DE202014002223U1 - Asymmetrische Induktoren in Mehrphasen-DC-DC-Wandlern - Google Patents

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Abstract

Ein Mehrphasen-DC-zu-DC-Wandler, der aufweist: einen Knoten für eine Ausgangsspannung; Steuerungsmittel; und eine Anzahl von Schaltungszweigen, die parallel verbunden sind, wobei ein erster Anschluss jedes Zweigs mit einem Ausgang des Steuerungsmittels verbunden ist und ein zweiter Anschluss jedes Zweigs mit dem Knoten der Ausgangsspannung verbunden ist, wobei jeder Zweig Mittel zum Erzeugen eines Steuersignals, Schaltmittel und induktive Mittel aufweist, wobei die induktiven Mittel jedes Zweigs konfiguriert sind, um die Effizienz jedes Zweigs für einen Bereich von Lastströmen zu optimieren, in dem der Zweig verwendet wird, und wobei eine Aktivierung von einem oder mehreren Zweig(en) einer bestimmten Operationsphase des Wandlers zugewiesen ist, die von einem Laststrom abhängig ist.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Das vorliegende Dokument betrifft DC-zu-DC(Gleichspannungs)-Wandler. Insbesondere betrifft das vorliegende Dokument ein Verwenden von asymmetrischen Induktoren in Mehrphasen-, Mehr-Operations-Modus-Wandlern.
  • Hintergrund
  • Es ist üblich, denselben Typ von Induktoren für jede Phase von Mehrphasen-Abwärtswandlern zu verwenden; es ist auch üblich, denselben Typ von Induktoren für jede Phase zu verwenden, um den Vorteil von mehreren Phasen zu maximieren, wie besseres Einschwingverhalten bzw. bessere Übergangsantwort, kleinere Welligkeit und weniger harmonisches Rauschen. Dies muss jedoch keine optimale Lösung in Bezug auf Effizienz sein, wenn eine höhere Effizienz über einen weiten Bereich von leichter Last zu großer Last erforderlich ist.
  • Eine Verwendung von Induktoren mit kleinerem Wert liefert ein schnelleres Einschwingverhalten bzw. eine schnellere Übergangsantwort und Induktoren mit größerem Wert haben geringe AC(Wechselspannungs)-Verluste, was eine hohe Effizienz bei einem Zustand mit geringer Last liefert. Ein Mischen von verschiedenen Induktanz-Werten, -Größen und -Typen ist nicht üblich und würde normalerweise keinen Vorteil liefern, außer die Abwärtswandler-Architektur ist zur Verwendung von verschiedenen Induktanzwerten angepasst.
  • Mehrbetriebsmodi von DC-zu-DC-Wandlern umfassen oft einen Ruhemodus, oft ein Pulsfrequenzmodulations(PFM – pulse-frequency modulation)-Modus, und einen Sync-Modus, oft ein Pulsweitenmodulations(PWM – pulse-width modulation)-Modus.
  • Ein Beispiel ist ein Abwärts(Buck)-DC-zu-DC-Wandler. Während des Betriebs des Wandlers bei normaler Last vergleicht ein Komparator die Ausgangsspannung des Abwärts-DC-zu-DC-Wandlers mit einer Referenzspannung und bestimmt, ob zusätzlicher Strom auf einen Induktor in der Schaltung angewendet werden muss. Die Schaltfrequenz des Stroms zu dem Induktor oder von dem Induktor ist im Allgemeinen fest, wobei aber der Arbeitszyklus der Schaltfrequenz angepasst oder pulsweitenmoduliert (PWM) wird, um die Menge von Strom zu bestimmen, die in den Induktor und somit auch an die Lastschaltung fließt, die mit dem Ausgangsanschluss des DC-zu-DC-Wandlers verbunden ist.
  • Im Allgemeinen arbeiten Abwärts-DC-zu-DC-Wandler in einem von zwei verschiedenen Modi, einem kontinuierlichen (Sync) Modus und einem diskontinuierlichen Modus. Wenn der Abwärts-DC-zu-DC-Wandler bei geringer Last (einem geringen Laststrom) betrieben wird, wird der Strom, der von der Versorgungsspannungsquelle geliefert wird, nicht bei jedem Zyklus geliefert, und der Strom wird dann von dem kollabierenden Feld des Induktors geliefert. Anstatt eines pulsweitenmodulierten (PWM) Umwandlungsprozesses, wie in dem kontinuierlichen Modus, basiert die Umwandlung auf einer Pulsfrequenzmodulation (PFM – pulse frequency modulation) in dem diskontinuierlichen Modus. Oft wird der diskontinuierliche Modus in tragbaren elektronischen Geräten, wie ein zellulares Smartphone, Tabletcomputer, digitales Lesegerät, usw., in einem „Schlaf- oder Ruhemodus” verwendet. Der einzige Strom, der von dem System in diesen Anwendungen erforderlich ist, ist ein geringer Überwachungsstrom für eine Systemwartung (z. B. für Systemtakt und Timer, Überwachung zellulares Netzwerk, Überwachung drahtloses Netzwerk).
  • Die Entscheidung zum Wechsel zwischen kontinuierlichem (oder Synchron-Modus) und dem diskontinuierlichen (oder Ruhe-Modus) wird basierend auf dem Ausgangsstrom des Abwärts-DC-zu-DC-Wandlers zu der Systemlast getroffen. Diese Entscheidung zum Wechseln zwischen den Modi wird oft unter Verwendung eines Komparators getroffen. Um zu verhindern, dass der Komparator zwischen den Synchron- und Ruhe-Modi hin- und herschaltet, ist manchmal eine Hysterese vorgesehen.
  • Zusammenfassung
  • Eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist, sowohl eine hohe Effizienz als auch ein schnelles Einschwingverhalten bzw. eine schnelle Übergangsantwort eines DC-zu-DC-Wandlers zu erreichen und die Effizienz über den Lastbereich des Wandlers zu optimieren, sowohl in einem Ruhe(PFM)-Modus als auch in einem Sync(PWM)-Modus.
  • Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Offenbarung ist, eine Effizienz und eine Einschwingverhalten-Leistung eines DC-zu-DC-Wandlers zu optimieren durch ein geeignetes Kombinieren von Typen von Induktoren.
  • Eine weitere Aufgabe der Offenbarung ist, eine Effizienz und eine Einschwingverhalten-Leistung eines DC-zu-DC-Wandlers zur Verwendung in Mehrphasen-Wandlern zu optimieren.
  • Eine weitere Aufgabe der Offenbarung ist, eine Effizienz und eine Einschwingverhalten-Leistung eines DC-zu-DC-Wandlers zur Verwendung in DC-zu-DC-Wandlern zu optimieren, wenn nicht alle Phasen in einem Ruhemodus verwendet werden (für geringe Lastströme), oder in Mehrphasen-Wandlern, die eine Phase-Zu-/Abschalten-Operation anwenden, wobei ein Phase-Zu-/Abschalten (Shedding) die aktive Anzahl von Phasen gemäß dem Ausgangsstrom ändert.
  • Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist, eine Effizienz und eine Einschwingverhalten-Leistung eines DC-zu-DC-Wandlers zu optimieren zur Verwendung von Induktoren mit zwei unterschiedlichen Induktanzen.
  • Ferner ist ein Aspekt der Offenbarung, die Schaltungen anzuwenden, die für einen Abwärtswandler offenbart werden.
  • Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist, eine Effizienz und eine Einschwingverhalten-Leistung eines Abwärtswandlers zu optimieren zur Verwendung von Induktoren mit mehr als zwei unterschiedlichen Induktanzen.
  • In Übereinstimmung mit den Aufgaben dieser Offenbarung wird ein Ansatz beschrieben zum Erreichen von sowohl einer hohen Effizienz als auch eines schnellen Einschwingverhaltens eines Mehrphasen-DC-zu-DC-Wandlers und zum Optimieren der Effizienz über den Lastbereich des Wandlers. Der offenbarte Ansatz weist auf ein Einsetzen von zumindest zwei Schaltungszweigen in dem Wandler. Jeder Zweig weist Schaltmittel und induktive Mittel auf. Alle Zweige sind gemeinsam verbunden mit einem Ausgangsknoten des Wandlers. Alle Zweige sind parallel verbunden und ein oder mehrere Zweig(e), die zusammen aktiviert sind, entspricht/entsprechen einer Operationsphase des Wandlers. Eine Aktivierung von einem oder mehreren Zweig(en) kann einer bestimmten Betriebs- bzw. Operationsphase des Wandlers zugewiesen sein, die von einem Laststrom abhängig ist. Die Induktanz des induktiven Mittels jedes Zweigs ist konfiguriert, um die Effizienz für einen Bereich eines Laststroms zu optimieren, dem der entsprechende Zweig zugewiesen ist. Die Induktanz eines Zweigs, der in einem Ruhemodus verwendet wird, ist konfiguriert, eine relativ hohe Induktanz mit geringen AC-Verlusten zu haben, und je höher der Bereich des Laststroms ist, der einem Zweig zugewiesen ist, desto geringer ist die konfigurierte Induktanz der induktiven Mittel und der konfigurierte DC-Verlust. Mit anderen Worten sind die Induktanzen in den verschiedenen Zweigen des DC-zu-DC-Wandlers unterschiedlich.
  • In Übereinstimmung mit den Aufgaben dieser Offenbarung wird ein Mehrphasen-DC-zu-DC-Wandler offenbart, der konfiguriert ist zum Erreichen eines schnellen Einschwingverhaltens und Optimieren einer Effizienz über den Lastbereich eines Abwärtswandlers. Der Wandler umfasst einen Knoten für eine Ausgangsspannung und Steuerungsmittel. Weiter weist der Abwärtswandler eine Anzahl von Schaltungszweigen auf, die parallel verbunden sind, wobei ein erster Anschluss jedes Zweigs mit einem Ausgang des Steuerungsmittels verbunden ist und ein zweiter Anschluss jedes Zweigs mit dem Knoten für die Ausgangsspannung verbunden ist. Jeder Zweig weist Mittel zum Erzeugen eines Steuersignals, Schaltmittel und induktive Mittel auf, wobei die induktiven Mittel jedes Zweigs konfiguriert sind, um die Effizienz jedes Zweigs für einen Bereich von Lastströmen zu optimieren, in dem der Zweig verwendet wird. Ein oder mehrere Zweig(e), die zusammen aktiviert sind, entspricht/entsprechen einer Operations- bzw. Betriebsphase des Wandlers (zum Beispiel Ruhemodus oder Sync-Modus). Eine Aktivierung von einem oder mehreren Zweig(en) kann einer bestimmten Operationsphase zugewiesen sein, die von einem Laststrom abhängig ist.
  • Das Steuersignal-Erzeugungsmittel kann einen Puls-Generator aufweisen, um das Schaltmittel in einem Pulsfrequenzmodulations-Modus (zum Beispiel für den Ruhemodus) oder einem Pulsweitenmodulations-Modus (zum Beispiel für den Sync-Modus) anzusteuern, abhängig von der Operationsphase des Wandlers. Das Steuerungsmittel kann eine Logikschaltung aufweisen, um die Operationsphase des Wandlers zu entscheiden bzw. zu bestimmen und in Reaktion darauf den Puls-Generator zu konfigurieren. Wenn zum Beispiel der Wandler in den Ruhemodus gesetzt ist (da kein oder wenig Laststrom aufgenommen wird), kann der Puls-Generator konfiguriert sein, in dem Pulsfrequenzmodulations-Modus zu arbeiten. Wenn mehr Laststrom aufgenommen wird, kann der Wandler in den Sync-Modus gesetzt werden und der Puls-Generator kann konfiguriert sein, in dem Pulsweitenmodulations-Modus zu arbeiten.
  • Die Anzahl von Phasen des Mehrphasen-DC-zu-DC-Wandlers ist vorzugsweise zwei oder mehr (≥ 2). Ein Wandler gemäß einem Ausführungsbeispiel kann drei Phasen haben, wobei die erste nur in einem Ruhemodus verwendet wird und eine hohe Induktanz mit geringen AC-Verlusten hat, die zweite in einem Sync-Modus verwendet wird mit geringen Strömen und eine geringere Induktanz mit geringen AC-Verlusten hat, und die dritte Phase in einem Sync-Modus mit hohen Strömen verwendet wird und eine geringe Induktanz mit geringen DC-Verlusten hat.
  • Kurze Beschreibung der Figuren
  • Die Erfindung wird nachfolgend auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei
  • 1 einen beispielhaften Abwärtswandler gemäß der vorliegenden Offenbarung zeigt.
  • 2 die gemessene Effizienz eines Abwärtswandlers mit lauter Induktoren hoher Induktanz, mit lauter Induktoren niedriger Induktanz, und dann die Effizienz der vorgeschlagenen Offenbarung zeigt.
  • 3 das simulierte Last-Einschwingverhalten für die drei Fälle zeigt, die in 2 gezeigt werden.
  • 4 ein Ablaufdiagramm eines Ansatzes zeigt, um sowohl eine hohe Effizienz als auch ein schnelles Einschwingverhalten eines Abwärtswandlers zu erreichen und die Effizienz über den Lastbereich des Abwärtswandlers zu optimieren.
  • 5 schematisch die Architektur eines Abwärtswandlers zeigt, der in einem Pulsfrequenzmodulations(PFM – pulse-frequency modulation)-Modus arbeitet.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Es werden Verfahren und Schaltungen offenbart, um sowohl eine hohe Effizienz als auch ein schnelles Einschwingverhalten zu erzielen und die Effizienz über den Lastbereich eines DC-zu-DC-Wandlers zu optimieren, sowohl in einem Ruhemodus (PFM) als auch einem Sync-Modus (PWM), durch geeignetes Kombinieren von Typen von Induktoren. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden dieser Ansatz sowie entsprechende Schaltungen auf einen Mehrphasen-Abwärtswandlers angewendet. Es sollte angemerkt werden, dass die Offenbarung auch auf Mehrphasen-Abwärts/Aufwärts- oder Mehrphasen-Aufwärtswandler angewendet werden kann.
  • Der Abwärtswandler des bevorzugten Ausführungsbeispiels sollte derart ausgebildet sein, dass nicht alle Phasen in dem Ruhemodus verwendet werden. Die in dem Ruhemodus verwendeten Phasen werden dann mit hohen Induktanzen und/oder geringem AC-Verlust bei geringer Last gefüllt, d. h. Induktoren, die eine sehr hohe Effizienz bei einem Zustand mit geringer Last haben. Dies stellt sicher, dass die Verluste in dem Ruhemodus niedrig sind und hält eine Gesamt-Ruhemodus-Effizienz hoch.
  • Die verbleibenden Phasen werden nur in dem Sync-Modus aktiviert, wenn eine Last vorhanden ist. Die niedrigeren Induktanzen der Induktoren dieser Phasen ermöglichen, dass der Strom schnell rampenförmig ansteigt, um die Last zu erreichen, und reagieren dann schnell auf Veränderungen der Last. Die höheren Verluste in diesen Induktoren bei einem Zustand mit geringer Last sind nicht signifikant, da diese Phasen bei geringer Last nicht verwendet werden. Auch werden, da Induktoren mit relativ geringer Induktanz dazu neigen, einen niedrigeren Gleichstromwiderstand (DCR – direct current resistance) zu haben im Vergleich zu Induktoren mit höherer Induktanz, die Verluste bei hohen Lasten reduziert, somit ist eine Gesamteffizienz bei hohen Lasten tatsächlich höher als mit den Induktoren mit höherer Induktanz.
  • 1 zeigt einen beispielhaften Abwärtswandler gemäß der vorliegenden Offenbarung, der in einem PWM-Modus arbeitet. In diesem Beispiel hat der Abwärtswandler drei Phasen (mit 1, 2 und 3 bezeichnet). Jede Phase hat ein Paar von Schaltvorrichtungen 10, 11. Jedes Paar von Schaltvorrichtungen 10, 11 ist mit einem spezifischen Induktor 12, 13 und 14 verbunden. Die Schaltvorrichtungen, wie z. B. Transistoren, werden typischerweise durch eine Rückkopplungssteuerungsschleife FB gesteuert, die die Ausgangsspannung VOUT mit einer Referenzspannung vergleicht. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Referenzspannung 15 eine Ausgabe eines Digital-Analog-Wandlers (DAC). Rampensignale von einem Rampensignalgenerator 16 werden zusammen mit Pulse-Generatoren 17 verwendet, um ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal zu erzeugen, um die Schaltvorrichtungen 10, 11 anzusteuern.
  • Bevorzugte Typen von Induktoren sind verlustarme Induktoren, wie zum Beispiel drahtgewickelte Induktoren, Pulver-Metalllegierungskern-Induktoren, Niedrig-Profil-Leistungs-Induktoren, im Bereich von im Allgemeinen 0,22 uH bis 4,7 uH.
  • Es gibt verschiedene Operationsmodi:
  • Operationsmodus 1:
  • In einem beispielhaften Operationsmodus wird Phase 1 nur im Ruhemodus betrieben. Dies kann gesteuert werden unter Verwendung der gezeigten Rückkopplungsschleife FB oder durch ein anderes Verfahren (wie ein Niedrigenergie-Hysterese-Modus oder ein PFM-Modus). Die verbleibenden Phasen (2 und 3) werden aktiviert, wenn die Last ausreichend hoch ist und der Wandler dann im Sync-Modus betrieben wird.
  • Der Induktor 12 von Phase 1 ist konfiguriert, eine höhere Induktanz zu haben oder einen sehr geringen AC-Verlust zu haben. Dies liefert eine sehr hohe Effizienz im Ruhemodus bei einem Zustand mit geringer Last. Die Phasen 2 und 3 werden nur bei Zuständen mit höherem Laststrom aktiviert, wodurch die Induktoren 13 und 14 ebenfalls selektiv verwendet werden.
  • Operationsmodus 2
  • In diesem beispielhaften Operationsmodus kann der 3-Phasen-Abwärtswandler von 1 mit einem Phase-Zu-/Abschalten arbeiten. Ein Phase-Zu-/Abschalten bedeutet, dass, wenn Lastanforderungen abnehmen, eine oder mehrere Phase(n) abgeschaltet werden, um eine Regler-Effizienz zu verbessern. Andererseits werden, wenn eine Lastanforderung zunimmt, zusätzliche Phasen aktiviert. Nur Phase 1 arbeitet, wenn die Last gering ist. Bei mittleren Lastbedingungen arbeiten nur die Phasen 1 und 2 zusammen, und alle Phasen 1–3 arbeiten zusammen nur bei einem Zustand mit hoher Last. Einer der Hauptunterschiede zwischen dem Operationsmodus 1 und dem Operationsmodus 2 hier ist, dass eine Verwendung der Phase 1 nicht auf den Ruhemodus begrenzt ist. Eine Operation von Phase 1 entweder in dem Sync- oder Ruhemodus ist möglich in dem Operationsmodus 2.
  • In dem Fall von Lastbedingungen zwischen mittlerer Last und hoher Last kann nur Phase 3 aktiv sein, oder, mit weiter zunehmender Last, können die Phasen 3 und 2 zusammenarbeiten.
  • Ähnlich zu dem Operationsmodus 1 wurde in dem Operationsmodus 2 der Induktor 12 der Phase 1 konfiguriert, eine höhere Induktanz und/oder einen geringen AC-Verlust zu haben. Dies liefert eine bessere Effizienz bei geringem Laststrom, wo ein AC-Verlust ein dominanter Verlust ist.
  • Der Induktor 14 von Phase 3 kann auch konfiguriert sein, geringe DC-Verluste und geringe Induktanz zu haben, unabhängig von einem AC-Verlust.
  • Eine Konfiguration eines optimalen Induktors 13 für die Phase 2 hängt von der Anwendung ab. Wenn die Anwendung eine höhere Effizienz bei hoher Last erfordert, dann würde der Induktor 13 für die Phase 2 ebenfalls ähnlich konfiguriert wie der Induktor 14 von Phase 3. Dies liefert eine höherer Effizienz bei einem Zustand mit hoher Last und ein besseres Einschwingverhalten.
  • Wenn eine höhere Effizienz bei mittlerer Last in der Anwendung wichtig ist, dann kann der Induktor 13 von Phase 2 konfiguriert sein, einen moderaten AC-Verlust und DC-Verlust zu haben. Somit wird eine höhere Effizienzspitze bei einem Zustand mit mittlerer Last erreicht, im Vergleich zu der oben beschriebenen Konfiguration, die auf Zustände mit hoher Last abzielt.
  • Die Darstellung von 2 zeigt die gemessene Effizienz eines Abwärtswandlers mit lauter Induktoren hoher Induktanz, d. h. 1 μH-Kurve 21, mit Induktoren geringer Induktanz, d. h. 0.47 μH-Kurve 22, und dann die Effizienz für die Induktanzen eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Offenbarung, Kurve 20. Die Kurve 20 basiert auf einer Konfiguration, in der der Ruhemodus-Induktor 12 von Phase 1 eine Induktanz von 1 μH hat und die Induktoren 13 und 14 jeweils eine Induktanz von 0.47 μH haben. In der Kurve 21 haben alle Spulen 1 μH Induktanz und in Kurve 22 haben alle Spulen 0,47 μH Induktanz. Die Kurven 20 und 21 basieren auf einer Ruhestromgrenze von 600 mA, während die Kurve 22 auf einer Ruhestromgrenze von 900 mA basiert. Es ist offensichtlich, dass die Kurve 20 Vorteile bietet im Vergleich mit beiden Alternativen. Es sollte angemerkt werden, dass die oben beschriebenen Induktanzwerte nicht-einschränkende Beispiele sind. Andere Induktanzwerte sind ebenfalls möglich, so lange höhere Induktanzwerte und/oder Induktoren mit geringem AC-Verlust in den Phasen verwendet werden, die in dem Ruhemodus verwendet werden. Die Induktoren mit geringerem Induktanzwert und/oder Induktoren mit geringem DC-Verlust werden dabei typischerweise in den Phasen verwendet, die nur bei Operationen mit höherem Strom verwendet werden.
  • Die Darstellung von 3 unten zeigt das simulierte Lasteinschwingverhalten für die drei Fälle, die in 2 gezeigt werden. Das obere Feld, die Kurve 30, zeigt die angelegte Last. Das zweite Feld zeigt die Induktorströme und das dritte Feld zeigt das Spannungseinschwingverhalten an dem Ausgang. Der mittlere Satz von Kurven in dem dritten Feld ist für die hier beschriebene Erfindung.
  • Die Kurve 31 repräsentiert eine Verwendung lauter Induktoren mit kleinem Wert (0,47 uH). Die Kurve 33 repräsentiert eine Verwendung lauter großer Induktoren (1 uH) und die Kurve 32 repräsentiert eine bevorzugte Einstellung (0,47 uH und 1 uH).
  • Die Kurve 36 repräsentiert eine Verwendung lauter Induktoren mit kleinem Wert (0,47 uH). Die Kurve 34 repräsentiert eine Verwendung lauter großer Induktoren (1 uH) und die Kurve 35 repräsentiert die bevorzugte Einstellung (1 uH für Ruhemodus und 0,47 uH für die anderen Modi).
  • 4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Ansatzes, um sowohl eine hohe Effizienz als auch ein schnelles Einschwingverhalten eines Abwärtswandlers zu erzielen und die Effizienz über den Lastbereich des Abwärtswandlers zu optimieren. Ein erster Schritt 40 zeigt ein Vorsehen eines Mehrphasen-Abwärtswandlers. Der nächste Schritt 41 zeigt ein Einsetzen von zumindest zwei Schaltungszweigen in dem Abwärtswandler, wobei jeder Zweig einen Puls-Generator und induktive Mittel aufweist, wobei alle Zweige gemeinsam verbunden sind mit einem Ausgangsknoten des Abwärtswandlers, wobei alle Zweige parallel verbunden sind und wobei ein oder mehrere Zweig(e), die zusammen aktiviert sind, einer Operationsphase des Abwärtswandlers entspricht/entsprechen, wobei eine Aktivierung von einem oder mehreren Zweig(en) einer bestimmten Operationsphase zugewiesen ist, die von einem Laststrom abhängig ist. Der folgende Schritt 42 zeigt ein Konfigurieren einer Induktanz des induktiven Mittels jedes Zweigs, um die Effizienz für einen Bereich eines Laststroms zu optimieren, dem der Zweig zugewiesen ist, wobei die Induktanz eines Zweigs, der in einem Ruhemodus verwendet wird, konfiguriert ist, eine relativ hohe Induktanz mit geringen AC-Verlusten zu haben, und je höher der Bereich des Laststroms ist, der einem Zweig zugewiesen ist, desto geringer ist die konfigurierte Induktanz der induktiven Mittel und der konfigurierte DC-Verlust.
  • 5 zeigt schematisch die Architektur eines Abwärtswandlers, der in einem Pulsfrequenzmodulations(PFM – pulse-frequency modulation)-Modus arbeitet. Es wird nur ein Schaltungszweig gezeigt. Ein Mehrphasen-Abwärtswandler hat mehrere dieser Zweige, wobei die Induktoren wie oben offenbart konfiguriert sind. Zum Beispiel ist in einem Ausführungsbeispiel eines Mehrphasen-Abwärtswandlers der Schaltungszweig, der für einen Ruhemodus verwendet wird, konfiguriert, in einem PFM-Modus zu arbeiten, wie in 5 gezeigt, während die anderen Schaltungszweige, die für höhere Lastströme verwendet werden, in einem PWM-Modus arbeiten und gemäß 1 konfiguriert sind. In einem Ausführungsbeispiel, das ein Phase-Zu-/Abschalten anwendet, kann ein Schaltungszweig (zum Beispiel Phase 1, wie oben erwähnt), der in dem Ruhemodus und dem Sync-Modus verwendet wird, konfiguriert sein, gemäß 5 für eine PFM in dem Ruhemodus und gemäß 1 für eine PWM in dem Sync-Modus zu arbeiten. Somit kann der Schaltungszweig mehrere Steuerelemente für PFM und PWM aufweisen, die abhängig von dem Operationsmodus des Wandlers aktiviert und deaktiviert sind.
  • Unter Bezugnahme auf 5 weist die Schaltung Schaltvorrichtungen 50, 51 und induktive Mittel 52 auf. Die Spannung Vout an dem Ausgangsknoten wird zurück zu einem ersten Eingang eines Komparators 59 geführt, der zweite Eingang mit einer Referenzspannung verbunden, die von einem Digital-zu-Analog-Wandler 55 vorgesehen ist. Wenn bestimmt wird, dass die Ausgangsspannung Vout unter der Referenzspannung ist, erzeugt die Steuereinheit 57 Steuersignale für einen Gate-Treiber 58, die wiederum die Schaltvorrichtungen 50, 51, hier ein PMOS- und ein NMOS-Schalter, ansteuern, um das induktive Mittel 52, typischerweise eine Induktanz, mit Energie zu versorgen, so dass Strom in dem induktiven Mittel 52 fließt und die Ausgangsspannung Vout ansteigt. Der Strom durch das induktive Mittel 52 wird durch eine Stromerfassungseinheit 60 erfasst, die mit einer Konstantstromquelle 61 und der Steuereinheit 57 verbunden ist. Wenn der Strom durch das induktive Mittel 52 eine Stromgrenze übersteigt, die durch die Konstantstromquelle 61 definiert ist, reagiert die Steuereinheit 57 durch Reduzieren der Pulsfrequenz der Steuersignale, um die Schaltvorrichtungen 50, 51 anzusteuern. Dadurch wird die Pulsfrequenz der Steuersignale moduliert, um die Ausgangsspannung für einen Operationsmodus zu regulieren, in dem nur wenig Laststrom von dem Wandler aufgenommen wird.
  • Einige Schaltungszweige können (abwechselnd) in dem Ruhemodus (PFM) und in dem Sync-Modus (PWM) betrieben werden. In diesem Fall können Steuerschaltungen, wie in 1 für eine PWM-Operation und in 5 für eine PFM-Operation gezeigt, vorgesehen werden. Die jeweils erforderlichen Steuerelemente werden dann durch einen Multiplexer gewählt, der durch eine Gesamt-DC-DC-Wandler-Steuervorrichtung angesteuert wird, abhängig von dem vorhandenen Laststrom. Für Zustände mit geringer Last werden eine PFM-Steuerung und die entsprechenden Steuerelemente ausgewählt; für Zustände mit hoher Last werden eine PWM-Steuerung und die entsprechenden Steuerelemente durch die Steuervorrichtung ausgewählt.
  • Zusammenfassend lehrt die Offenbarung ein effizientes Verwenden von Mehrphasen-Abwärtswandlern, d. h. Abwärtswandlern, in denen nicht alle Phasen in einem Ruhemodus verwendet werden (für geringe Lastströme), oder Mehrphasen-Abwärtswandler, die eine Phase-Zu-/Abschalten-Operation anwenden. Ein Phase-Zu-/Abschalten ändert die aktive Anzahl von Phasen gemäß dem Ausgangsstrom.
  • Von 2 bis n Induktoren mit entsprechenden Induktanzwerten können verwendet werden, wobei jeder Induktor konfiguriert ist, für die Betriebsbedingungen der Phase optimal zu sein, in der er angewendet wird.
  • Induktoren mit höherer Induktanz und/oder geringem AC-Verlust werden mit der/den Phase(n) verwendet, die in einer Ruhemodus- oder 1-Phase-Sync-Operation verwendet wird/werden. Induktoren mit geringerer Induktanz und/oder Induktoren mit geringem DC-Verlust werden mit den Phasen verwendet, die nur bei Betriebsbedingungen mit hohem Strom verwendet werden.
  • In einem Ausführungsbeispiel werden mehr als 2 Induktoren in einem Mehrphasen-Wandler mit Phase-Zu-/Abschalten-Funktion eingesetzt. Der Wandler kann beispielsweise wie folgt konfiguriert sein:
    Jede Phase in dem Mehrphasen-Wandler hat einen Induktor, der konfiguriert ist zum Optimieren der Effizienz für den Bereich von Lastströmen, in dem diese Phase verwendet wird. Zum Beispiel kann ein Abwärtswandler vier Phasen haben, wobei die erste Phase (Schaltungszweig) nur in dem Ruhemodus verwendet wird und einen Induktor mit relativ hoher Induktanz und geringen AC-Verlusten hat, die zweite Phase in dem Sync-Modus bei geringen Strömen verwendet wird und einen Induktor mit geringerer Induktanz und geringen AC-Verlusten hat, die dritten und vierten Phasen in dem Sync-Modus bei hohen Strömen verwendet werden und einen Induktor mit geringerer Induktanz und geringen DC-Verlusten haben. In einem alternativen Ausführungsbeispiel werden zwei Phasen in einem Ruhemodus verwendet und die zwei anderen Phasen werden selektiv für höhere Lastströme aktiviert. Somit können für einen hohen Laststrom alle Phasen verwendet werden. Die in dem Ruhemodus verwendeten Phasen haben typischerweise einen Induktor relativ hoher Induktanz mit geringem AC-Verlust.
  • Während die Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben wurde, ist es für den Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich, dass verschiedene Änderungen in Form und Detail möglich sind, ohne von dem Sinn und Umfang der Erfindung abzuweichen.

Claims (17)

  1. Ein Mehrphasen-DC-zu-DC-Wandler, der aufweist: einen Knoten für eine Ausgangsspannung; Steuerungsmittel; und eine Anzahl von Schaltungszweigen, die parallel verbunden sind, wobei ein erster Anschluss jedes Zweigs mit einem Ausgang des Steuerungsmittels verbunden ist und ein zweiter Anschluss jedes Zweigs mit dem Knoten der Ausgangsspannung verbunden ist, wobei jeder Zweig Mittel zum Erzeugen eines Steuersignals, Schaltmittel und induktive Mittel aufweist, wobei die induktiven Mittel jedes Zweigs konfiguriert sind, um die Effizienz jedes Zweigs für einen Bereich von Lastströmen zu optimieren, in dem der Zweig verwendet wird, und wobei eine Aktivierung von einem oder mehreren Zweig(en) einer bestimmten Operationsphase des Wandlers zugewiesen ist, die von einem Laststrom abhängig ist.
  2. Der Mehrphasen-Wandler gemäß Anspruch 1, wobei die induktiven Mittel eines Zweigs, der in einem Ruhemodus verwendet wird, konfiguriert ist, eine relativ hohe Induktanz mit geringen AC-Verlusten zu haben, und je höher der Bereich des Laststroms ist, der einem Zweig zugewiesen ist, desto geringer sind die konfigurierte Induktanz der induktiven Mittel und der konfigurierte DC-Verlust.
  3. Der Mehrphasen-Wandler gemäß Anspruch 1, wobei das Steuerungsmittel einen Fehlerverstärker mit Eingängen und einem Ausgang aufweist, wobei ein erster Eingang mit dem Knoten der Ausgangsspannung gekoppelt ist und ein zweiter Eingang eine Referenzspannung ist.
  4. Der Mehrphasen-Wandler gemäß Anspruch 3, der weiter einen Rampensignalgenerator aufweist, der ein Rampensignal für zumindest eines der Steuersignal-Erzeugungsmittel liefert, wobei das zumindest eine der der Steuersignal-Erzeugungsmittel die Ausgabe des Fehlerverstärkers und das Rampensignal empfängt und ein pulsweitenmoduliertes Steuersignal für das Schaltmittel des Schaltungszweigs erzeugt.
  5. Der Mehrphasen-Wandler gemäß Anspruch 1, wobei das Steuerungsmittel einen Komparator mit Eingängen und einem Ausgang aufweist, wobei ein erster Eingang mit dem Knoten der Ausgangsspannung gekoppelt ist und ein zweiter Eingang eine Referenzspannung ist.
  6. Der Mehrphasen-Wandler gemäß Anspruch 5, der weiter Stromerfassungsmittel aufweist zum Erfassen des Stroms in zumindest einem der Schaltungszweige, wobei das Steuersignal-Erzeugungsmittel des zumindest einen der Schaltungszweige die Ausgabe des Komparators und den erfassten Strom empfängt und ein pulsfrequenzmoduliertes Steuersignal für das Schaltmittel des zumindest einen der Schaltungszweige erzeugt.
  7. Der Mehrphasen-Wandler gemäß Anspruch 1, wobei der Mehrphasen-DC-zu-DC-Wandler ein Mehrphasen-Abwärtswandler ist.
  8. Der Mehrphasen-Wandler gemäß Anspruch 1, wobei der Mehrphasen-DC-zu-DC-Wandler ein Mehrphasen-Abwärts/Aufwärts-Wandler ist.
  9. Der Mehrphasen-Wandler gemäß Anspruch 1, wobei der Mehrphasen-DC-zu-DC-Wandler ein Mehrphasen-Aufwärtswandler ist.
  10. Der Mehrphasen-Wandler gemäß Anspruch 1, der konfiguriert ist, ein Phase-Zu-/Abschalten zu verwenden, um den Wandler zu betreiben, wobei eine aktive Anzahl der verwendeten Schaltungszweige an einen Wert eines Laststroms angepasst ist, wobei die aktive Anzahl niedriger sein kann als die Gesamtanzahl von Zweigen.
  11. Der Mehrphasen-Wandler gemäß Anspruch 1, wobei ein oder zwei Zweig(e) in einem Ruhemodus verwendet wird/werden, wobei die induktiven Mittel der Zweige, einem Ruhemodus zugewiesen, die höchste Induktanz aller Zweige und einen geringen AC-Verlust haben.
  12. Der Mehrphasen-Wandler gemäß Anspruch 11, wobei in dem Ruhemodus das Steuersignal-Erzeugungsmittel des aktiven Zweigs ein pulsfrequenzmoduliertes Steuersignal für das Schaltmittel des aktiven Zweigs erzeugt.
  13. Der Mehrphasen-Wandler gemäß Anspruch 1, wobei das Steuerungsmittel eine Rückkopplungsschleife aufweist.
  14. Der Mehrphasen-Wandler gemäß Anspruch 1, wobei das Steuerungsmittel einen Hysterese-Modus vorsieht.
  15. Der Mehrphasen-Wandler gemäß Anspruch 1, wobei in dem Schaltungszweig, der in dem Ruhemodus aktiv ist, die höchste Induktanz aller Zweige eingesetzt ist und in allen anderen Zweigen eine geringere Induktanz eingesetzt ist.
  16. Der Mehrphasen-Wandler gemäß Anspruch 15, wobei in den anderen Zweigen eine gleiche Induktanz eingesetzt ist.
  17. Der Mehrphasen-Wandler gemäß Anspruch 1, wobei in einem Modus mit hoher Last alle Zweige der Schaltung aktiviert sind.
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