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Die
Erfindung betrifft einen Spannungswandler und ein Verfahren zur
Spannungswandlung.
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Spannungswandler
werden vielfach eingesetzt, um niedrigere Versorgungsspannungen
in höhere
Betriebsspannungen umzusetzen. Dies ist insbesondere in Mobilfunkgeräten hilfreich,
wenn höhere
Spannungen benötigt
werden als die von der Batterie des Mobilfunkgeräts bereit gestellte Spannung.
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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.
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Es
ist daher Aufgabe der Erfindung, einen Spannungswandler und ein
Verfahren zur Spannungswandlung bereitzustellen, die eine kostengünstige Spannungswandlung
ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird mit den Gegenständen der
unabhängigen
Patentansprüche
gelöst.
Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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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.
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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 induktiver 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.
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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 aufeinander.
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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.
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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.
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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.
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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 heilt 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
Speicher 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.
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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.
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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.
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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 Beispiel einer anfänglich
voll geladenen Batterie, die die Versorgungsspannung zur Verfügung stellt.
Folglich ist eine Erhöhung
der ersten Zwischenspannung, beispielsweise um die Versorgungsspannung,
nicht gewünscht.
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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 Ausführungsform
vergrößert, da auch
Ausgangsspannungen im Bereich von null bis zur Versorgungsspannung
abgegeben werden können.
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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.
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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.
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In
einem Ausführungsbeispiel
eines Verfahrens zur Spannungswandlung wird eine Abwärtswandlerschaltung
mit einem induktiven Speicher und einem ersten kapazitiven Speicher
bereitgestellt. 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.
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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 Ausführungsbeispiele
des Spannungswandlers beschrieben.
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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.
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Die
Erfindung wird nachfolgend an mehreren Ausführungsbeispielen anhand der
Figuren näher
erläutert.
Funktions- beziehungsweise wirkungsgleiche Elemente tragen dabei
gleiche Bezugszeichen.
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Es
zeigen:
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1 ein
erstes Ausführungsbeispiel
eines Spannungswandlers,
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2 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines Spannungswandlers,
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3 ein
erstes beispielhaftes zeitliches Diagramm für Abläufe in dem Spannungswandler,
-
4 beispielhafte Blockdiagramme während verschiedener
Schaltphasen des Spannungswandlers,
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5 ein
zweites beispielhaftes zeitliches Diagramm zu Abläufen in
dem Spannungswandlers,
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6 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines Spannungswandlers, und
-
7 weitere beispielhafte Blockdiagramme während verschiedener
Schaltphasen des Spannungswandlers.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
eines Spannungswandlers mit einer Abwärtswandlerschaltung DCDC und
einer Ladungspumpenschaltung 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 S1 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 kapazitive Speicher CDC ist zwischen induktivem
Speicher LSW und dem Bezugsspannungsanschluss VSS geschaltet. Der
erste und zweite Schalter S1, S2 werden von einem Steuerteil RDCDC
der Abwärtswandlerschaltung
DCDC angesteuert.
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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 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.
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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 S1, 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 S1, S2 ab.
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In
der Ladungspumpenschaltung wird der zweite kapazitive Speicher CFLY
mittels einer Versorgungsspannung VBAT am Versorgungsspannungsanschluss
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.
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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 verschalten, 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.
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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
S1, 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 Versorgungsspannungsanschluss
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 Bezugsspannungsanschluss VSS geschaltet ist. Wie zuvor
für das
Ausführungsbeispiel
in 1 beschrieben, ist der induktive Speicher LSW über den
ersten und zweiten Schalter S1, 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.
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Der
positive Anschluss des zweiten kapazitiven Speichers CFLY, in der
Darstellung mit einem Pluszeichen gekennzeichnet, ist über den
Schalter S31 mit dem Versorgungsspannungsanschluss VDD und über den
Schalter S42 mit dem Ausgangsanschluss 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 Ausgangsanschluss
OUT ist wiederum der kapazitive Ausgangsspeicher COUT vorgesehen.
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Während der
erste und der zweite Schalter S1, S2 der Abwärtswandlerschaltung DCDC zugerechnet
werden können,
sind die Schalter S31, S32, S41, S42 Bestandteil der Ladungspumpenschaltung 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.
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Der
Betrieb des Spannungswandlers mit der Abwärtswandlerschaltung DCDC und
der Ladungspumpenschaltung CP kann in verschiedenen Schaltphasen
erfolgen. 3 zeigt ein beispielhaftes zeitliches
Diagramm von Schaltphasen P1, P2, P3, P4, in denen die Schalter
des Spannungswandlers entsprechend angesteuert werden. In der oberen
Diagrammhälfte
sind eine erste Schaltphase P1 und eine zweite Schaltphase P2 dargestellt,
die alternierend aufeinander folgen. Die erste und zweite Schaltphase
P1, P2 regeln den Betrieb der Abwärtswandlerschaltung DCDC, insbesondere
der Schalter S1, 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.
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In
dem beispielhaften Diagramm in 3 fallen
erste und dritte Schaltphase P1, 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 4A und 4B im
Folgenden beschrieben wird.
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4A zeigt
ein Blockschaltbild des Spannungswandlers gemäß 2 während der
ersten beziehungsweise dritten Schaltphase P1, P3. Dabei ist, bedingt
durch die erste Schaltphase P1, der erste Schalter S1 in einem geschlossenen
und der zweite Schalter S2 in einem offenen Zustand. Dementsprechend
kann ein Strom vom Versorgungsspannungsanschluss VDD über den
ersten Schalter S1 durch den induktiven Speicher LSW zum ersten
kapazitiven Speicher CDC fließen,
angedeutet durch den entsprechenden Strompfeil in 4A.
Der Stromfluss bewirkt eine Energiespeicherung im induktiven Speicher
LSW.
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Bedingt
durch die dritte Schaltphase P3 sind, mit Verweis auf 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 4A und 4B nicht dargestellt.
Dementsprechend ist der positive Anschluss des zweiten kapazitiven
Speichers CFLY mit dem Versorgungsspannungsanschluss VDD verbunden,
so dass der zweite kapazitive Speicher CFLY auf die Versorgungsspannung
VBAT aufgeladen wird.
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In 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 S1 in einem geöffneten
und der zweite 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 4B dargestellt.
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Während der
vierten Schaltphase P4 sind, wiederum mit Verweis auf 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 induktiven
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.
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Die
erste Zwischenspannung resultiert in bekannter Weise aus einem entsprechenden
Schaltverhältnis
zwischen erster und zweiter Schaltphase P1, 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 P1,
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 4A und 4B beispielsweise links
am Steuerteil RDCDC dargestellt.
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Abweichend
von der in 3 dargestellten zeitlichen Abfolge
können
erste und zweite Schaltphase P1, P2 grundsätzlich bezüglich Schaltdauer und Schaltfrequenz
unabhängig
von dritter 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.
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5 zeigt
ein dementsprechendes zeitliches Diagramm, bei dem der Ablauf zwischen
erster und zweiter Schaltphase P1, 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 P1, P2 die erste Zwischenspannung über den ersten
kapazitiven Speicher CDC erzeugt wird, welche sich unabhängig vom
Schaltzustand des ersten und zweiten Schalters S1, S2 zur Erhöhung durch
die zweite Zwischenspannung 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.
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6 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel eines
Spannungswandlers, das im Wesentlichen eine Erweiterung des in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiels
darstellt. Die Funktion entsprechender Elemente, die bereits aus 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.
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Der
Spannungswandler in 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
umfasst 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.
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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 Überbrückungsschaltung
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.
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Über die
Stromquelle CS wird die Ausgangsspannung am Ausgangsanschluss 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
P1, P2 angepasst. Im Übrigen
kann zur Regelung der ersten Zwischenspannung alternativ oder zusätzlich auch
die Spannung über
dem ersten kapazitiven Speicher CDC vom Steuerteil RDCDC ausgewertet
werden.
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Die 7A und 7B zeigen
Blockschaltbilder einer weiteren Ausführungsform eines Spannungswandlers.
Die Abwärtswandlerschaltung
entspricht in Aufbau und Funktion den zuvor beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Die Ladungspumpenschaltung CP umfasst jedoch einen zweiten und einen
dritten kapazitiven Speicherung CFLY1, 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.
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Aus Übersichtsgründen sind
in den 7A und 7B die
erste und zweite Schaltphase P1, P2 für die Abwärtswandlerschaltung DCDC nicht
dargestellt. 7A zeigt eine Verschaltung des
zweiten und dritten kapazitiven Speichers CFLY1, CFLY2 während der
dritten Schaltphase. Dabei sind der zweite und dritte kapazitive
Speicher CFLY1, CFLY2 in Reihe zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss
VDD und dem Bezugsspannungsanschluss VSS geschaltet. Dadurch werden
die einzelnen kapazitiven Speicher entsprechend dem Prinzip des
kapazitiven Spannungsteilers 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.
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7B zeigt
das Blockschaltbild während der
vierten Schaltphase P4, bei der zweiter und dritter kapazitiver
Speicher CFLY1, 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 CFLY1, CFLY2 zum Ausgangsanschluss
OUT gerichtet ist. Daher kommt es wiederum am Ausgangsanschluss
OUT zu einer Überlagerung
der zweiten Zwischenspannung, die über den kapazitiven Speichern
CFLY1, CFLY2 anliegt mit der ersten Zwischenspannung über dem
ersten kapazitiven Speicher CDC. Mit Verweis auf 7A beträgt die zweite
Zwischenspannung die Hälfte
der Versorgungsspannung.
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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 Überbrückungsschaltung BP in 6 kann
auch in dem Ausführungsbeispiel
in 7 der Spannungsbereich des Spannungswandlers
durch eine schaltbare Verbindung zwischen dem ersten kapazitiven
Speicher CDC und dem Ausgangsanschluss OUT vergrößert werden.
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In
den 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 P1,
P2 mittels der Schalter S1, S2 erfolgen, um eine gewünschte erste
Zwischenspannung beziehungsweise eine gewünschte Ausgangsspannung abgeben
zu können.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass sich die in den verschiedenen Figuren
beschriebenen Ausführungsbeispiele
ohne weiteres kombinieren 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.
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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 üblicherweise 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.
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Bezugszeichenliste
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- DCDC
- Abwärtswandlerschaltung
- CP
- Ladungspumpenschaltung
- RDCDC, RCP
- Steuerteil
- VDD, VSS
- Spannungsanschluss
- VBAT
- Versorgungsspannung
- LSW
- induktiver Speicher
- CDC, CFLY
- kapazitiver Speicher
- CFLY1, CFLY2
- kapazitiver Speicher
- OUT
- Ausgangsspannungsanschluss
- CBAT
- Eingangsspeicher
- COUT
- Ausgangsspeicher
- S1, S2
- Schalter
- S31, S32
- Schalter
- S41, S42
- Schalter
- P1, P2, P3, P4
- Schaltphase
- BP
- Überbrückungsschaltung
- CS
- Stromquelle
- FLED
- Leuchtdiode
- FB
- Rückkopplung