DE102007014384A1

DE102007014384A1 - Spannungskonverter und Verfahren zur Spannungskonversion

Info

Publication number: DE102007014384A1
Application number: DE102007014384A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Pauritsch; Peter Trattler
Original assignee: Austriamicrosystems AG
Current assignee: Ams Osram AG
Priority date: 2007-03-26
Filing date: 2007-03-26
Publication date: 2008-10-02
Also published as: WO2008116866A1; DE112008000707A5; US20100181973A1; US8120934B2

Abstract

Ein Spannungskonverter umfasst einen ersten, einen zweiten und einen dritten Kondensator (11, 12, 13), welche in zumindest einem Betriebszustand seriell geschaltet sind, einen Eingang (1) zum Zuführen einer Eingangsspannung (VIN), einen Ausgang (2) zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung (VOUT) und einen Ausgleichsschaltkreis (5). Der Eingang (1) des Spannungskonverters ist mit einem Kondensator aus einer Menge, umfassend den ersten, den zweiten und den dritten Kondensator (11, 12, 13), gekoppelt. Der Ausgang (2) des Spannungskonverters ist mit einem Kondensator aus der Menge, umfassend den ersten, den zweiten und den dritten Kondensator (11, 12, 13), gekoppelt. Der Ausgleichsschaltkreis (5) ist mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Kondensator (11, 12, 13) gekoppelt und gleicht eine erste Spannung (V1) des ersten Kondensators (11), eine zweite Spannung (V2) des zweiten Kondensators (12) und eine dritte Spannung (V3) des dritten Kondensators (13) untereinander an.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Spannungskonverter und ein Verfahren zur Spannungskonversion.
Spannungskonverter, im Englischen als direct current/direct current converter, abgekürzt DC/DC-converter, bezeichnet, werden üblicherweise dazu eingesetzt, um eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung umzuwandeln. Bei einem Aufwärtswandler ist die Ausgangsspannung höher als die Eingangsspannung. Bei einem Abwärtswandler hingegen ist die Ausgangsspannung niedriger als die Eingangsspannung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Spannungskonverter und ein Verfahren zur Spannungskonversion bereitzustellen, welche sowohl zur Aufwärts- wie auch zur Abwärtswandlung geeignet sind.
Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruchs 1 und dem Verfahren gemäß Patentanspruch 10 gelöst. Weiterbildungen und Ausgestaltungen sind jeweils Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
In einer Ausführungsform umfasst ein Spannungskonverter einen ersten, einen zweiten und einen dritten Kondensator. Ein Eingang des Spannungskonverters ist mit einem Kondensator aus einer Menge umfassend den ersten, den zweiten und den dritten Kondensator gekoppelt. Ferner ist ein Ausgang des Spannungskonverters mit dem oder einem anderen Kondensator aus der Menge umfassend den ersten, den zweiten und den dritten Kondensator gekoppelt. Darüber hinaus weist der Spannungskonver ter einen Ausgleichsschaltkreis auf, welcher mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Kondensator gekoppelt ist.
Der Eingang des Spannungskonverters dient zum Zuführen einer Eingangsspannung an den Spannungskonverter. Die Eingangsspannung wird dem Kondensator zugeleitet, der mit dem Eingang des Spannungskonverters verbunden ist. Der erste, der zweite und der dritte Kondensator sind zumindest in einem Betriebszustand in Serie geschaltet. Am ersten Kondensator ist eine erste Spannung, am zweiten Kondensator eine zweite Spannung und entsprechend am dritten Kondensator eine dritte Spannung abgreifbar. Der Ausgleichsschaltkreis ist zum Ausgleichen der ersten, der zweiten und der dritten Spannung untereinander vorgesehen. Am Ausgang des Spannungskonverters wird eine Ausgangsspannung bereitgestellt.
Mit Vorteil bewirkt der Ausgleichsschaltkreis, dass die erste, die zweite und die dritte Spannung näherungsweise gleich groß sind. Aufgrund der Serienschaltung der drei Kondensatoren und der Kopplung des Eingangs mit einem der drei Kondensatoren kann beispielsweise die dritte Spannung oder alternativ die Summe aus der zweiten und der dritten Spannung oder wiederum alternativ die Summe aus der ersten, der zweiten und der dritten Spannung näherungsweise gleich der Eingangsspannung sein. Die erste Spannung kann bspw. gleich der Eingangsspannung, gleich der Hälfte oder gleich einem Drittel der Eingangsspannung sein.
Mit Vorteil kann aufgrund der Serienschaltung der drei Kondensatoren und der Kopplung des Ausgangs des Spannungskonverters mit einem der drei Kondensatoren die dritte Spannung beispielsweise als Ausgangsspannung bereitgestellt werden. Alternativ kann die Summe aus der zweiten und der dritten Spannung oder die Summe aus der ersten, der zweiten und der dritten Spannung am Ausgang des Spannungskonverters zur Verfügung gestellt werden. Mit Vorteil kann durch die Wahl, mit welchem Kondensator der Eingang des Spannungskonverters und mit welchem Kondensator der Ausgang des Spannungskonverters gekoppelt ist, eingestellt werden, ob der Spannungskonverter als Ab- oder als Aufwärtswandler ausgebildet ist. Eine Induktivität ist nicht erforderlich.
Der Spannungskonverter ist in einer Ausführungsform induktivitätslos. Der Spannungskonverter ist vorteilhafterweise als Ladungspumpe realisiert. Ein Abwärtswandler kann als Buck-Konverter und ein Aufwärtswandler als Boost-Konverter bezeichnet sein.
Der Ausgleichsschaltkreis kann beispielsweise Ladung zwischen den drei Kondensatoren übertragen, indem er mindestens zwei der drei Kondensatoren untereinander austauscht oder indem er einen Ausgleichskondensator umfasst, der abwechselnd parallel zu mindestens einen der drei Kondensatoren geschaltet wird.
In einer Ausführungsform umfasst ein Verfahren zur Spannungskonversion ein Zuführen einer Eingangsspannung an einen Kondensator aus einer Menge umfassend einen ersten, einen zweiten und einen dritten Kondensator. Dabei sind der erste, der zweite und der dritte Kondensator in zumindest einem Betriebszustand in Serie zueinander geschaltet. Eine erste Spannung des ersten Kondensators, eine zweite Spannung des zweiten Kondensators und eine dritte Spannung des dritten Kondensators werden untereinander angeglichen. Eine Ausgangsspannung ist an einem Kondensator aus der Menge umfassend den ersten, den zweiten und den dritten Kondensator abgreifbar.
Aufgrund des Ladungsaustausches der drei Kondensatoren ist der Wert der ersten, der zweiten und der dritten Spannung näherungsweise gleich. Aufgrund der Zuführung der Eingangsspannung an einen Kondensator wird eine erste Anzahl L von Kondensatoren bestimmt, über die die Eingangsspannung abfällt. Als Ausgangsspannung wird eine Spannung bereitgestellt, welche über eine zweite Anzahl M von Kondensatoren abfällt. Die Ausgangsspannung beträgt somit näherungsweise das M/L-fache der Eingangsspannung.
Bei einem Verhältnis M/L größer 1 liegt eine Aufwärtswandlung und bei einem Verhältnis M/L kleiner 1 eine Abwärtswandlung vor. Das Verhältnis M/L kann alle positiven ganzen Zahlen und alle positiven gebrochenen Zahlen annehmen.
Die Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der Figuren näher erläutert. Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Bauelemente und Schaltungsteile tragen gleiche Bezugszeichen. Insoweit sich Schaltungsteile oder Bauelemente in ihrer Funktion entsprechen, wird deren Beschreibung nicht in jeder der folgenden Figuren wiederholt.
Es zeigen:
1A und 1B eine beispielhafte Ausführungsform eines Spannungskonverters nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
2A bis 2C eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Spannungskonverters nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
3 eine alternative beispielhafte Ausführungsform eines Spannungskonverters nach dem vorgeschlagenen Prinzip,
4A und 4B zwei beispielhafte Ausführungsformen eines Schalters,
5A und 5B zwei weitere beispielhafte Ausführungsformen eines Spannungskonverters nach dem vorgeschlagenen Prinzip mit angeschlossener elektrischer Last.
1A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Spannungskonverters nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Der Spannungskonverter 10 umfasst einen Eingang 1, einen Ausgang 2, einen Ausgleichsschaltkreis 5 sowie einen ersten, einen zweiten und einen dritten Kondensator 11 bis 13. Der Ausgleichsschaltkreis 5 weist einen ersten, einen zweiten und einen dritten Knoten 21 bis 23 auf. Die drei Knoten 21 bis 23 sind mit dem Eingang 1, mit dem Ausgang 2 und mit den drei Kondensatoren 11 bis 13 gekoppelt. Die drei Kondensatoren 11 bis 13 sind in Serie geschaltet, wobei die Serienschaltung zwischen dem ersten Knoten 21 und dem Bezugspotentialanschluss 8 angeordnet ist. Dabei ist der erste Kondensator 11 zwischen den ersten und den zweiten Knoten 21, 22 sowie der zweite Kondensator 12 zwischen den zweiten und den dritten Knoten 22, 23 geschaltet. Ferner ist der dritte Kondensator 13 zwischen den dritten Knoten 23 und einen Bezugspotentialanschluss 8 geschaltet. Der Ausgleichsschaltkreis 5 umfasst einen Ausgleichskondensator 6. Eine erste Elektrode des Ausgleichskondensators 6 ist über jeweils einen Schalter 41 bis 43 mit den drei Knoten 21 bis 23 gekoppelt. Eine zweite Elektrode des Ausgleichskondensators 6 ist über jeweils einen Schalter 43, 44 mit dem zweiten und dem dritten Knoten 22, 23 sowie über einen weiteren Schalter 45 mit dem Bezugspotentialanschluss 8 gekoppelt. Somit ist die erste Elektrode des Ausgleichskondensators 6 über den Schalter 41 mit einer ersten Elektrode des ersten Kondensators 11 und über den Schalter 43 mit einer zweiten Elektrode des ersten Kondensators 11 gekoppelt. Entsprechend ist der Ausgleichskondensators 6 über die beiden Schalter 42, 44 mit dem zweiten Kondensator 12 und über die beiden Schalter 43, 45 mit dem dritten Kondensator 13 gekoppelt.
Der Spannungskonverter 10 umfasst darüber hinaus einen vierten Kondensator 14, der in Serie zu dem ersten, dem zweiten und dem dritten Kondensator 11 bis 13 geschaltet ist. Der Ausgleichsschaltkreis 5 weist einen vierten Knoten 24 auf. Der vierte Kondensator 14 ist zwischen den vierten und den ersten Knoten 24, 21 geschaltet. Der Ausgleichskondensator 6 ist über zwei weitere Schalter 46, 47 mit dem vierten Kondensator 14 gekoppelt.
Weiter weist der Spannungskonverter 10 einen Eingangsumschalter 7 auf, der den Eingang 1 mit den vier Knoten 21 bis 24 koppelt. Der Eingangsumschalter 7 umfasst daher einen Eingang, der mit dem Eingang 1 verbunden ist, vier Schalter 48 und vier Ausgänge, die jeweils mit einem der vier Knoten 21 bis 24 verbunden sind. Der Spannungskonverter 10 umfasst darüber hinaus einen Ausgangsumschalter 9, der die vier Knoten 21 bis 24 mit dem Ausgang 2 koppelt. Der Ausgangsumschalter 9 weist daher vier Eingänge auf, die mit den vier Knoten 21 bis 24 verbunden sind, vier Schalter 49 sowie einen Ausgang, der mit dem Ausgang 2 des Spannungskonverters 10 verbunden ist. Ein Ausgangskondensator 31 ist zwischen dem Ausgang 2 und dem Bezugspotentialanschluss 8 angeordnet.
Ferner weist der Spannungskonverter 10 einen zweiten Ausgang 3, einen zweiten Ausgangsumschalter 32 und einen zweiten Ausgangskondensator 33 auf. Der zweite Ausgangsumschalter 33 koppelt die vier Knoten 21 bis 24 mit dem zweiten Ausgang 3. Zwischen den zweiten Ausgang 3 und den Bezugspotentialanschluss 8 ist der zweite Ausgangskondensator 33 geschaltet.
Eine Eingangsspannung VIN wird dem Eingang 1 des Spannungskonverters 10 zugeführt. Am Ausgleichskondensator 6 ist eine Ausgleichsspannung VD abgreifbar. Eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Spannung V1, V2, V3, V4 liegen am ersten, zweiten, dritten und vierten Kondensator 11 bis 14 an. Eine Ausgangsspannung VOUT wird am Ausgang 2, und eine zweite Ausgangsspannung VOUT2 wird am zweiten Ausgang 3 bereitgestellt. Die Funktionsweise wird anhand der 1B näher erläutert.
1B zeigt beispielhafte Betriebszustände des in 1A gezeigten Spannungskonverters 10. Die vier Betriebszustände A, B, C, D werden zyklisch mit einer Periodendauer T durchlaufen. In einem Betriebszustand A ist der Ausgleichskondensator 6 mit dem vierten Kondensator 14 verbunden. Die in 1A eingezeichnete Schalterstellung der Schalter 41 bis 47 des Ausgleichsschaltkreises 5 zeigt den Betriebszustand A. Ist vor Beginn des Betriebszustands A die Ausgleichsspannung VD ungleich der vierten Spannung V4, so wird durch die Verbindung des vierten Kondensators 14 und des Ausgleichskondensators 16 ein Ladungsausgleich ermöglicht, sodass zu Ende der Betriebszustand A die Ausgleichsspannung VD näherungsweise gleich der vierten Spannung V4 ist. Im Betriebszustand A sind somit die Schalter 46 und 47 geschlossen und die weiteren Schalter 41 bis 45 offen. Im Betriebszustand B ist der Ausgleichskondensator 6 mit dem ersten Kondensator 11, im Be triebszustand C mit dem zweiten Kondensator 12 und im Betriebszustand D mit dem dritten Kondensator 13 verbunden. Auf den Betriebszustand D folgt wiederum der Betriebszustand A.
Gemäß dem in 1A dargestellten Schaltzustand des Eingangsumschalters 7 ist der zweite Knoten 22 an den Eingang 1 angeschlossen, da der entsprechende Schalter geschlossen und die weiteren Schalter des Eingangsumschalters 7 offen sind. Somit fällt über die Serienschaltung umfassend den zweiten und den dritten Kondensator 12, 13 die Eingangsspannung VIN ab. Mittels des Ausgleichsschaltkreises 5 wird erzielt, dass die zweite und die dritte Spannung V2, V3 näherungsweise gleich sind und damit jeweils der Hälfte der Eingangsspannung VIN entsprechen. Da der Ausgleichsschaltkreis 5 bewirkt, dass die erste und die vierte Spannung V1, V4 ebenfalls näherungsweise jeweils gleich der Hälfte der Eingangsspannung VIN sind, liegt am vierten Knoten 24 das zweifache der Eingangsspannung VIN, am ersten Knoten 21 das 1,5-fache der Eingangsspannung VIN, am zweiten Knoten 22 die Eingangsspannung VIN und am dritten Knoten 23 die Hälfte der Eingangsspannung VIN an. Gemäß dem in 1A eingezeichneten Schaltzustand des Ausgangsumschalters 9 ist der erste Knoten 21 mit dem Ausgang 2 verbunden. Somit weist die am Ausgang 2 anliegende Ausgangsspannung VOUT das 1,5-fache der Eingangsspannung VIN auf. Da gemäß 1A der dritte Knoten 23 über den zweiten Ausgangsumschalter 32 mit dem zweiten Ausgang 3 verbunden ist, entspricht die zweite Ausgangsspannung VOUT2 näherungsweise der Hälfte der Eingangsspannung VIN.
Somit kann mit Vorteil sehr flexibel durch Wahl der Stellung des Eingangsumschalters 7 und der beiden Ausgangsumschalter 9, 32 ein Verhältnis der Ausgangsspannungen VOUT, VOUT2 zu der Eingangsspannung VIN eingestellt werden. Es ist sowohl eine Aufwärts- wie auch eine Abwärtskonversion der Eingangsspannung VIN möglich.
In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist mindestens ein zusätzlicher Kondensator in Serie zu den vier Kondensatoren 11 bis 14 geschaltet. Der Ausgleichsschaltkreis 5 weist weitere Schalter zur Verbindung des mindestens einen zusätzlichen Kondensators mit dem Ausgleichskondensator 6 auf. Der Ausgleichsschaltkreis 5 umfasst darüber hinaus mindestens einen zusätzlichen Knoten, der über den Eingangsumschalter 7 mit dem Eingang und über die Ausgangsumschalter 9, 32 mit den Ausgängen 2, 3 verbunden ist.
Alternativ kann der Eingangsumschalter 7 weniger als vier Ausgänge aufweisen und mit zwei oder drei der vier Knoten 21 bis 24 verbunden sein.
In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist der Eingangsumschalter 7 weggelassen und einer der vier Knoten 21 bis 24 direkt und permanent an den Eingang 1 des Spannungskonverters 10 angeschlossen. Somit ist fest eingestellt, über welche erste Anzahl L von Kondensatoren die Eingangsspannung VIN dauerhaft abfällt.
Alternativ kann der Ausgangsumschalter 9 weniger als vier Eingänge aufweisen und mit zwei oder drei der vier Knoten 21 bis 24 verbunden sein.
In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform ist der Ausgangsumschalter 9 weggelassen. Anstelle dessen ist der Ausgang 2 an einen der Knoten 21 bis 24 direkt und permanent angeschlossen. Somit ist fest eingestellt, über welche zweite Anzahl M von Kondensatoren die Ausgangsspannung VOUT abgegriffen wird.
In einer alternativen, nicht gezeigten Ausführungsform umfasst der Ausgleichsschaltkreis 5 einen weiteren Ausgleichskondensator, der entsprechend dem Ausgleichskondensator 6 eingesetzt wird.
2A zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Spannungskonverters nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Im Unterschied zum Spannungskonverter gemäß 1A sind im Spannungskonverter 10 gemäß 2A die vier Kondensatoren 11 bis 14 nicht permanent an den vier Knoten 21 bis 24 angeschlossen. Die vier Kondensatoren 11 bis 14 sind über Schalter mit den vier Knoten 21 bis 24 gekoppelt. Die jeweils ersten Elektroden der vier Kondensatoren 11 bis 14 sind mit dem vierten Knoten 24 über jeweils einen Schalter gekoppelt. Die ersten und die zweiten Elektroden der vier Kondensatoren 11 bis 14 sind über jeweils einen Schalter mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Knoten 21, 22, 23 gekoppelt. Die zweiten Elektroden der vier Kondensatoren 11 bis 14 sind über jeweils einen Schalter mit dem Bezugspotentialanschluss 8 gekoppelt.
Der Spannungskonverter 10 umfasst einen ersten, einen zweiten, einen dritten und einen vierten Zusatzkondensator 51 bis 54, die in Serie zueinander geschaltet sind. Der erste Kondensator 51 ist zwischen dem ersten und dem zweiten Knoten 21, 22 angeordnet. Entsprechend sind der zweite und der dritte Zusatzkondensator 52, 53 zwischen den zweiten und den dritten Knoten 22, 23 beziehungsweise zwischen den dritten Knoten 23 und den Bezugspotentialanschluss 8 geschaltet. Der vierte Zusatzkondensator 54 ist zwischen dem vierten Knoten 24 und dem ersten Knoten 21 angeordnet. Die Funktionsweise wird anhand von 2B erläutert.
2B zeigt eine beispielhafte Ausführungsform von vier Betriebszuständen A' bis D'. Der Betriebszustand A' entspricht der in 2A dargestellten Schalterstellung des Ausgleichsschaltkreises 5. Gemäß Betriebszustand A' ist der vierte Kondensator 14 zwischen dem vierten Knoten 24 und dem ersten Knoten 21, der erste Kondensator 11 zwischen dem ersten Knoten 21 und dem zweiten Knoten 22, der zweite Kondensator 12 zwischen dem zweiten Knoten 22 und dem dritten Knoten 23 sowie der dritte Kondensator 13 zwischen dem dritten Kondensator 23 und dem Bezugspotentialanschluss 8 geschaltet. Da am zweiten Knoten 22 die Eingangsspannung VIN anliegt, liegt somit an der Serienschaltung umfassend den zweiten und den dritten Kondensator 12, 13 die Eingangsspannung VIN an. Die erste Anzahl L ist somit 2. Die Summe aus der zweiten Spannung V2 und der dritten Spannung V3 entspricht somit der Eingangsspannung VIN. Da gemäß der Schalterstellung des Ausgangsumschalters 9 in 2A der Ausgangskondensator 31 an den ersten Knoten 21 angeschlossen ist, liegt somit am Ausgangskondensator 31 die Summe aus der ersten, der zweiten und der dritten Spannung V1, V2, V3 an. Die zweite Anzahl M ist somit 3. Es erfolgt mittels des Wechsels der Betriebszustände A', B', C', D' ein zyklisches Vertauschen der vier Kondensatoren 11 bis 14. Die Betriebszustände A' bis D' werden periodisch mit der Periodendauer T wiederholt. Durch die Verbindung des Eingangs 1 mit dem zweiten Knoten 22 erfolgt ein Stromfluss zu dem jeweils mit dem zweiten Knoten 22 verbundenen Kondensator, sodass Ladung im Betriebszustand B' auf den ersten Kondensator 11, im Betriebszustand C' auf den vierten Kondensator 14 und im Betriebszustand D' auf den dritten Kondensator 13 fließt. Aufgrund der Verbindung des Ausgangskon densators 31 mit dem ersten Knoten 21 wird der Ausgangskondensator 31 in jedem Betriebszustand auf die Summe der Spannungen derjenigen drei Kondensatoren, die zwischen dem ersten Knoten 21 und dem Bezugspotentialanschluss 8 angeordnet sind, aufgeladen. Mit Vorteil wird durch das zyklische Vertauschen der Kondensatoren 11 bis 14 ein Angleichen der vier Spannungen V1, V2, V3, V4 untereinander erzielt. Die Ausgangsspannung VOUT entspricht das M/L fache der Eingangsspannung VIN.
Es können weniger Betriebszustände als die vier Betriebszustände A, B, C, D vorgesehen sein. Bevorzugt sind mindestens zwei Betriebszustände vorgesehen. Mit Vorteil wird mittels der Betriebszustände sichergestellt, das ein Ladungspfad zwischen den vier Kondensatoren 11 bis 14 vorhanden ist, um die Ladung zu verteilen und die Spannungen über den vier Kondensatoren 11 bis 14 näherungsweise gleich zu halten.
2C zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform von Betriebszuständen A'' bis D'', welche eine Weiterbildung der Betriebszustände gemäß 2B ist. Im Betriebszustand A sind der vierte, der erste, der zweite und der dritte Kondensator hintereinander in Serie zwischen dem vierten Knoten 24 und dem Bezugspotentialanschluss 8 geschaltet. Gemäß Betriebszustand B' ist die Reihenfolge der vier Kondensatoren 11 bis 14 derart geändert, dass der erste, der vierte, der zweite und der dritte Kondensator 11, 14, 12, 13 hintereinander in Serie geschaltet sind. Gemäß Betriebszustand C'' sind der vierte, der zweite, der erste und der dritte Kondensator 14, 12, 11, 13 hintereinander in Serie geschaltet. Dagegen sind im Betriebszustand D'' der vierte, der erste, der dritte und der zweite Kondensator 14, 11, 13, 12 in dieser Reihenfolge in Serie geschaltet.
3 zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Spannungskonverters nach dem vorgeschlagenen Prinzip. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist der Ausgleichsschaltkreis 5 nur schematisch angegeben. Der Spannungskonverter 10 gemäß 3 umfasst einen dritten Ausgang 4 und einen dritten Ausgangsumschalter 34. Der dritte Ausgang 4 ist über einen dritten Ausgangskondensator 35 mit dem Bezugspotentialanschluss 8 verbunden. Der dritte Ausgangsumschalter 34 koppelt den dritten Ausgang 4 mit den vier Knoten 21 bis 24. Mit Vorteil weist somit der spulenlose Spannungskonverter 10 mehrere parallel geschaltete Ausgänge 2, 3, 6 auf, die sehr effizient versorgt werden können, da gleichzeitig mehrere Verhältnisse von Ausgangsspannungen zu der Eingangspannung realisierbar sind.
4A zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Schalters, wie er in den Ausführungsformen des Spannungskonverters eingesetzt werden kann. Der in 4A dargestellte Schalter kann beispielsweise im Eingangsumschalter 7, im Ausgleichsschaltkreis 5 und in den Ausgangsumschaltern 9, 32, 34 verwendet werden. Der Schalter umfasst einen Transistor 60. Der Transistor 60 ist als Feldeffekttransistor realisiert. Bevorzugt ist der Transistor als Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor, abgekürzt MOSFET, ausgebildet.
4B zeigt eine alternative beispielhafte Ausführungsform eines Schalters, wie er im vorgeschlagenen Spannungskonverter verwendet werden kann. Der Schalter umfasst ein Schaltelement 61 und einen Widerstand 62, die in Serie zueinander geschaltet sind. Der Widerstand 62 ist als steuerbarer Widerstand ausgebildet, der an einem Steuereingang mit einem Verstärker 63 verbunden ist. Der Verstärker 63 ist eingangsseitig mit dem Ausgang 2 des Spannungskonverters 10 und einer Spannungs quelle 64 verbunden. Mit dem Schalter kann das Verhältnis der Ausgangs- zu der Eingangsspannung VOUT/VIN fein eingestellt werden. Mit Vorteil wird mittels des Schalters erzielt, dass der Widerstandswert hoch eingestellt wird, sofern die Ausgangsspannung VOUT höher als eine von der Spannungsquelle 64 bereitgestellte Referenzspannung VREF ist. Somit können Stromspitzen und damit Schaltgeräusche verringert werden. In einer alternativen Ausführungsform ist anstelle des Schaltelements 61 und des Widerstandes 62 ein Transistor vorgesehen, dessen Einschaltwiderstand von dem Verstärker 63 gesteuert wird.
5A zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform des Spannungskonverters, welche eine Weiterbildung des in den 1A, 2A und 3 gezeigten Spannungskonverters ist. Der Spannungskonverter 10 umfasst zusätzlich eine Steuervorrichtung 70, welcher einen Rückkopplungseingang 71 sowie einen ersten und einen zweiten Steuerausgang 72, 73 aufweist. Der erste Steuerausgang 72 ist mit einem Steuereingang des Eingangsumschalters 7 verbunden. Ferner ist der zweite Steuerausgang 73 mit einem Steuereingang des Ausgangsumschalters 9 verbunden. Darüber hinaus weist die Steuervorrichtung 70 einen zweiten und einen dritten Rückkopplungseingang 74, 75 auf. Der Spannungskonverter 10 umfasst eine Auswahlschaltung 76, die mit den drei Rückkopplungseingängen 71, 74, 75 und der Steuervorrichtung 70 verbunden ist.
An den Ausgang 2 des Spannungskonverters 10 eine erste elektrische Last 81 angeschlossen. Die erste elektrische Last 81 umfasst eine Serienschaltung, welche beispielsweise drei Leuchtdioden 82 bis 84 und eine Stromquelle 85 aufweist. Die erste elektrische Last 81 ist zwischen den Ausgang 2 und den Bezugspotentialanschluss 8 geschaltet. Ein Knoten zwischen den drei Leuchtdioden 82 bis 84 und der ersten Stromquelle 85 ist mit dem Rückkopplungseingang 71 verbunden. Darüber hinaus weist die Anordnung eine zweite und eine dritte elektrische Last 91, 101 auf, die beispielsweise wie die erste elektrische Last 81 ausgebildet sind.
Die drei Ausgangsspannungen VOUT, VOUT2, VOUT3 werden den drei elektrischen Lasten 81, 91, 101 zugeleitet. Der Strom durch die erste elektrische Last 91 wird dabei durch die erste Stromquelle 85 begrenzt. Die Leuchtdioden 82 bis 84 geben elektromagnetische Strahlung ab. An der ersten Stromsenke 85 ist eine Rückkopplungsspannung VFB abgreifbar, die dem Rückkopplungseingang 71 zugeleitet wird. Entsprechend sind an den zweiten und den dritten Stromquellen 95, 105 eine zweite bzw. eine dritte Rückkopplungsspannung VFB2, VFB3 abgreifbar, die dem zweiten beziehungsweise dem dritten Rückkopplungseingang 74, 75 zugeführt werden. Der Auswahlschaltkreis 76 leitet diejenige der drei Rückkopplungsspannungen VFB, VFB2, VFB3 an die Steuervorrichtung 70 weiter, welche den geringsten Spannungswert aufweist. Mittels des Wertes der geringsten Rückkopplungsspannung VFB, VFB2, VFB3 wird von der Steuervorrichtung 70 die Schalterstellung des Eingangsumschalters 7 ermittelt. Dazu wird ein erstes Steuersignal SIN am ersten Steuerausgang 72 bereitgestellt, das dem Eingangsumschalter 7 zugeleitet wird. Die Steuervorrichtung 70 bestimmt darüber hinaus in Abhängigkeit des Wertes der Rückkopplungsspannung VFB die Schalterstellung des Ausgangsumschalters 9. Sie stellt am zweiten Steuerausgang 73 ein zweites Steuersignal SOUT bereit, das zum Einstellen des Ausgangsumschalters 9 dient. Entsprechend stellt die Steuervorrichtung 70 in Abhängigkeit der zweiten und der dritten Rückkopplungsspannung VFB2, VFB3 ein drittes und ein viertes Steuersignale SOUT2, SOUT3 am dritten bzw. vierten Steuerausgang 77, 78 bereit, die dem zweiten beziehungsweise drittem Ausgangsumschalter 32, 34 zugeleitet werden. Die Steuervorrichtung 70 vergleicht dazu die drei Rückkopplungsspannungen VFB, VFB2, VFB3 mit einer Referenzspannung und verändert die Stellung der Ausgangsumschalter 9, 32, 34 derart, dass die jeweilige Rückkopplungsspannung größer als die Referenzspannung ist. Ist durch eine Änderung der Schalterstellung der Ausgangsumschalter 9, 32, 34 keine Erhöhung der jeweiligen Ausgangsspannung VOUT, VOUT2, VOUT3 möglich, sodass die jeweilige Rückkopplungsspannung VFB, VFB2, VFB3 größer als die Referenzspannung ist, so wird die Schalterstellung des Eingangsumschalters 7 derart verändert, dass die Ausgangsspannungen VOUT, VOUT2, VOUT3 erhöht werden.
Mit Vorteil kann mittels der Steuervorrichtung 70 ein effizienter Betriebspunkt des Spannungskonverters 10 und der Leuchtdioden 82 bis 85, 92 bis 95, 102 bis 104 erzielt werden. Damit kann die Verlustleistung des Spannungskonverters 10 gering gehalten werden.
5B zeigt eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines Spannungskonverters, welche eine Weiterbildung des Spannungskonverters gemäß 5A ist. Gemäß 5B umfasst die erste elektrische Last 81' einen ersten Spannungsregler, englisch low drop out regulator, abgekürzt LDO. Die zweite und die dritte elektrische Last 91', 101' weisen einen zweiten und einen dritten Spannungsregler 96, 106 auf. Ein erster Spannungsteiler 87 verbindet den Ausgang 2 mit dem Bezugspotentialanschluss. Ein Abgriff des Spannungsteilers 87 ist an den Rückkopplungseingang 71 angeschlossen. Entsprechend ist ein zweiter und ein dritter Spannungsteiler 97, 107 zwischen den zweiten beziehungsweise den dritten Ausgang 3, 4 und den Bezugspotentialanschluss 8 geschaltet. Ein Abgriff des zwei ten Spannungsteilers 97 und ein Abgriff des dritten Spannungsteilers 107 sind mit dem zweiten beziehungsweise dritten Rückkopplungseingang 74, 75 verbunden.
Den drei Spannungsreglern 86, 96, 106 werden die Ausgangsspannungen VOUT, VOUT2, VOUT3 zugeleitet. Die drei Spannungsregler 86, 96, 106 stellen eine erste, eine zweite und eine dritte Versorgungsspannung VS1, VS2, VS3 bereit. Die Höhe der drei Ausgangsspannungen VOUT, VOUT2, VOUT3 wird mittels der drei Spannungsteiler 87, 97, 107, dem Auswahlschaltkreis 76 und der Steuervorrichtung 70 überwacht.
Mit Vorteil sind mittels der drei Spannungsregler 86, 96, 106 Versorgungsspannungen VS1, VS2, VS3 bereitstellbar, die eine geringere Welligkeit und eine höhere Genauigkeit hinsichtlich des Erreichens eines jeweiligen Referenzwertes verglichen mit den drei Ausgangsspannungen VOUT, VOUT2, VOUT3 des Spannungskonverters 10 aufweisen.
Die Anordnung gemäß 5A kann für eine RGB-Leuchtdiodenanordnung verwendet werden. Dabei sind die Leuchtdioden 82 bis 84 als im roten Wellenlängenbereich strahlende Leuchtdioden, die Leuchtdioden 92 bis 104 als im grünen Wellenlängenbereich arbeitende Leuchtdioden und die Leuchtdioden 102 bis 104 als im blauen Wellenlängenbereich leuchtende Leuchtdioden ausgebildet. Der Spannungskonverter 10 ist für eine RGB-Leuchtdiodenanordnung einsetzbar, da die verschiedenen Leuchtdioden unterschiedliche Vorwärtsspannungen für ihren Betrieb benötigen, die mittels der mehrfachen Ausgänge 2, 3, 4 effizient bereitstellbar sind.

1: Eingang
2: Ausgang
3: zweiter Ausgang
4: dritter Ausgang
5: Ausgleichsschaltkreis
6: Ausgleichskondensator
7: Eingangsumschalter
8: Bezugspotentialanschluss
9: Ausgangsumschalter
10: Spannungskonverter
11: erster Kondensator
12: zweiter Kondensator
13: dritter Kondensator
14: vierter Kondensator
21: erster Knoten
22: zweiter Knoten
23: dritter Knoten
24: vierter Knoten
31: Ausgangskondensator
32: zweiter Ausgangsumschalter
33: zweiter Ausgangskondensator
34: dritter Ausgangsumschalter
35: dritter Ausgangskondensator
41–49: Schalter
51–54: Zusatzkondensator
60: Transistor
61: Schaltelement
62: Widerstand
63: Verstärker
64: Spannungsquelle
70: Steuervorrichtung
71: Rückkopplungseingang
72: erster Steuerausgang
73: zweiter Steuerausgang
74: zweiter Rückkopplungseingang
75: dritter Rückkopplungseingang
76: Auswahlschaltkreis
77: dritter Steuerausgang
78: vierter Steuerausgang
79: Taktsignal
81: erste elektrische Last
82–84: Leuchtdiode
85: erste Stromquelle
86: erster Spannungsregler
87: erster Spannungsteiler
91: zweite elektrische Last
92–94: Leuchtdiode
95: zweite Stromquelle
96: zweiter Spannungsregler
97: zweiter Spannungsteiler
101: dritte elektrische Last
102–104: Leuchtdiode
105: dritte Stromquelle
106: dritter Spannungsregler
107: dritter Spannungsteiler
CLK: Taktsignal
SIN: erstes Steuersignal
SOUT: zweites Steuersignal
SOUT2: drittes Steuersignal
SOUT3: viertes Steuersignal
VD: Ausgleichsspannung
VFB: Rückkopplungsspannung
VFB2: zweite Rückkopplungsspannung
VFB3: dritte Rückkopplungsspannung
VIN: Eingangsspannung
VOUT: Ausgangsspannung
VOUT2: zweite Ausgangsspannung
VOUT3: dritte Ausgangsspannung
VREF: Referenzspannung
V1: erste Spannung
V2: zweite Spannung
V3: dritte Spannung
V4: vierte Spannung

Claims

Spannungskonverter, umfassend – einen ersten, einen zweiten und einen dritten Kondensator (11, 12, 13), welche in zumindest einem Betriebszustand seriell geschaltet sind, – einen Eingang (1) zum Zuführen einer Eingangsspannung (VIN), der mit einem Kondensator aus einer Menge umfassend den ersten, den zweiten und den dritten Kondensator (11, 12, 13) gekoppelt ist, – einen Ausgang (2) zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung (VOUT), der mit einem Kondensator aus der Menge umfassend den ersten, den zweiten und den dritten Kondensator (11, 12, 13) gekoppelt ist, und – einen Ausgleichsschaltkreis (5), der mit dem ersten, dem zweiten und dem dritten Kondensator (11, 12, 13) derart gekoppelt ist, dass eine erste Spannung (V1) des ersten Kondensators (11), eine zweite Spannung (V2) des zweiten Kondensators (12) und eine dritte Spannung (V3) des dritten Kondensators (13) untereinander angeglichen werden.
Spannungskonverter nach Anspruch 1, umfassend einen Eingangsumschalter (7), der eingangsseitig mit dem Eingang (1) des Spannungskonverters (10) und ausgangsseitig mit mindestens zwei Kondensatoren aus der Menge umfassend den ersten, den zweiten und den dritten Kondensator (11, 12, 13) verbunden ist.
Spannungskonverter nach Anspruch 1 oder 2, umfassend einen Ausgangsumschalter (9), der eingangsseitig mit mindestens zwei Kondensatoren aus der Menge umfassend den ersten, den zweiten und den dritten Kondensator (11, 12, 13) und ausgangsseitig mit dem Ausgang (2) des Spannungskonverters (10) verbunden ist.
Spannungskonverter nach Anspruch 2 und 3, aufweisend eine Steuervorrichtung (70), die – einen Rückkopplungseingang (71) zum Zuführen einer von der Ausgangsspannung (VOUT) ableitbaren Rückkopplungsspannung (VFB), wobei der Rückkopplungseingang (71) mit dem Ausgang (2) des Spannungskonverters (10) über eine anschließbare elektrische Last (81) koppelbar ist, – einen ersten Steuerausgang (72), der mit einem Steuereingang des Eingangsumschalters (7) gekoppelt ist, und – einen zweiten Steuerausgang (73), der mit einem Steuereingang des Ausgangsumschalters (9) gekoppelt ist, umfasst.
Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem der Ausgleichsschaltkreis (5) einen Ausgleichskondensator (6) umfasst, der mit dem ersten Kondensator (11) in einem ersten Betriebszustand (A), mit dem zweiten Kondensator (12) in einem zweiten Betriebszustand (B) und mit dem dritten Kondensator (13) in einem dritten Betriebszustand (C) verbunden ist, wobei sich die ersten, die zweiten und die dritten Betriebszustände (A, B, C) periodisch abwechseln.
Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem der erste, der zweite und der dritte Kondensator (11, 12, 13) in einem ersten Betriebszustand (A') in einer ersten Reihenfolge und in einem zweiten Betriebszustand (B') in einer zweiten Reihenfolge, die von der ersten Reihenfolge verschieden ist, in Serie geschaltet sind.
Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, umfassend einen Ausgangskondensator (31), der zwischen den Ausgang (2) des Spannungskonverters und den Bezugspotentialanschluss (8) geschaltet ist.
Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei dem die Ausgangsspannung (VOUT) näherungsweise mit einem Wert gemäß folgender Gleichung bereitgestellt wird: VOUT = ML ·VIN,wobei VOUT der Wert der Ausgangsspannung, VIN der Wert der Eingangsspannung, L eine erste Anzahl der Kondensatoren aus der Menge umfassend den ersten, den zweiten und den dritten Kondensator (11, 12, 13), die in dem Betriebszustand seriell zwischen den Eingang (1) und den Bezugspotentialanschluss (8) geschaltet sind, und M eine zweite Anzahl der Kondensatoren aus der Menge umfassend den ersten, den zweiten und den dritten Kondensator (11, 12, 13) ist, die in einem Betriebszustand seriell zwischen den Ausgang (3) und einen Bezugspotentialanschluss (8) geschaltet sind.
Spannungskonverter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend mindestens einen weiteren Kondensator (14), welcher in zumindest einem Betriebszustand seriell zu dem ersten, dem zweiten und dem dritten Kondensator (11, 12, 13) geschaltet ist, wobei – der Eingang (1) des Spannungskonverters (10) mit dem mindestens einen weiteren Kondensator (14) gekoppelt ist, – der Ausgang (2) des Spannungskonverters (10) mit dem mindestens einen weiteren Kondensator (14) gekoppelt ist und – der Ausgleichsschaltkreis (5) mit dem mindestens einen weiteren Kondensator (14) derart gekoppelt ist, dass min destens eine weitere Spannung (V4) des mindestens einen weiteren Kondensators (14) sowie die erste, die zweite und die dritten Spannung (V1, V2, V3) untereinander angeglichen werden.
Verfahren zur Spannungskonversion, umfassend – Zuführen einer Eingangsspannung (VIN) an einen Kondensator aus einer Menge umfassend einen ersten, einen zweiten und einen dritten Kondensator (11, 12, 13), wobei der erste, der zweite und der dritte Kondensator (11, 12, 13) seriell geschaltet sind, – untereinander Angleichen einer ersten Spannung (V1) des ersten Kondensators (11), einer zweiten Spannung (V2) des zweiten Kondensators (12) und einer dritten Spannung (V3) des dritten Kondensators (13) und – Bereitstellen einer Ausgangsspannung (VOUT), die an einem Kondensator aus der Menge umfassend den ersten, den zweiten und den dritten Kondensator (11, 12, 13) abgreifbar ist.
Verfahren nach Anspruch 10, umfassend – Zuführen der Eingangsspannung (VIN) an mindestens einen weiteren Kondensator (14), der seriell zu dem ersten, dem zweiten und dem dritten Kondensator (11, 12, 13) geschaltet ist, – untereinander Angleichen der ersten, der zweiten, der dritten und mindestens einer weiteren Spannung (V1, V2, V3, V4) des mindestens einen weiteren Kondensators (14) sowie und – Bereitstellen der Ausgangsspannung (VOUT), die an einem Kondensator aus einer Menge umfassend den ersten, den zweiten, den dritten und den mindestens einen weiteren Kondensator (11, 12, 13, 14) abgreifbar ist.