WO2010130588A2 - Spannungswandler und verfahren zur spannungswandlung - Google Patents

Spannungswandler und verfahren zur spannungswandlung Download PDF

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WO2010130588A2
WO2010130588A2 PCT/EP2010/055857 EP2010055857W WO2010130588A2 WO 2010130588 A2 WO2010130588 A2 WO 2010130588A2 EP 2010055857 W EP2010055857 W EP 2010055857W WO 2010130588 A2 WO2010130588 A2 WO 2010130588A2
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capacitive
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cdc
storage
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Jan Enenkel
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Austriamicrosystems Ag
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/06—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider
    • H02M3/07—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using resistors or capacitors, e.g. potential divider using capacitors charged and discharged alternately by semiconductor devices with control electrode, e.g. charge pumps
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H05B45/00—Circuit arrangements for operating light-emitting diodes [LED]
    • H05B45/30—Driver circuits
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    • H05B45/3725—Switched mode power supply [SMPS]
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    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B20/00—Energy efficient lighting technologies, e.g. halogen lamps or gas discharge lamps
    • Y02B20/30—Semiconductor lamps, e.g. solid state lamps [SSL] light emitting diodes [LED] or organic LED [OLED]

Definitions

  • the invention relates to a voltage converter and a method for voltage conversion.
  • Voltage transformers are widely used to convert lower supply voltages into higher operating voltages. This is particularly helpful in mobile devices when higher voltages are required than the voltage provided by the battery of the mobile device.
  • Such voltage transformers have, for example, a coil and a capacitor, which are charged in switched operation with energy from the supply voltage.
  • energy is usually transferred to the coil in a switching phase, while in another switching phase energy is transferred from the coil to the capacitor. Consequently, all the energy needed at the output of the voltage converter is stored in the coil. This affects the necessary size of the coil used, which in turn is reflected in the production costs for the voltage converter.
  • a voltage converter includes a buck converter circuit having an inductive storage and a first capacitive storage, and a charge pump circuit connected downstream of the buck converter circuit.
  • the down converter circuit on the input side, a supply voltage can be supplied.
  • the down converter circuit is set up to charge the first capacitive storage in switched operation to a first intermediate voltage.
  • the charge pump circuit is configured to charge at least a second capacitive storage with the supply voltage to a second intermediate voltage and to generate an output voltage from the first and second intermediate voltage.
  • an output voltage is generated, which is composed of first and second intermediate voltage. Consequently, a portion of the energy required at the output of the voltage converter in the charge pump circuit is transferred directly to the second capacitive storage, which is designed, for example, as a capacitor, from a supply voltage input. Another portion of the energy required at the output is transferred to the first capacitive storage via the inductive storage in the down converter circuit.
  • an inductive storage such as a smaller size coil can be used as compared with a conventional solution.
  • the voltage converter described can be produced more cheaply. It should be noted that capacitive storage are cheaper than corresponding inductive storage.
  • the down converter circuit is set up here, the inductive one in a first switching phase To charge memory via the supply voltage and to transfer energy from the inductive storage to the first capacitive storage in a second switching phase.
  • the first and second switching phases preferably follow one another alternately.
  • the second switching phase of the inductive storage is separated from the supply voltage terminal and thus the first capacitive memory connected, that the inductive storage discharges a current and thereby transmits its energy to the first capacitive memory.
  • the charge pump circuit is configured to load the second capacitive storage to the second intermediate voltage in a third switching phase and to connect the first and the at least one second capacitive storage in series in a fourth switching phase.
  • the third and fourth switching phases follow each other alternately.
  • the second intermediate voltage is generated on the at least one second capacitive memory by which the first intermediate voltage is to be raised or increased. Accordingly, in the fourth switching phase, the generation of the output voltage takes place by increasing the first intermediate voltage by the second intermediate voltage.
  • the first and third switching phases may begin simultaneously.
  • respective switching periods of the first and second or third and fourth switching phase be different in length and / or frequency.
  • the level of the output voltage or the second intermediate voltage depends on the number and the interconnection of capacitive storage in the charge pump circuit.
  • the charge pump circuit has exactly one second and one third capacitive storage, which essentially, ie within the scope of manufacturing tolerances, have the same capacity.
  • the charge pump circuit is set up to charge the second and third capacitive storage in series connection to the supply voltage in the third switching phase and to connect the second and third capacitive storage in series connection to the first capacitive storage in the fourth switching phase. This ensures that the second and third capacitive storage is charged in each case to a voltage which corresponds to substantially half of the supply voltage.
  • Switching phase thus results as a second intermediate voltage half the supply voltage, which causes an increase of the first intermediate voltage by half the supply voltage through the series connection of the second and third capacitive memory with the first capacitive memory.
  • the charge pump circuit has exactly one second capacitive storage, it is charged to the supply voltage in the third switching phase.
  • the second intermediate voltage corresponds to
  • the output voltage of the voltage converter thus results from the sum of the first intermediate voltage and the supply voltage.
  • an output voltage at the voltage converter may be necessary to output an output voltage at the voltage converter that is less than the supply voltage. This may be the case, in particular with fluctuating supply voltages, such as, for example, an initially fully charged battery which provides the supply voltage. Consequently, an increase of the first intermediate voltage, for example, around the supply voltage, is undesirable.
  • the voltage converter comprises a bypass circuit, which is set up to connect the first capacitive memory to the output terminal of the voltage converter in response to a control signal such that the first intermediate voltage is output as output voltage at the output terminal.
  • a function of the charge pump circuit with respect to the voltage increase is deactivated by the bypass circuit or the control signal.
  • the output voltage range of the voltage converter is increased by this embodiment, since output voltages can also be delivered in the range from zero to the supply voltage.
  • the buck converter circuit includes a control part configured to supply the switched operation in such a manner control that the first intermediate voltage has a predetermined value.
  • the predetermined value can be supplied to the control part in the form of a digital signal or a reference voltage.
  • the control part controlled variables can be supplied, which influence the control process.
  • the voltage at the first capacitive memory can be evaluated as a controlled variable.
  • a current source for supplying an electrical load is provided on the output side of the voltage converter.
  • the control part is configured to perform the control in response to a voltage drop across the power source. For example, a control in the control part takes place such that a voltage drop across the current source reaches a reference value.
  • the voltage drop or the reference value are a measure of the height of the output voltage, which is output from the voltage converter. For example, if the voltage drop across the current source is too low, the value of the first intermediate voltage to be output is increased.
  • a buck converter circuit is provided with an inductive storage and a first capacitive storage. Furthermore, a charge pump circuit is provided with at least one second capacitive storage. In switched operation, the first capacitive memory is charged via the inductive storage by means of a supply voltage to a first intermediate voltage. The at least one second capacitive memory is charged by means of the supply voltage to a second intermediate voltage. An output voltage is generated as a function of the first and second intermediate voltages. In the method described can thus again be used an inductive storage, which has a lower inductance compared to a conventional solution. Such an inductive memory is therefore cheaper than in a conventional solution and requires less space in the construction of the buck converter circuit.
  • the voltage conversion method may operate the buck converter circuit and the charge pump circuit as previously described for the various embodiments of the voltage converter.
  • either the first intermediate voltage or the sum of the first and second intermediate voltages is output as the output voltage.
  • the voltage range of the output voltage can be increased flexibly.
  • FIG. 1 shows a first exemplary embodiment of a voltage converter
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a voltage converter
  • FIG. 3 shows a first exemplary time diagram for processes in the voltage converter
  • FIG. 4 shows exemplary block diagrams during different switching phases of the voltage converter
  • FIG. 5 shows a second exemplary time diagram for processes in the voltage converter
  • Figure 6 shows a third embodiment of a voltage converter
  • FIG. 7 shows further exemplary block diagrams during different switching phases of the voltage converter.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of a voltage converter with a down-converter circuit DCDC and a charge pump circuit CP.
  • the down-converter circuit DCDC has an inductive storage LSW, which is embodied, for example, as a coil, and a first capacitive storage CDC, which is formed approximately by a capacitor.
  • a terminal of the inductive memory LSW is connected via a switch S1 to a supply voltage terminal VDD and via a switch S2 to a reference voltage terminal VSS.
  • the second terminal of the inductive storage LSW is connected to the first capacitive storage CDC and simultaneously forms an output of the down-converter circuit DCDC.
  • the first capacitive memory CDC is connected between inductive storage LSW and the reference voltage terminal VSS.
  • the first and second switches Sl, S2 are driven by a control part RDCDC of the down converter circuit DCDC.
  • the charge pump circuit CP has a control part RCP which is coupled with a first input to the supply voltage terminal VDD and with a second input to the output of the down converter circuit DCDC. To the Control part RCP is also connected to a second capacitive memory CFLY. An output of the charge pump circuit CP is connected to an output terminal OUT of the voltage converter. Furthermore, FIG. 1 shows an output store COUT which is connected between the output terminal OUT and the reference voltage terminal VSS. The output buffer COUT, which essentially serves to stabilize the output voltage, is not a mandatory component of the voltage converter.
  • the buck converter circuit DCDC and the charge pump circuit CP can be operated independently of each other in terms of their control.
  • the step-down converter circuit DCDC by appropriately opening and closing the first and second switches S1, S2 with intermediate storage on the inductive storage LSW, energy is transferred to the first capacitive storage CDC to generate a first intermediate voltage at the output of the down-conversion circuit DCDC.
  • a height of the first intermediate voltage depends in a known manner on respective switching periods of the first and second switches Sl, S2.
  • the second capacitive memory CFLY is charged by means of a supply voltage VBAT at the supply voltage connection VDD, for example, to the value of the supply voltage VBAT.
  • the second capacitive memory CFLY is charged to a second intermediate voltage, which in this case corresponds to the supply voltage VBAT.
  • the charge pump circuit CP When the charge pump circuit CP has generated the second intermediate voltage, it is able to connect the second capacitive storage CFLY and the first capacitive storage CDC, over which the first intermediate voltage is applied, such that an output voltage is present at the output terminal OUT is composed of first and second intermediate voltage, for example in an additive manner.
  • the output memory COUT is thus charged to this output voltage.
  • Figure 2 shows another embodiment of a voltage converter, which is at least partially designed as an integrated circuit IC.
  • the integrated circuit IC comprises the first and second switches Sl, S2 and further switches S31, S32, S41, S42. Further, a combined control part
  • RDCDC which serves among other things to control the switch.
  • Corresponding control lines from the combined control part RDCDC, RCP for controlling the switches are not shown for reasons of clarity, but will be apparent to one skilled in the art without further ado.
  • a voltage source BAT for supplying the supply voltage VBAT is connected to the supply voltage connection VDD.
  • a capacitive input memory CBAT is provided which is connected between the supply voltage connection VDD and the reference voltage connection VSS.
  • the inductive store LSW can be coupled to the supply voltage connection VDD or the reference voltage connection VSS via the first and second switches S1, S2.
  • the other terminal of the inductive storage LSW is connected to the reference voltage terminal VSS via the first capacitive storage CDC.
  • the positive terminal of the second capacitive memory CFLY is coupled to the supply voltage terminal VDD via the switch S31 and to the output terminal OUT via the switch S42.
  • the other negative terminal of the second capacitive memory CFLY is coupled to the first capacitive storage CDC via the switch S41 and to the reference voltage terminal VSS via the switch S32.
  • the capacitive output voltage COUT is provided.
  • While the first and the second switches S 1, S 2 can be assigned to the down-converter circuit DCDC, the switches S 31, S 32, S 41, S 42 are part of the charge pump circuit CP.
  • the first and the second intermediate voltage can be generated and the output voltage as a combination of the first and second intermediate voltage.
  • the regulation of the first intermediate voltage takes place, for example, as a function of the voltage across the first capacitive storage CDC.
  • FIG. 3 shows an exemplary time diagram of switching phases P1, P2, P3, P4, in which the switches of the voltage converter are correspondingly driven.
  • a first switching phase Pl and a second switching phase P2 are shown, which follow one another alternately.
  • the first and second switching phases Pl, P2 control the operation of the buck converter circuit DCDC, in particular the switches Sl, S2.
  • a third switching phase P3 and a fourth switching phase P4 are shown, which are also alternating follow one another.
  • Third and fourth switching phase P3, P4 control the switch position of the switches S31, S32, S41, S42.
  • first and third switching phases P1, P3 as well as second and fourth switching phases P2, P4 coincide in each case.
  • this coincidence is not absolutely necessary and serves inter alia to simplify the explanation of the operation of the voltage converter, which will be described below in connection with FIGS. 4A and 4B.
  • FIG. 4A shows a block diagram of the voltage converter according to FIG. 2 during the first and third switching phases P1, P3, respectively.
  • the first switch S1 due to the first switching phase Pl, the first switch S1 in a closed state and the second switch S2 in an open state. Accordingly, a current can flow from the supply voltage terminal VDD via the first switch S1 through the inductive storage LSW to the first capacitive storage CDC, indicated by the corresponding current arrow in FIG. 4A.
  • the current flow causes an energy storage in the inductive storage LSW.
  • the switches S31, S32 are in a closed state and the switches S41, S42 are in an open state.
  • the switches are not shown for reasons of clarity in Figures 4A and 4B.
  • the positive terminal of the second capacitive memory CFLY is connected to the power voltage terminal VDD, so that the second capacitive memory CFLY is charged to the power supply voltage VBAT.
  • the voltage converter is shown as a block diagram during the second and fourth switching phase P2, P4.
  • the first switch S1 in an open and the second switch S2 in a closed state.
  • the switches S31, S32 are in an open state while the switches S41, S42 are in a closed state.
  • the positive terminal of the second capacitive memory CFLY is connected to the output terminal OUT and the negative terminal is connected to the connection node of the inductive storage LSW and the first capacitive storage CDC.
  • the output terminal OUT results at the output terminal OUT as an output voltage across the output memory COUT the sum of the first intermediate voltage, which is applied across the first capacitive memory CDC, and the second intermediate voltage, which is applied across the second capacitive memory CFLY.
  • the second intermediate voltage corresponds in this embodiment of the supply voltage VBAT.
  • the first intermediate voltage results in a known manner from a corresponding switching ratio between the first and second switching phase Pl, P2.
  • the value of the first intermediate voltage can thus be adjusted essentially between zero and the supply voltage VBAT.
  • the duration of the first and second switching phase Pl, P2 is in this case determined by the control part RDCDC in response to a control value which is supplied via a control input to the control part. Such a control input is shown in FIGS. 4A and 4B, for example, on the left of the control part RDCDC.
  • first and second switching phases P 1, P 2 can basically be selected with respect to switching duration and switching frequency independently of third and fourth switching phases P 3, P 4.
  • the control in the down converter circuit DCDC can be performed by the control part RDCDC independently of a control of the charge pump circuit CP by the control part RCP.
  • FIG. 5 shows a corresponding time diagram in which the sequence between the first and second switching phases P1, P2 is independent or unsynchronized with the sequence of third and fourth switching phases P3, P4.
  • the first intermediate voltage across the first capacitive memory CDC is generated, which is independent of the switching state of the first and second switches Sl, S2 to increase by the second Zwi - Tapping voltage by means of the charge pump circuit CP tap.
  • the charging of the second capacitive memory CFLY during the third and fourth switching phases P3, P4 is independent of the operation of the buck converter circuit DCDC.
  • FIG. 6 shows a further exemplary embodiment of a voltage converter, which essentially represents an extension of the exemplary embodiment illustrated in FIG.
  • the Function of corresponding elements, which are already known from Figure 2, is therefore not repeated at this point. Accordingly, in turn control lines of the combined control part RDCDC, RCP for controlling the switches are not shown for reasons of clarity, but will be apparent to those skilled in the art without further notice.
  • the voltage converter in FIG. 6 additionally comprises control inputs SDA, SCL and a bypass circuit BP, which connects the connection node of the inductive memory LSW and of the first capacitive memory CDC to the output terminal OUT.
  • the bypass circuit BP includes a switch and is coupled to the combined control part RDCD, RCP for its control.
  • the voltage converter further comprises a current source, which connects the output terminal OUT to a further output terminal OUT2, to which, as an exemplary electrical load, a flashlight LED FLED is connected.
  • the bypass circuit BP serves to bypass the charge pump circuit CP, so that the first intermediate voltage is output via the first capacitive storage CDC directly to the output terminal OUT as an output voltage. Accordingly, when the switch of the bypass circuit BP is closed, there is no increase in the first intermediate voltage by the second intermediate voltage by the charge pump circuit CP. With such a voltage converter, it is thus possible to output output voltages which lie in the range between zero and twice the supply voltage, with desired output voltages in the range from zero to
  • the bypass circuit is activated and at desired output voltages between the supply voltage VBAT and the double supply voltage the bypass circuit BP is deactivated.
  • the combined control part RDCDC, RCP sends a corresponding control signal to the bypass circuit BP.
  • a corresponding value for the desired output voltage can be supplied to the voltage converter via one of the control terminals SDA, SCL.
  • the output voltage at the output terminal OUT with the corresponding current level is led to the light-emitting diode FLED at the further output terminal OUT2.
  • a voltage drop across the current source CS is evaluated via corresponding terminals, which are guided in the control part RDCDC, in order to perform a regulation of the first intermediate voltage.
  • the voltage drop across the current source CS is compared with a reference value, which represents a measure of the desired level of the output voltage.
  • the durations of the first and second switching phases Pl, P2 are adjusted.
  • the voltage across the first capacitive memory CDC can also be evaluated by the control section RDCDC.
  • FIGS. 7A and 7B show block diagrams of another embodiment of a voltage converter.
  • the down converter circuit corresponds in construction and function to the previously described embodiments.
  • the charge pump circuit CP comprises a second and a third capacitive storage CFLY1, CFLY2, which have substantially the same capacity.
  • the second and the third capacitive memory are designed as capacitors, which are preferably identical in construction and have the same nominal capacitance value.
  • the first and second switching phases Pl, P2 for the down-converter circuit DCDC are not shown in FIGS. 7A and 7B.
  • FIG. 7A shows an interconnection of the second and third capacitive memory CFLY1, CFLY2 during the third switching phase.
  • the second and third capacitive accumulators CFLY1, CFLY2 are connected in series between the supply voltage terminal VDD and the reference voltage terminal VSS.
  • the individual capacitive accumulators are each charged to half the supply voltage in accordance with the principle of the capacitive voltage divider.
  • Corresponding switches that enable this connection are not shown for reasons of clarity, but their position and control is easily deducible for the average expert.
  • FIG. 7B shows the block diagram during the fourth switching phase P4, in which second and third capacitive memories CFLY1, CFLY2 are connected in parallel between the connection node of the inductive memory LSW to the first capacitive memory CDC and the output terminal OUT.
  • the interconnection takes place in such a way that the positive terminal of the capacitive accumulators CFLY1, CFLY2, which is marked with a plus sign, is directed to the output terminal OUT. Therefore, it comes again to the output terminal OUT to a superposition of the second intermediate voltage, which is applied to the capacitive storage CFLYl, CFLY2 with the first intermediate voltage across the first capacitive memory CDC.
  • the second intermediate voltage is half the supply voltage.
  • the voltage range of the voltage converter can also be increased by a switchable connection between the first capacitive memory CDC and the output terminal OUT in the exemplary embodiment in FIG.
  • a feedback line FB is shown which returns the voltage across the first capacitive memory CDC to the control part RDCDC.
  • the embodiments described in the various figures can be combined without any problem.
  • other modifications are possible, for example, the provision of a larger number of charge storage devices in the charge pump circuit.
  • three charge accumulators can be connected in series, while these are connected in parallel in the fourth switching phase. Accordingly, the second intermediate voltage is about one third of the supply voltage.
  • charge pump circuits that generate a second intermediate voltage that is greater than the supply voltage can also be used.
  • a coil of smaller size than inductive storage LSW can be used in comparison to a conventional voltage converter.
  • a such a coil may for example be smaller and have a lower height than a coil in a conventional voltage converter.
  • the additionally required capacitive storage of the charge pump circuit usually requires less additional space than is saved by reducing the size of the coil.
  • the size of a voltage converter can be advantageously reduced. Also in terms of production costs, the savings made by the smaller size coil outweigh the additional cost of the capacitive storage of the charge pump circuit. Therefore, a voltage converter according to one of the described embodiments not only saves space but also cheaper to manufacture than a comparable conventional voltage converter.

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Abstract

Ein Spannungswandler umfasst eine Abwärtswandlerschaltung (DCDC) mit einem induktiven Speicher (LSW) und einem ersten kapazitiven Speicher (CDC) sowie eine Ladungspumpenschaltung (CP) mit wenigstens einem zweiten kapazitiven Speicher (CFLY, CFLY1, CFLY2). Die Abwärtswandlerschaltung (DCDC), der eingangsseitig eine Versorgungsspannung (VBAT) zuführbar ist, ist eingerichtet, den ersten kapazitiven Speicher (CDC) in geschaltetem Betrieb auf eine erste Zwischenspannung zu laden. Die Ladungspumpenschaltung (CP) ist eingerichtet, den wenigstens einen zweiten kapazitiven Speicher (CFLY, CFLY1, CFLY2) mit der Versorgungsspannung (VBAT) auf eine zweite Zwischenspannung zu laden und aus der ersten und zweiten Zwischenspannung eine Ausgangsspannung zu erzeugen.

Description

Beschreibung
Spannungswandler und Verfahren zur Spannungswandlung
Die Erfindung betrifft einen Spannungswandler und ein Verfahren zur Spannungswandlung.
Spannungswandler werden vielfach eingesetzt, um niedrigere Versorgungsspannungen in höhere Betriebsspannungen umzuset- zen. Dies ist insbesondere in Mobilfunkgeräten hilfreich, wenn höhere Spannungen benötigt werden als die von der Batterie des Mobilfunkgeräts bereit gestellte Spannung.
Derartige Spannungswandler weisen beispielsweise eine Spule und einen Kondensator auf, die in geschaltetem Betrieb mit Energie aus der Versorgungsspannung geladen werden. Dabei wird üblicherweise in einer Schaltphase Energie in die Spule übertragen, während in einer anderen Schaltphase Energie von der Spule auf den Kondensator übertragen wird. Folglich wird sämtliche Energie, die am Ausgang des Spannungswandlers benötigt wird, in der Spule zwischengespeichert. Dies beeinflusst die notwendige Größe der verwendeten Spule, was sich wiederum in den Produktionskosten für den Spannungswandler niederschlägt .
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Spannungswandler und ein Verfahren zur Spannungswandlung bereitzustellen, die eine kostengünstige Spannungswandlung ermöglichen.
Diese Aufgabe wird mit den Gegenständen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. In einer Ausführungsform umfasst ein Spannungswandler eine Abwärtswandlerschaltung, die einen induktiven Speicher und einen ersten kapazitiven Speicher aufweist, und eine der Abwärtswandlerschaltung nachgeschaltete Ladungspumpenschaltung. Der Abwärtswandlerschaltung ist eingangsseitig eine Versorgungsspannung zuführbar. Hierbei ist die Abwärtswandlerschaltung dazu eingerichtet, den ersten kapazitiven Speicher in geschaltetem Betrieb auf eine erste Zwischenspannung zu laden. Die Ladungspumpenschaltung ist eingerichtet, wenigstens einen zweiten kapazitiven Speicher mit der Versorgungsspannung auf eine zweite Zwischenspannung zu laden und aus der ersten und zweiten Zwischenspannung eine Ausgangsspannung zu erzeugen .
Mit dem beschriebenen Spannungswandler wird demnach eine Ausgangsspannung erzeugt, die sich aus erster und zweiter Zwischenspannung zusammensetzt. Folglich wird ein Teil der Energie, die am Ausgang des Spannungswandlers benötigt wird, in der Ladungspumpenschaltung direkt auf den zweiten kapazitiven Speicher, der beispielsweise als Kondensator ausgeführt ist, von einem Versorgungsspannungseingang übertragen. Ein anderer Teil der am Ausgang benötigten Energie wird in der Abwärtswandlerschaltung über den induktiven Speicher auf den ersten kapazitiven Speicher übertragen. Demzufolge kann ein indukti- ver Speicher, beispielsweise eine Spule, geringerer Größe im Vergleich zu einer herkömmlichen Lösung eingesetzt werden. Dadurch kann der beschriebene Spannungswandler kostengünstiger hergestellt werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass kapazitive Speicher günstiger als entsprechende induktive Speicher sind.
In einer Ausführungsform ist dabei die Abwärtswandlerschaltung eingerichtet, in einer ersten Schaltphase den induktiven Speicher über die Versorgungsspannung aufzuladen und in einer zweiten Schaltphase Energie aus dem induktiven Speicher auf den ersten kapazitiven Speicher zu übertragen. Die erste und zweite Schaltphase folgen vorzugsweise alternierend aufeinan- der .
Beispielsweise wird in der ersten Schaltphase ein Stromfluss von einem Versorgungsspannungseingang über den induktiven Speicher und den nachgeschalteten ersten kapazitiven Speicher bewirkt, mit dem Energie im induktiven Speicher gespeichert wird. In der zweiten Schaltphase wird der induktive Speicher von dem Versorgungsspannungsanschluss getrennt und somit den ersten kapazitiven Speicher verschaltet, dass sich der induktive Speicher über einen Strom entlädt und dadurch seine Energie auf den ersten kapazitiven Speicher überträgt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Ladungspumpenschaltung eingerichtet, in einer dritten Schaltphase den einen zweiten kapazitiven Speicher auf die zweite Zwischenspannung zu laden und in einer vierten Schaltphase den ersten und den wenigsten einen zweiten kapazitiven Speicher in Reihe zu verschalten. Vorzugsweise folgen auch die dritte und vierte Schaltphase alternierend aufeinander. Anders ausgedrückt wird in der dritten Schaltphase die zweite Zwischenspannung auf dem wenigsten einen zweiten kapazitiven Speicher erzeugt, um welche die erste Zwischenspannung angehoben beziehungsweise erhöht werden soll. In der vierten Schaltphase erfolgt demnach die Erzeugung der Ausgangsspannung durch Erhöhung der ersten Zwischenspannung um die zweite Zwischenspannung.
Bei einer Kombination der beschriebenen Ausführungsformen können die erste und dritte Schaltphase gleichzeitig beginnen. Alternativ können aber jeweilige Schaltdauern der ersten und zweiten beziehungsweise dritten und vierten Schaltphase bezüglich Länge und/oder Frequenz unterschiedlich sein.
Die Höhe der Ausgangsspannung beziehungsweise der zweiten Zwischenspannung hängt von der Anzahl und der Verschaltung von kapazitiven Speichern in der Ladungspumpenschaltung ab. Beispielsweise weist die Ladungspumpenschaltung genau einen zweiten und einen dritten kapazitiven Speicher auf, die im Wesentlichen, das heißt im Rahmen von Herstellungstoleranzen die gleiche Kapazität aufweisen. Die Ladungspumpenschaltung ist in diesem Fall eingerichtet, in der dritten Schaltphase den zweiten und dritten kapazitiven Speicher in einer Reihenschaltung auf die Versorgungsspannung aufzuladen und in der vierten Schaltphase den zweiten und dritten kapazitiven Spei- eher in einer Parallelschaltung in Reihe zum ersten kapazitiven Speicher zu verschalten. Dadurch wird erreicht, dass der zweite und dritte kapazitive Speicher jeweils auf eine Spannung aufgeladen wird, die im Wesentlichen der Hälfte der Versorgungsspannung entspricht. Bei einem Parallelschalten des zweiten und dritten kapazitiven Speichers in der vierten
Schaltphase ergibt sich somit als zweite Zwischenspannung die halbe Versorgungsspannung, die durch die Reihenschaltung des zweiten und dritten kapazitiven Speichers mit dem ersten kapazitiven Speicher eine Erhöhung der ersten Zwischenspannung um die halbe Versorgungsspannung bewirkt.
Wenn die Ladungspumpenschaltung genau einen zweiten kapazitiven Speicher aufweist, wird dieser in der dritten Schaltphase auf die Versorgungsspannung aufgeladen. Anders ausgedrückt entspricht in diesem Fall die zweite Zwischenspannung der
Versorgungsspannung. Die Ausgangsspannung des Spannungswandlers resultiert demnach aus der Summe der ersten Zwischenspannung und der Versorgungsspannung. In weiteren Ausführungsformen kann auch eine Ladungspumpenschaltung mit mehreren kapazitiven Speichern eingesetzt werden, bei der eine Aufladung derart erfolgt, dass die zweite Zwischenspannung größer als die Versorgungsspannung ist.
Für manche Ausführungsformen kann es notwendig sein, eine Ausgangsspannung am Spannungswandler abzugeben, die kleiner als die Versorgungsspannung ist. Dies kann insbesondere bei schwankenden Versorgungsspannungen der Fall sein wie zum Bei- spiel einer anfänglich voll geladenen Batterie, die die Versorgungsspannung zur Verfügung stellt. Folglich ist eine Erhöhung der ersten Zwischenspannung, beispielsweise um die Versorgungsspannung, nicht gewünscht.
Dementsprechend umfasst der Spannungswandler in einer Ausführungsform eine Überbrückungsschaltung, die eingerichtet ist, in Abhängigkeit eines Steuersignals den ersten kapazitiven Speicher derart mit dem Ausgangsanschluss des Spannungswandlers zu verbinden, dass an dem Ausgangsanschluss die erste Zwischenspannung als Ausgangsspannung abgegeben wird. Anders ausgedrückt wird durch die Überbrückungsschaltung bzw. des Steuersignals eine Funktion der Ladungspumpenschaltung bezüglich der Spannungserhöhung deaktiviert. Der Ausgangsspannungsbereich des Spannungswandlers ist durch diese Ausfüh- rungsform vergrößert, da auch Ausgangsspannungen im Bereich von null bis zur Versorgungsspannung abgegeben werden können.
Für die Ansteuerung der Abwärtswandlerschaltung und der Ladungspumpenschaltung sind in verschiedenen Ausführungsformen ein oder mehrere Steuerschaltungen vorgesehen, die entsprechende Schaltsignale abgeben. In einer Ausführungsform weist die Abwärtswandlerschaltung beispielsweise ein Steuerteil auf, das eingerichtet ist, den geschalteten Betrieb derart zu steuern, dass die erste Zwischenspannung einen vorbestimmten Wert aufweist. Der vorbestimmte Wert kann hierbei etwa in Form eines digitalen Signals oder einer Referenzspannung dem Steuerteil zugeführt werden. Weiterhin können dem Steuerteil Regelgrößen zugeführt werden, welche den Steuervorgang beeinflussen. Insbesondere kann als Regelgröße die Spannung am ersten kapazitiven Speicher ausgewertet werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist am Spannungswandler ausgangsseitig eine Stromquelle zur Versorgung einer elektrischen Last vorgesehen. Das Steuerteil ist dabei eingerichtet, die Steuerung in Abhängigkeit eines Spannungsabfalls über die Stromquelle durchzuführen. Beispielsweise erfolgt eine Regelung in dem Steuerteil so, dass ein Spannungsabfall über die Stromquelle einen Referenzwert erreicht. Der Spannungsabfall beziehungsweise der Referenzwert sind dabei ein Maß für die Höhe der Ausgangsspannung, die vom Spannungswandler abgegeben wird. Beispielsweise wird demnach bei einem zu geringen Spannungsabfall über die Stromquelle der Wert der abzugebenden ersten Zwischenspannung erhöht.
In einem Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Spannungswandlung wird eine Abwärtswandlerschaltung mit einem induktiven Speicher und einem ersten kapazitiven Speicher bereitge- stellt. Ferner wird eine Ladungspumpenschaltung mit wenigstens einem zweiten kapazitiven Speicher bereitgestellt. Im geschalteten Betrieb wird der erste kapazitive Speicher über den induktiven Speicher mittels einer Versorgungsspannung auf eine erste Zwischenspannung aufgeladen. Der wenigstens eine zweite kapazitive Speicher wird mittels der Versorgungsspannung auf eine zweite Zwischenspannung aufgeladen. Eine Ausgangsspannung wird als Funktion der ersten und zweiten Zwischenspannung erzeugt. In dem beschriebenen Verfahren kann somit wiederum ein induktiver Speicher eingesetzt werden, der im Vergleich zu einer herkömmlichen Lösung eine geringere Induktivität aufweist. Ein derartiger induktiver Speicher ist daher günstiger als bei einer herkömmlichen Lösung und benötigt weniger Platz beim Aufbau der Abwärtswandlerschaltung. In verschiedenen Ausführungsformen können bei dem Verfahren zur Spannungswandlung die Abwärtswandlerschaltung und die Ladungspumpenschaltung betrieben werden, wie zuvor für die verschiedenen Aus- führungsbeispiele des Spannungswandlers beschrieben.
Beispielsweise wird in einer Ausführungsform des Verfahrens in Abhängigkeit eines Steuersignals als Ausgangsspannung entweder die erste Zwischenspannung oder die Summe der ersten und zweiten Zwischenspannung abgegeben. Dadurch lässt sich der Spannungsbereich der Ausgangsspannung flexibel vergrößern .
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbei- spielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Elemente tragen dabei gleiche Bezugszeichen .
Es zeigen:
Figur 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Spannungswandlers,
Figur 2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Spannungs- wandlers,
Figur 3 ein erstes beispielhaftes zeitliches Diagramm für Abläufe in dem Spannungswandler, Figur 4 beispielhafte Blockdiagramme während verschiedener Schaltphasen des Spannungswandlers,
Figur 5 ein zweites beispielhaftes zeitliches Diagramm zu Abläufen in dem Spannungswandlers,
Figur 6 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Spannungswandlers, und
Figur 7 weitere beispielhafte Blockdiagramme während verschiedener Schaltphasen des Spannungswandlers.
Figur 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Spannungswandlers mit einer Abwärtswandlerschaltung DCDC und einer Ladungspum- penschaltung CP. Die Abwärtswandlerschaltung DCDC weist einen induktiven Speicher LSW, der beispielsweise als Spule ausgeführt ist, und einen ersten kapazitiven Speicher CDC auf, der etwa durch einen Kondensator gebildet ist. Ein Anschluss des induktiven Speichers LSW ist über einen Schalter Sl mit einem Versorgungsspannungsanschluss VDD und über einen Schalter S2 mit einem Bezugsspannungsanschluss VSS verbunden. Der zweite Anschluss des induktiven Speichers LSW ist mit dem ersten kapazitiven Speicher CDC verbunden und bildet gleichzeitig einen Ausgang der Abwärtswandlerschaltung DCDC. Der erste kapa- zitive Speicher CDC ist zwischen induktivem Speicher LSW und dem Bezugsspannungsanschluss VSS geschaltet. Der erste und zweite Schalter Sl, S2 werden von einem Steuerteil RDCDC der Abwärtswandlerschaltung DCDC angesteuert.
Die Ladungspumpenschaltung CP weist ein Steuerteil RCP auf, welches mit einem ersten Eingang mit dem Versorgungsspannungsanschluss VDD und mit einem zweiten Eingang mit dem Ausgang der Abwärtswandlerschaltung DCDC gekoppelt ist. An das Steuerteil RCP ist zudem ein zweiter kapazitiver Speicher CFLY angeschlossen. Ein Ausgang der Ladungspumpenschaltung CP ist an einen Ausgangsanschluss OUT des Spannungswandlers angeschlossen. Ferner ist in Figur 1 ein Ausgangsspeicher COUT dargestellt, der zwischen den Ausgangsanschluss OUT und den Bezugsspannungsanschluss VSS geschaltet ist. Der Ausgangsspeicher COUT, der im Wesentlichen zur Stabilisierung der Ausgangsspannung dient, ist nicht zwingender Bestandteil des Spannungswandlers .
Die Abwärtswandlerschaltung DCDC und die Ladungspumpenschaltung CP können bezüglich ihrer Steuerung unabhängig voneinander betrieben werden. In der Abwärtswandlerschaltung DCDC wird durch entsprechendes Öffnen und Schließen des ersten und zweiten Schalters Sl, S2 unter Zwischenspeicherung auf dem induktiven Speicher LSW Energie auf den ersten kapazitiven Speicher CDC übertragen, um eine erste Zwischenspannung am Ausgang der Abwärtswandlerschaltung DCDC zu erzeugen. Eine Höhe der ersten Zwischenspannung hängt dabei in bekannter Weise von jeweiligen Schaltdauern des ersten und zweiten Schalters Sl, S2 ab.
In der Ladungspumpenschaltung wird der zweite kapazitive Speicher CFLY mittels einer Versorgungsspannung VBAT am Ver- sorgungsspannungsanschluss VDD beispielsweise auf den Wert der Versorgungsspannung VBAT aufgeladen. Anders ausgedrückt wird der zweite kapazitive Speicher CFLY auf eine zweite Zwischenspannung aufgeladen, die in diesem Fall der Versorgungsspannung VBAT entspricht. Durch entsprechende Verschaltung mehrerer kapazitiver Speicher in der Ladungspumpenschaltung CP können auch zweite Zwischenspannungen erzeugt werden, die kleiner oder größer als die Versorgungsspannung VBAT sind. Hierauf wird jedoch genauer später eingegangen werden. Wenn die Ladungspumpenschaltung CP die zweite Zwischenspannung erzeugt hat, ist sie in der Lage, den zweiten kapazitiven Speicher CFLY und den ersten kapazitiven Speicher CDC, über dem die erste Zwischenspannung anliegt, derart zu ver- schalten, dass am Ausgangsanschluss OUT eine Ausgangsspannung anliegt, die sich aus erster und zweiter Zwischenspannung zusammensetzt, beispielsweise in additiver Weise. Der Ausgangsspeicher COUT wird somit auf diese Ausgangsspannung aufgeladen .
Figur 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Spannungswandlers, der zumindest teilweise als integrierte Schaltung IC ausgeführt ist. Die integrierte Schaltung IC umfasst den ersten und zweiten Schalter Sl, S2 sowie weitere Schalter S31, S32, S41, S42. Ferner ist ein kombiniertes Steuerteil
RDCDC, RCP dargestellt, welches unter anderem zur Ansteuerung der Schalter dient. Entsprechende Steuerleitungen von dem kombinierten Steuerteil RDCDC, RCP zur Ansteuerung der Schalter sind aus Übersichtsgründen nicht dargestellt, ergeben sich für den Fachmann aber ohne Weiteres. An den Versorgungs- spannungsanschluss VDD ist eine Spannungsquelle BAT zur Bereitstellung der Versorgungsspannung VBAT angeschlossen. Ferner ist ein kapazitiver Eingangsspeicher CBAT vorgesehen, der zwischen den Versorgungsspannungsanschluss VDD und den Be- zugsspannungsanschluss VSS geschaltet ist. Wie zuvor für das Ausführungsbeispiel in Figur 1 beschrieben, ist der induktive Speicher LSW über den ersten und zweiten Schalter Sl, S2 alternativ mit dem Versorgungsspannungsanschluss VDD oder dem Bezugsspannungsanschluss VSS koppelbar. Der andere Anschluss des induktiven Speichers LSW ist über den ersten kapazitiven Speicher CDC mit dem Bezugsspannungsanschluss VSS verbunden. Der positive Anschluss des zweiten kapazitiven Speichers CFLY, in der Darstellung mit einem Pluszeichen gekennzeichnet, ist über den Schalter S31 mit dem Versorgungsspannungs- anschluss VDD und über den Schalter S42 mit dem Ausgangsan- Schluss OUT gekoppelt. Der andere, negative Anschluss des zweiten kapazitiven Speichers CFLY ist über den Schalter S41 mit dem ersten kapazitiven Speicher CDC und über den Schalter S32 mit dem Bezugsspannungsanschluss VSS gekoppelt. Am Aus- gangsanschluss OUT ist wiederum der kapazitive Ausgangsspei- eher COUT vorgesehen.
Während der erste und der zweite Schalter Sl, S2 der Abwärts- wandlerschaltung DCDC zugerechnet werden können, sind die Schalter S31, S32, S41, S42 Bestandteil der Ladungspumpen- Schaltung CP. Durch entsprechende Ansteuerung der Schalter können die erste und die zweite Zwischenspannung erzeugt werden sowie die Ausgangsspannung als Kombination der ersten und zweiten Zwischenspannung. Die Regelung der ersten Zwischenspannung erfolgt beispielsweise in Abhängigkeit der Spannung über dem ersten kapazitiven Speicher CDC.
Der Betrieb des Spannungswandlers mit der Abwärtswandler- schaltung DCDC und der Ladungspumpenschaltung CP kann in verschiedenen Schaltphasen erfolgen. Figur 3 zeigt ein beispiel- haftes zeitliches Diagramm von Schaltphasen Pl, P2, P3, P4, in denen die Schalter des Spannungswandlers entsprechend angesteuert werden. In der oberen Diagrammhälfte sind eine erste Schaltphase Pl und eine zweite Schaltphase P2 dargestellt, die alternierend aufeinander folgen. Die erste und zweite Schaltphase Pl, P2 regeln den Betrieb der Abwärtswandler- schaltung DCDC, insbesondere der Schalter Sl, S2. In der unteren Diagrammhälfte sind eine dritte Schaltphase P3 und eine vierte Schaltphase P4 dargestellt, die ebenfalls alternierend aufeinander folgen. Dritte und vierte Schaltphase P3, P4 steuern die Schalterstellung der Schalter S31, S32, S41, S42.
In dem beispielhaften Diagramm in Figur 3 fallen erste und dritte Schaltphase Pl, P3 sowie zweite und vierte Schaltphase P2, P4 jeweils zusammen. Dieses Zusammenfallen ist jedoch nicht zwingend erforderlich und dient unter anderem der einfacheren Erläuterung der Arbeitsweise des Spannungswandlers, welche im Zusammenhang mit den Figuren 4A und 4B im Folgenden beschrieben wird.
Figur 4A zeigt ein Blockschaltbild des Spannungswandlers gemäß Figur 2 während der ersten beziehungsweise dritten Schaltphase Pl, P3. Dabei ist, bedingt durch die erste Schaltphase Pl, der erste Schalter Sl in einem geschlossenen und der zweite Schalter S2 in einem offenen Zustand. Dementsprechend kann ein Strom vom Versorgungsspannungsanschluss VDD über den ersten Schalter Sl durch den induktiven Speicher LSW zum ersten kapazitiven Speicher CDC fließen, angedeutet durch den entsprechenden Strompfeil in Figur 4A. Der Strom- fluss bewirkt eine Energiespeicherung im induktiven Speicher LSW.
Bedingt durch die dritte Schaltphase P3 sind, mit Verweis auf Figur 2 die Schalter S31, S32 in einem geschlossenen Zustand und die Schalter S41, S42 in einem geöffneten Zustand. Die Schalter sind aus Übersichtsgründen in den Figuren 4A und 4B nicht dargestellt. Dementsprechend ist der positive Anschluss des zweiten kapazitiven Speichers CFLY mit dem Versorgungs- spannungsanschluss VDD verbunden, so dass der zweite kapazitive Speicher CFLY auf die Versorgungsspannung VBAT aufgeladen wird. In Figur 4B ist der Spannungswandler als Blockschaltbild während der zweiten beziehungsweise vierten Schaltphase P2, P4 dargestellt. Hierbei ist, bedingt durch die zweite Schaltphase P2 der erste Schalter Sl in einem geöffneten und der zwei- te Schalter S2 in einem geschlossenen Zustand. Da bekanntermaßen der Strom in dem induktiven Speicher LSW weiter fließen muss, wird somit in der zweiten Schaltphase P2 die Energie aus dem induktiven Speicher LSW auf den ersten kapazitiven Speicher CDC übertragen. Der Stromfluss über den induktiven Speicher LSW, den ersten kapazitiven Speicher CDC und den zweiten Schalter S2 ist entsprechend durch einen Strompfeil in Figur 4B dargestellt.
Während der vierten Schaltphase P4 sind, wiederum mit Verweis auf Figur 2, die Schalter S31, S32 in einem geöffneten Zustand, während die Schalter S41, S42 in einem geschlossenen Zustand sind. Dadurch ist der positive Anschluss des zweiten kapazitiven Speichers CFLY mit dem Ausgangsanschluss OUT und der negative Anschluss mit dem Verbindungsknoten des indukti- ven Speichers LSW und des ersten kapazitiven Speichers CDC verbunden. Somit resultiert am Ausgangsanschluss OUT als Ausgangsspannung über dem Ausgangsspeicher COUT die Summe aus erster Zwischenspannung, die über dem ersten kapazitiven Speicher CDC anliegt, und der zweiten Zwischenspannung, die über dem zweiten kapazitiven Speicher CFLY anliegt. Die zweite Zwischenspannung entspricht in diesem Ausführungsbeispiel der Versorgungsspannung VBAT.
Die erste Zwischenspannung resultiert in bekannter Weise aus einem entsprechenden Schaltverhältnis zwischen erster und zweiter Schaltphase Pl, P2. Der Wert der ersten Zwischenspannung lässt sich somit im Wesentlichen zwischen null und der Versorgungsspannung VBAT einstellen. Die Dauer der ersten und zweiten Schaltphase Pl, P2 wird hierbei vom Steuerteil RDCDC in Abhängigkeit eines Steuerwerts bestimmt, der über einen Steuereingang dem Steuerteil zugeführt wird. Ein derartiger Steuereingang ist in den Figuren 4A und 4B beispielsweise links am Steuerteil RDCDC dargestellt.
Abweichend von der in Figur 3 dargestellten zeitlichen Abfolge können erste und zweite Schaltphase Pl, P2 grundsätzlich bezüglich Schaltdauer und Schaltfrequenz unabhängig von drit- ter und vierter Schaltphase P3, P4 gewählt werden. Anders ausgedrückt kann die Regelung in der Abwärtswandlerschaltung DCDC durch das Steuerteil RDCDC unabhängig von einer Regelung der Ladungspumpenschaltung CP durch das Steuerteil RCP erfolgen .
Figur 5 zeigt ein dementsprechendes zeitliches Diagramm, bei dem der Ablauf zwischen erster und zweiter Schaltphase Pl, P2 unabhängig beziehungsweise unsynchronisiert mit dem Ablauf von dritter und vierter Schaltphase P3, P4 ist. Dies ist ohne weiteres möglich, da in der Abwärtswandlerschaltung während der ersten und zweiten Schaltphase Pl, P2 die erste Zwischenspannung über den ersten kapazitiven Speicher CDC erzeugt wird, welche sich unabhängig vom Schaltzustand des ersten und zweiten Schalters Sl, S2 zur Erhöhung durch die zweite Zwi- schenspannung mittels der Ladungspumpenschaltung CP abgreifen lässt. Andererseits ist auch der Ladevorgang des zweiten kapazitiven Speichers CFLY während der dritten und vierten Schaltphase P3, P4 unabhängig vom Betrieb der Abwärtswandlerschaltung DCDC.
Figur 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Spannungswandlers, das im Wesentlichen eine Erweiterung des in Figur 2 dargestellten Ausführungsbeispiels darstellt. Die Funktion entsprechender Elemente, die bereits aus Figur 2 bekannt sind, wird daher an dieser Stelle nicht wiederholt. Dementsprechend sind wiederum Steuerleitungen von dem kombinierten Steuerteil RDCDC, RCP zur Ansteuerung der Schalter aus Übersichtsgründen nicht dargestellt, ergeben sich für den Fachmann aber ohne Weiteres.
Der Spannungswandler in Figur 6 umfasst zusätzlich Steuereingänge SDA, SCL, sowie eine Überbrückungsschaltung BP, die den Verbindungsknoten des induktiven Speichers LSW und des ersten kapazitiven Speichers CDC mit dem Ausgangsanschluss OUT verbindet. Die Überbrückungsschaltung BP umfasst beispielsweise einen Schalter und ist zu dessen Steuerung mit dem kombinierten Steuerteil RDCD, RCP gekoppelt. Der Spannungswandler um- fasst ferner eine Stromquelle, die den Ausgangsanschluss OUT mit einem weiteren Ausgangsanschluss OUT2 verbindet, an den, als beispielhafte elektrische Last eine Blitzlicht-Leuchtdiode FLED angeschlossen ist.
Die Überbrückungsschaltung BP dient zum Überbrücken der Ladungspumpenschaltung CP, so dass die erste Zwischenspannung über den ersten kapazitiven Speicher CDC unmittelbar an den Ausgangsanschluss OUT als Ausgangsspannung abgegeben wird. Demnach erfolgt bei geschlossenem Schalter der Überbrückungs- Schaltung BP keine Erhöhung der ersten Zwischenspannung um die zweite Zwischenspannung durch die Ladungspumpenschaltung CP. Mit einem derartigen Spannungswandler ist es somit möglich, Ausgangsspannungen abzugeben, die im Bereich zwischen null und der doppelten Versorgungsspannung liegen, wobei bei gewünschten Ausgangsspannungen im Bereich von null bis zur
Versorgungsspannung VBAT die Überbrückungsschaltung aktiviert ist und bei gewünschten Ausgangsspannungen zwischen der Versorgungsspannung VBAT und der doppelten Versorgungsspannung die Überbrückungsschaltung BP deaktiviert ist. Das kombinierte Steuerteil RDCDC, RCP gibt hierzu ein entsprechendes Steuersignal an die Überbrückungsschaltung BP ab. Ein entsprechender Wert für die gewünschte Ausgangsspannung kann über einen der Steueranschlüsse SDA, SCL an den Spannungswandler zugeführt werden.
Über die Stromquelle CS wird die Ausgangsspannung am Aus- gangsanschluss OUT mit entsprechender Stromhöhe an die Leuchtdiode FLED am weiteren Ausgangsanschluss OUT2 geführt. Ein Spannungsabfall über die Stromquelle CS wird über entsprechende Anschlüsse, die in das Steuerteil RDCDC geführt sind, ausgewertet, um eine Regelung der ersten Zwischenspannung durchzuführen. Beispielsweise wird der Spannungsabfall über die Stromquelle CS mit einem Referenzwert verglichen, welcher ein Maß für die gewünschte Höhe der Ausgangsspannung darstellt. In Abhängigkeit des Vergleichs werden die Zeitdauern der ersten und zweiten Schaltphase Pl, P2 angepasst. Im Übrigen kann zur Regelung der ersten Zwischenspannung alter- nativ oder zusätzlich auch die Spannung über dem ersten kapazitiven Speicher CDC vom Steuerteil RDCDC ausgewertet werden.
Die Figuren 7A und 7B zeigen Blockschaltbilder einer weiteren Ausführungsform eines Spannungswandlers. Die Abwärtswandler- Schaltung entspricht in Aufbau und Funktion den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen. Die Ladungspumpenschaltung CP umfasst jedoch einen zweiten und einen dritten kapazitiven Speicherung CFLYl, CFLY2, die im Wesentlichen die gleiche Kapazität aufweisen. Beispielsweise sind der zweite und der dritte kapazitive Speicher als Kondensatoren ausgeführt, die vorzugsweise baugleich sind und den gleichen nominellen Kapazitätswert aufweisen. Aus Übersichtsgründen sind in den Figuren 7A und 7B die erste und zweite Schaltphase Pl, P2 für die Abwärtswandlerschaltung DCDC nicht dargestellt. Figur 7A zeigt eine Verschaltung des zweiten und dritten kapazitiven Speichers CFLYl, CFLY2 wäh- rend der dritten Schaltphase. Dabei sind der zweite und dritte kapazitive Speicher CFLYl, CFLY2 in Reihe zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss VDD und dem Bezugsspannungsan- schluss VSS geschaltet. Dadurch werden die einzelnen kapazitiven Speicher entsprechend dem Prinzip des kapazitiven Span- nungsteilers jeweils auf die Hälfte der Versorgungsspannung aufgeladen. Entsprechende Schalter, die diese Verschaltung ermöglichen, sind aus Übersichtsgründen nicht dargestellt, ihre Position und Ansteuerung ist jedoch für den Durchschnittsfachmann leicht herleitbar.
Figur 7B zeigt das Blockschaltbild während der vierten Schaltphase P4, bei der zweiter und dritter kapazitiver Speicher CFLYl, CFLY2 parallel zwischen dem Verbindungsknoten des induktiven Speichers LSW mit dem ersten kapazitiven Speicher CDC und den Ausgangsanschluss OUT verschaltet sind. Die Verschaltung erfolgt hierbei derart, dass der mit einem Pluszeichen gekennzeichnete positive Anschluss der kapazitiven Speicher CFLYl, CFLY2 zum Ausgangsanschluss OUT gerichtet ist. Daher kommt es wiederum am Ausgangsanschluss OUT zu einer Überlagerung der zweiten Zwischenspannung, die über den kapazitiven Speichern CFLYl, CFLY2 anliegt mit der ersten Zwischenspannung über dem ersten kapazitiven Speicher CDC. Mit Verweis auf Figur 7A beträgt die zweite Zwischenspannung die Hälfte der Versorgungsspannung.
Unter der Vorgabe, dass mit der Abwärtswandlerschaltung DCDC erste Zwischenspannungen im Bereich von null bis zur Versorgungsspannung erzeugt werden können, ergibt sich somit ein Ausgangsspannungsbereich des Spannungswandlers von der Hälfte der Versorgungsspannung bis zum Eineinhalbfachen der Versorgungsspannung. Mit Verweis auf die Funktion der Überbrü- ckungsschaltung BP in Figur 6 kann auch in dem Ausführungs- beispiel in Figur 7 der Spannungsbereich des Spannungswandlers durch eine schaltbare Verbindung zwischen dem ersten kapazitiven Speicher CDC und dem Ausgangsanschluss OUT vergrößert werden.
In den Figuren 7A und 7B ist eine Rückkopplungsleitung FB dargestellt, welche die Spannung über dem ersten kapazitiven Speicher CDC an das Steuerteil RDCDC zurückführt. Somit kann, wie zuvor beschrieben, eine Regelung der ersten und zweiten Schaltphase Pl, P2 mittels der Schalter Sl, S2 erfolgen, um eine gewünschte erste Zwischenspannung beziehungsweise eine gewünschte Ausgangsspannung abgeben zu können.
Es sei darauf hingewiesen, dass sich die in den verschiedenen Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiele ohne weiteres kom- binieren lassen. Zudem sind weitere Abwandlungen möglich, beispielsweise das Vorsehen einer größeren Anzahl von Ladungsspeichern in der Ladungspumpenschaltung. Beispielsweise lassen sich in der dritten Schaltphase drei Ladungsspeicher in Serie schalten, während diese in der vierten Schaltphase gemeinsam parallel geschaltet werden. Dementsprechend ergibt sich als zweite Zwischenspannung etwa ein Drittel der Versorgungsspannung. Andererseits können auch Ladungspumpenschaltungen verwendet werden, die eine zweite Zwischenspannung erzeugen, die größer als die Versorgungsspannung ist.
Bei den beschriebenen Ausführungsbeispielen kann im Vergleich zu einem herkömmlichen Spannungswandler eine Spule geringerer Größe als induktiver Speicher LSW eingesetzt werden. Eine derartige Spule kann beispielsweise kleiner sein und eine geringere Bauhöhe aufweisen als eine Spule in einem herkömmlichen Spannungswandler. Die dafür zusätzlich benötigten kapazitiven Speicher der Ladungspumpenschaltung benötigen übli- cherweise dennoch weniger zusätzlichen Platz, als durch die Verkleinerung der Spule eingespart wird. Somit kann die Baugröße eines Spannungswandlers vorteilhaft verringert werden. Auch bezüglich der Produktionskosten überwiegt die Einsparung durch die Spule geringerer Größe die zusätzlichen Kosten für den kapazitiven Speicher der Ladungspumpenschaltung. Daher ist ein Spannungswandler gemäß einer der beschriebenen Ausführungsformen nicht nur Platz sparender sondern auch günstiger in der Herstellung als ein vergleichbarer herkömmlicher Spannungswandler .

Claims

Patentansprüche
1. Spannungswandler, umfassend eine Abwärtswandlerschaltung (DCDC) , die einen induktiven Speicher (LSW) und einen ersten kapazitiven Speicher (CDC) aufweist und die eingerichtet ist, den ersten kapazitiven Speicher (CDC) in geschaltetem Betrieb auf eine erste Zwischenspannung zu laden, wobei der Abwärtswandlerschaltung (DCDC) eingangsseitig eine Versorgungsspannung (VBAT) zu- führbar ist; und eine Ladungspumpenschaltung (CP) , die eingerichtet ist, wenigstens einen zweiten kapazitiven Speicher (CFLY, CFLYl, CFLY2) mit der Versorgungsspannung (VBAT) auf eine zweite Zwischenspannung zu laden, und die eingerichtet ist, aus der ersten und der zweiten Zwischenspannung eine Ausgangsspannung zu erzeugen.
2. Spannungswandler nach Anspruch 1, bei dem die Abwärtswandlerschaltung (DCDC) eingerichtet ist, in einer ersten Schaltphase (Pl) den induktiven Speicher
(LSW) über die Versorgungsspannung (VBAT) aufzuladen und in einer zweiten Schaltphase (P2) Energie aus dem induktiven Speicher (LSW) auf den ersten kapazitiven Speicher (CDC) zu übertragen, wobei die erste und die zweite Schaltphase (Pl, P2) alternierend aufeinanderfolgen.
3. Spannungswandler nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Ladungspumpenschaltung (CP) eingerichtet ist, in einer dritten Schaltphase (P3) den wenigstens einen zweiten kapazitiven Speicher (CFLY, CFLYl, CFLY2) auf die zweite Zwischenspannung zu laden und in einer vierten Schaltphase (P4) den ersten und den wenigstens einen zweiten kapazitiven Speicher (CDC, CFLY, CFLYl, CFLY2) in Reihe zu verschalten, wobei die dritte und die vierte Schaltphase (P3, P4) alternierend aufeinanderfolgen .
4. Spannungswandler nach Anspruch 2 und 3, bei dem die erste und die dritte Schaltphase (Pl, P3) gleichzeitig beginnen oder bezüglich ihrer Phase versetzt sind.
5. Spannungswandler nach Anspruch 3 oder 4, bei dem die Ladungspumpenschaltung (CP) eingerichtet ist, in der dritten Schaltphase (P3) den zweiten und einen dritten kapazitiven Speicher (CFLYl, CFLY2), die im Wesentlichen die gleiche Kapazität aufweisen, in einer Reihenschaltung auf die Versorgungsspannung (VBAT) aufzuladen und in der vierten Schaltphase (P4) den zweiten und den dritten kapazitiven Speicher (CFLYl, CFLY2) in einer Parallelschaltung in Reihe zum ersten kapazitiven Speicher (CDC) zu verschalten.
6. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Ladungspumpenschaltung (CP) eingerichtet ist, den zweiten kapazitiven Speicher (CFLY) auf die Versorgungsspannung (VBAT) aufzuladen.
7. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Ladungspumpenschaltung (CP) eingerichtet ist, die zweite Zwischenspannung mit einem Wert zu erzeugen, der größer als die Versorgungsspannung (VBAT) ist.
8. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend eine Überbrückungsschaltung (BP) , die einge- richtet ist, in Abhängigkeit eines Steuersignals den ersten kapazitiven Speicher (CDC) derart mit einem Ausgangsanschluss (OUT) zu verbinden, dass an dem Ausgangsanschluss (OUT) die erste Zwischenspannung als Ausgangsspannung abgegeben wird.
9. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei dem die Abwärtswandlerschaltung (DCDC) ein Steuerteil aufweist, das eingerichtet ist, den geschalteten Betrieb derart zu steuern, dass die erste Zwischenspannung einen vorbe- stimmten Wert aufweist.
10. Spannungswandler nach Anspruch 9, bei dem ausgangsseitig eine Stromquelle (CS) zur Versorgung einer elektrischen Last vorgesehen ist, wobei das Steuerteil eingerichtet ist, die Steuerung in Abhängigkeit eines Spannungsabfalls über die Stromquelle (CS) durchzuführen.
11. Verfahren zur Spannungswandlung, umfassend Bereitstellen einer Abwärtswandlerschaltung (DCDC) mit ei- nem induktiven Speicher (LSW) und einem ersten kapazitiven Speicher (CDC) ;
Bereitstellen einer Ladungspumpenschaltung (CP) mit wenigstens einem zweiten kapazitiven Speicher (CFLY, CFLYl, CFLY2) ; - Aufladen des ersten kapazitiven Speichers (CDC) über den induktiven Speicher (LSW) mittels einer Versorgungsspannung (VBAT) in geschaltetem Betrieb auf eine erste Zwischenspannung; Aufladen des wenigstens einen zweiten kapazitiven Spei- chers (CFLY, CFLYl, CFLY2) mittels der Versorgungsspannung (VBAT) auf eine zweite Zwischenspannung; und Erzeugen einer Ausgangsspannung als Funktion der ersten und der zweiten Zwischenspannung.
12. Verfahren nach Anspruch 11, bei dem beim Aufladen des ersten kapazitiven Speichers (CDC) in einer ersten Schaltphase (Pl) der induktive Speicher (LSW) über die Versorgungsspannung (VBAT) aufgeladen und in einer zweiten Schaltphase (P2) Energie aus dem induktiven Speicher (LSW) auf den ersten kapazitiven Speicher (CDC) übertragen wird, wobei die erste und die zweite Schaltphase (Pl, P2) alternierend aufeinanderfolgen.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, bei dem in einer dritten Schaltphase (P3) der wenigstens einen zweiten kapazitiven Speicher (CFLY, CFLYl, CFLY2) auf die zweite Zwischenspannung geladen und in einer vierten Schalt- phase (P4) der erste und der wenigstens eine zweite kapazitive Speicher (CDC, CFLY, CFLYl, CFLY2) in Reihe verschaltet werden, wobei die dritte und die vierte Schaltphase (P3, P4) alternierend aufeinanderfolgen.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, bei dem in Abhängigkeit eines Steuersignals als Ausgangsspannung entweder die erste Zwischenspannung oder die Summe der ersten und der zweiten Zwischenspannung abgegeben wird.
15. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, bei dem die zweite Zwischenspannung der Versorgungsspannung (VBAT) entspricht.
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