das Schaltersteuermodul ausgelegt ist, den dritten und den vierten Schalter auf Grundlage eines Justierens der Spannung an dem Ausgangsknoten hin zu der oder auf die Sollspannung komplementär zu schalten, während es den ersten und den zweiten Schalter komplementär schaltet.
Spannungswandler nach Anspruch 8, wobei die Sollspannung niedriger ist als die zweite Nennspannung.
Spannungswandler nach Anspruch 10, wobei die Sollspannung zwischen 1 und 9 Volt, einschließlich, liegt.
Spannungswandler nach Anspruch 1, wobei die erste Nennspannung mindestens 30 Volt beträgt und die zweite Nennspannung mindestens 12 Volt beträgt.
Spannungswandler nach Anspruch 1, wobei die erste Nennspannung höher ist als die Sollspannung am zweiten Knoten.
Spannungswandler nach Anspruch 1, wobei die zweite Nennspannung höher ist als die Sollspannung am zweiten Knoten.
Spannungswandler nach Anspruch 1, wobei der erste, der zweite, der dritte und der vierte Schalter Feldeffekttransistoren (FETs) sind.
Spannungswandler nach Anspruch 1, ferner umfassend einen Kondensator, angeschlossen zwischen dem dritten Knoten und einem fünften Knoten, wobei der vierte Schalter zwischen dem fünften Knoten und dem Potential angeschlossen ist.
Spannungswandler nach Anspruch 16, ferner umfassend: einen fünften Schalter, angeschlossen zwischen dem dritten Knoten und einem Ausgangsknoten; und einen sechsten Schalter, angeschlossen zwischen dem fünften Knoten und dem Ausgangsknoten.
Spannungswandler nach Anspruch 17, ferner umfassend einen Ausgangskondensator, angeschlossen zwischen dem Ausgangsknoten und dem Potential.
Spannungswandler nach Anspruch 17, wobei der fünfte und der sechste Schalter die zweite Nennspannung aufweisen, die niedriger ist als die erste Nennspannung.
Spannungswandler nach Anspruch 17, wobei das Schaltersteuermodul ausgelegt ist: den dritten und den sechsten Schalter zu öffnen, während der vierte und der fünfte Schalter geschlossen sind; und den vierten und den fünften Schalter zu öffnen, während der dritte und der sechste Schalter geschlossen sind.