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Hintergrund
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Das vorliegende Dokument betrifft eine Steuerschaltung für einen Leistungswandler, einen Leistungswandler und ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungswandlers. Der Leistungswandler ist zum Beispiel ein geschalteter Gleichstrom-Gleichstrom(DC-DC)-Leistungswandler, insbesondere ein Aufwärtswandler.
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Leistungswandler sind in der Technik bekannt. Derartige Leistungswandler erfordern typischerweise eine Stromversorgung, um eine interne Versorgungsspannung Vcc für einen Betrieb zu erzeugen, zum Beispiel zum Ansteuern eines Leistungsschalters oder Versorgen von anderen Komponenten mit Strom. In vielen Fällen werden die interne Versorgungsspannung und die Betriebsleistung von der Eingangsspannung des Leistungswandlers abgeleitet. Jedoch führt eine Verwendung zum Beispiel eines LDOs (Low Dropout Regulator) zum Erzeugen von Vcc zu signifikanten Verlusten und einer Wärmeerzeugung. Zusätzlich erfordert ein Ansteuern eines Leistungsschalters mit einer niedrigen Versorgungsspannung einen großen Schalter (zum Beispiel Transistor), um die erforderliche Ausgangsleistung des Wandlers zu erzeugen.
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Da Leistungswandler effizienter wurden und eine Reduzierung eines internen Verlusts wichtiger wurde, insbesondere für mobile Anwendungen, die über eine Batterie betrieben werden, besteht eine Notwendigkeit zum Verbessern einer Effizienz der Erzeugung der internen Stromversorgung.
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Zusammenfassung
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Das vorliegende Dokument sieht eine Leistungswandler-Steuerschaltung und ein Verfahren mit einer effizienten internen Stromversorgung vor, um interne Komponenten zu betreiben.
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Gemäß einem Aspekt wird eine Steuerschaltung für einen Leistungswandler offenbart, der eine Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung umwandelt. Der Leistungswandler kann ein geschalteter DC-DC-Wandler und insbesondere ein Aufwärtswandler oder Hochsetzsteller sein, der eine Eingangsleistung mit niedriger Spannung in eine Ausgangsleistung mit hoher Spannung umwandelt. Jedoch kann die vorliegende Erfindung genauso auf andere Konvertertopologien angewendet werden. Der Leistungswandler hat einen Ausgangsanschluss, an dem die Ausgangsspannung vorgesehen ist und an dem eine Last verbunden werden kann. Die Last kann jeder Typ von Last sein, die von dem Leistungswandler betrieben werden kann, insbesondere elektronische Komponenten in einer mobilen/tragbaren Vorrichtung, die von einer Batterie betrieben werden, wie eine Reihe von LEDs.
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Die Steuerschaltung weist zumindest einen Leistungsschalter, einen Leistungsschalter-Treiber, der mit dem zumindest einen Leistungsschalter gekoppelt ist, um den Schaltzustand des Leistungsschalters zu steuern, und ein Schaltelement auf, das mit einem Lastanschluss verbunden ist. Das Schaltelement kann den Lastanschluss selektiv mit Masse verbinden. Ein erster Anschluss der Last kann mit dem Ausgangsanschluss des Leistungswandlers verbunden sein, um die Ausgangsspannung des Leistungswandlers zu empfangen. Ein zweiter Anschluss der Last kann mit dem Lastanschluss verbunden sein. Die Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss des Leistungswandlers wird durch Betrieb des Leistungsschalters erzeugt (zum Beispiel periodisches EIN- und AUS-Schalten des Leistungsschalters), um so die gewünschte Ausgangsspannung vorzusehen (die höher als die Eingangsspannung sein kann). Die Ausgangsspannung wird typischerweise über eine Rückkopplungsschaltung auf den gewünschten Wert gesteuert. Der zumindest eine Leistungsschalter kann ein Transistor sein, zum Beispiel ein MOS-FET, insbesondere des NMOS- oder PMOS-Typs. Die Rückkopplungsschaltung kann ein/mehrere Steuersignal(e) für das/die Gate(s) des/der Leistungsschalter(s) erzeugen, um einen Ladepumpenprozess zu steuern, der eine Ladung zwischen Ladungsspeichermittel des Leistungswandlers transferiert, wie Induktoren und Kondensatoren. Diese Rückkopplungssteuerung kann zum Beispiel bewirkt werden durch Steuern der EIN/AUS-Zeiten des/der Leistungsschalter(s).
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Wenn das Schaltelement den Lastanschluss (und somit der zweite Anschluss der Last) mit Masse verbindet, arbeitet der Leistungswandler in einem Lastversorgungsmodus, um Leistung für die Last vorzusehen. Ein Ausgangsstrom, der durch den Leistungswandler erzeugt wird, fließt durch die Last (durch die Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss getrieben) und über das Schaltelement zu Masse. Der Ausgangsstrom kann gesteuert werden, einen gewünschten Wert wie durch die Anwendung erforderlich zu haben, zum Beispiel um eine Reihe von LEDs anzusteuern, um eine gewünschte Helligkeit zu erzeugen.
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Wenn das Schaltelement den Lastanschluss von der Masse trennt, wird eine hohe Spannung (bis zu der maximalen Ausgangsspannung des Wandlers) an dem Lastanschluss vorgesehen. Um eine interne Betriebsspannung für Komponenten des Leistungswandlers vorzusehen, werden Betriebsspannungsversorgungsmittel mit dem Lastanschluss verbunden. Zum Beispiel liefern die Betriebsspannungsversorgungsmittel eine Betriebsspannungsversorgung an den Leistungsschalter-Treiber. Während im Folgenden der Betrieb der Steuerschaltung unter Bezugnahme auf eine Leistungs- bzw. Stromversorgung für den Leistungsschalter-Treiber erläutert wird, ist offensichtlich, dass andere interne Komponenten der Steuerschaltung und des Leistungswandlers zusätzlich zu dem Leistungsschalter-Treiber oder alternativ dazu mit Leistung bzw. Strom versorgt werden können.
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Da die erzeugte Betriebsspannung von der Ausgangsspannung des Leistungswandlers abgeleitet ist, kann sie höher als die Eingangsspannung sein (im Fall eines Aufwärtswandlers) und wird auf effiziente Weise erzeugt. Typische Architekturen mit geschalteten Leistungswandlern arbeiten sehr effizient und haben einen hohen Wirkungsgrad, höher als andere Leistungsversorger, wie LDOs (Low-Dropout-Regler). Weiter kann, da der Leistungsschalter mit einer höheren Betriebsspannung betrieben werden kann (höher als die Eingangsspannung), ein kleinerer Schalter (Transistor) verwendet werden, wodurch eine Schaltungsfläche reduziert wird und die Effizienz weiter verbessert wird.
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Die Steuerschaltung kann weiter eine Steuereinheit aufweisen, um das Schaltelement zu steuern, den Lastanschluss für gesteuerte Zeitperioden selektiv mit Masse zu verbinden und von dieser zu trennen. Die Steuereinheit kann ein Gate-Signal für das Schaltelement erzeugen, das ein Transistor sein kann, wie ein MOS-FET (zum Beispiel des NMOS-Typs).
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In Ausführungsbeispielen wird das Schaltelement synchron mit der Leistungsschalteroperation gesteuert. Zum Beispiel wird das Schaltelement gesteuert, den Lastanschluss von der Masse während einer Zeitdauer zu trennen, wenn der Leistungsschalter offen ist (d. h. in einem im Wesentlichen nicht-leitenden Zustand des Leistungsschalters). In einem Aufwärtswandler, wenn der Leistungsschalter geöffnet wird, nimmt die Spannung an dem Drain des Leistungsschalters zu und eine Ladung wird über eine Diode von einem Ladungsspeicherelement (zum Beispiel ein Induktor) des Leistungswandlers an die Last geliefert. Typischerweise ist ein Ausgangskondensator parallel mit der Last verbunden, um von dem Leistungswandler über die Diode geladen zu werden und eine gleichmäßigere Ausgangsspannung vorzusehen. Während eines Teils der Zeit, während der Ladung von dem Speicherelement geliefert wird, kann der Lastanschluss von der Masse getrennt werden, wodurch während dieser Zeitdauer eine hohe Spannung an dem Lastanschluss vorgesehen ist, verfügbar für die Betriebsspannungsversorgungsmittel zum Erzeugen der internen Versorgungsspannung.
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In Ausführungsbeispielen ist ein Kondensator mit dem Stromversorgungseingang des Leistungsschalter-Treibers gekoppelt, um eine Betriebsleistung für den Leistungsschalter-Treiber vorzusehen. Das Betriebsspannungsversorgungsmittel kann konfiguriert sein, den Kondensator auf die Betriebsspannung des Leistungsschalter-Treibers zu laden, basierend auf der hohen Spannung, die an dem Lastanschluss vorgesehen ist, wenn das Schaltelement offen ist und der Lastanschluss folglich von der Masse getrennt. Der Kondensator sieht eine Stromversorgung des Leistungsschalter-Treibers während Zeiten vor, wenn das Schaltelement geschlossen ist und nur eine geringe Spannung (< 1 V) an dem Lastanschluss vorhanden ist. Die in dem Kondensator gespeicherte Ladung erhält die Stromversorgung für den Leistungsschalter-Treiber während dieser Zeiten.
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In Ausführungsbeispielen weist das Betriebsspannungsversorgungsmittel eine Diode oder ein anderes Schaltelement auf, die/das mit einem Anschluss davon mit dem Lastanschluss gekoppelt ist, um ein gesteuertes Laden des Kondensators zu ermöglichen. Die Diode oder ein anderes Schaltelement kann weiter mit ihrem/seinem anderen Anschluss mit dem Kondensator gekoppelt sein. Zum Beispiel nur wenn die Spannung an dem Lastanschluss höher ist als die Vorwärtsspannung der Diode plus die Spannung an dem Kondensator, fließt Strom von dem Lastanschluss zum Laden des Kondensators. Wenn das Schaltelement geschlossen ist und die Spannung an dem Lastanschluss niedrig ist, fließt kein Strom von dem Lastanschluss an den Kondensator.
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Das andere Schaltelement kann synchron mit dem Schaltelement gesteuert werden, zum Beispiel geöffnet werden, bevor das Schaltelement (das den Lastanschluss mit Masse verbindet) geschlossen wird. Somit wird ein Stromfluss von dem Kondensator und ein Entladen des Kondensators zu Zeiten verhindert, wenn der Lastanschluss mit Masse verbunden ist und Ausgangsstrom von dem Leistungswandler an die Last vorgesehen wird. Die Diode sieht eine ähnliche Funktion vor zum Verhindern eines Entladens des Kondensators.
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In Ausführungsbeispielen ist ein zusätzlicher Spannungsregler mit einem Eingangsanschluss des Leistungswandlers gekoppelt, um die Eingangsspannung zu empfangen, und mit dem Leistungsschalter-Treiber (und/oder dem Kondensator) gekoppelt, um eine geregelte Betriebsspannung für den Leistungsschalter-Treiber vorzusehen. Da ein Spannungsregler, wie ein LDO, typischerweise eine geringere Effizienz hat als ein geschalteter Leistungswandler, kann der Spannungsregler verwendet werden zum Steuern (Regeln) der Versorgungsspannung für den Leistungsschalter-Treiber, während der Großteil der Versorgungsleistung durch das Betriebsspannungsversorgungsmittel von der Ausgangsspannung/leistung des Leistungswandlers vorgesehen ist. Zusätzlich ist es möglich, den Spannungsregler nur während einer Startphase des Leistungswandlers zu verwenden, wenn keine oder nur eine geringe Ausgangsspannung vorhanden ist. Der Spannungsregler kann nach dem Start deaktiviert werden, wenn der Leistungswandler arbeitet.
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In Ausführungsbeispielen ist ein Startschalter oder eine Startdiode mit einem Eingangsanschluss des Leistungswandlers gekoppelt, um die Eingangsspannung zu empfangen, und weiter mit dem Leistungsschalter-Treiber (und/oder dem Kondensator) gekoppelt, um eine Startbetriebsspannung für den Leistungsschalter-Treiber vorzusehen. Wenn der Startschalter anfangs geschlossen ist, wird die Eingangsspannung zeitweilig an den Leistungsschalter-Treiber (und/oder den Kondensator) als Betriebsspannung geliefert. Sobald der Leistungswandler zu arbeiten beginnt und eine ausreichende Ausgangsspannung erzeugt, kann der Startschalter ausgeschaltet werden und der Leistungsschalter-Treiber von der Eingangsspannung getrennt werden. Alternativ kann die Startdiode eine Startbetriebsspannung für den Leistungsschalter-Treiber vorsehen, solange die Eingangsspannung größer ist als die Spannung, die von dem Lastknoten rückgekoppelt ist. In jedem Fall sollte eine Rückkopplung der erzeugten Betriebsspannung nach dem Start zu der Eingangsspannung vermieden werden. Der Startschalter und die Startdiode sind einfache Mittel zum Systemstart, insbesondere, wenn die Eingangsspannung geringer ist als die gewünschte Betriebsspannung.
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In Ausführungsbeispielen weist die Steuereinheit einen Komparator auf, der mit der erzeugten Betriebsspannung für den Leistungsschalter-Treiber und mit einer Referenzspannung gekoppelt ist. Der Komparator kann ein Komparator mit Hysterese sein. Der Komparator ermöglicht eine Steuerung der Größe der erzeugten Betriebsspannung derart, dass eine geregelte und stabile Stromversorgung für den Leistungsschalter-Treiber erlangt wird.
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Die Steuereinheit kann weiter eine Logikeinheit umfassen. Die Steuereinheit kann mit dem Gate des Schaltelements gekoppelt sein, um ein Gate-Steuersignal vorzusehen. Die Steuereinheit kann weiter ein Leistungsschalter-Steuersignal empfangen, so dass sie eine Operation des Schaltelements mit einer Operation des Leistungsschalters synchronisieren kann. Zum Beispiel kann die Logikeinheit das Gate-Steuersignal für das Schaltelement erzeugen, so dass das Schaltelement während eines Teils der Zeit offen ist, wenn der Leistungsschalter offen ist.
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Da die verfügbare Leistung, die durch den Leistungswandler an seinem Ausgangsknoten vorgesehen ist, typischerweise viel höher ist als diejenige, die zum Betreiben des Leistungsschalter-Treibers erforderlich ist (zum Beispiel N-mal höher), kann die Logikeinheit konfiguriert sein, das Schaltelement nur jeden N-ten Zyklus des Leistungsschalters zu öffnen, wodurch die Spannung an dem Lastanschluss nur manchmal getrennt und erhöht wird. Dies führt zu einer gelegentlichen Ladung des Kondensators zum Vorsehen einer Stromversorgung für den Leistungsschalter-Treiber, während weiterhin ausreichend Betriebsleistung für den Leistungsschalter-Treiber vorgesehen wird. Typischerweise ist ein Kondensator mit angemessener Größe ausreichend für die Leistungsanforderungen des Leistungsschalter-Treibers.
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Aufgrund der relativ moderaten Leistungsanforderungen des Leistungsschalter-Treibers kann der Leistungswandler in einem Strombegrenzungsmodus konfiguriert sein, wenn das Schaltelement offen ist, eine hohe Spannung an dem Lastanschluss vorhanden ist und die Betriebsspannung für den Leistungsschalter-Treiber erzeugt wird. Zum Beispiel kann der Leistungsschalter-Treiber konfiguriert sein, den Leistungsschalter anzusteuern, in dem Strombegrenzungsmodus zu arbeiten, in dem die durch den Leistungswandler vorgesehene Ausgangsleistung reduziert werden kann, zum Beispiel durch geeignetes Steuern der EIN/AUS-Zeiten des Leistungsschalters.
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In Ausführungsbeispielen kann das Betriebsspannungsversorgungsmittel einen Überspannungsschutzmechanismus aufweisen, um die Betriebsspannung für den Leistungsschalter-Treiber zu begrenzen. Der Überspannungsschutzmechanismus kann zum Beispiel eine Zener-Diode umfassen, die parallel zu dem Kondensator verbunden ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Leistungswandler mit einer Steuerschaltung vorgesehen, wie oben beschrieben. Der Leistungswandler kann weiter einen Induktor gekoppelt mit dem Leistungsschalter, eine Diode gekoppelt mit dem Leistungsschalter und dem Ausgangsanschluss, und einen Lastkondensator gekoppelt mit dem Ausgangsanschluss und dem Lastanschluss aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Leistungswandlers vorgesehen, der zum Beispiel eine Niederspannungs-Eingangsleistung in eine Ausgangsleistung mit hoher Spannung umwandelt (d. h. ein Aufwärtswandler). Das Verfahren weist auf: Betreiben eines Leistungsschalter-Treibers gekoppelt mit einem Leistungsschalter, um den Schaltzustand des Leistungsschalters zu steuern, und Betreiben eines Schaltelements gekoppelt mit einem Lastanschluss zum selektiven Schalten des Lastanschlusses mit Masse und dadurch Vorsehen einer Betriebsspannung von dem Lastanschluss zu dem Leistungsschalter-Treiber. Der Leistungsschalter wird durch seine Gate-Spannung gesteuert, um eine hohe Ausgangsspannung an einem Ausgangsanschluss des Leistungswandlers vorzusehen. Anschlüsse einer Last können mit dem Ausgangsanschluss und dem Lastanschluss gekoppelt sein.
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Das Betreiben eines Schaltelements kann ein Öffnen des Schaltelements umfassen, um den Lastanschluss von der Masse zu trennen während Zeitperioden, wenn der Leistungsschalter offen ist. Somit ist während Zeiten, während der der Leistungswandler eine Ladung von seinem internen Ladungsspeichermittel an einen Ausgangskondensator liefert, die Spannung an dem Lastanschluss hoch und Leistung bzw. Strom kann zurück an den Leistungsschalter-Treiber oder einen damit verbundenen Kondensator geliefert werden.
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Das Verfahren kann weiter ein Betreiben eines weiteren Schaltelements aufweisen, das zwischen dem Lastanschluss und einem Stromversorgungsanschluss des Leistungsschalter-Treibers gekoppelt ist. Das andere Schaltelement kann geöffnet werden, bevor das Schaltelement geschlossen wird, um zu verhindern, dass die Leistungsschalter-Treiberversorgung mit Masse verbunden wird, insbesondere der Kondensator entladen wird.
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Das Verfahren kann weiter ein Vorsehen einer Startversorgungsspannung für den Leistungsschalter-Treiber während einer Startphase des Leistungswandlers aufweisen, bevor eine hohe Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss verfügbar ist. Dies ermöglicht einen Start des Leistungswandlers. Sobald eine hohe Ausgangsspannung verfügbar ist, kann die Startversorgungsspannung deaktiviert werden und die Stromversorgung des Leistungsschalter-Treibers geschieht nur von der Ausgangsspannung, wodurch eine hohe Effizienz erzielt wird.
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Es sollte angemerkt werden, dass die oben angeführten Aspekte für eine Steuerschaltung eines geschalteten Leistungswandlers genauso für das vorgeschlagene Verfahren zum Betreiben eines Leistungswandlers anwendbar sind und umgekehrt. Somit können alle Aspekte, die für Ausführungsbeispiele der Schaltung offenbart werden, auf vielfältige Weise mit dem vorgeschlagenen Verfahren kombiniert werden, um ähnliche Effekte und Vorteile zu erlangen.
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Diese und andere Aspekte der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die im Folgenden auf beispielhafte Weise beschriebenen Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ersichtlich und erläutert.
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Detaillierte Beschreibung
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Verschiedene Aspekte werden nachfolgend auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei:
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1 ein Ausführungsbeispiel eines Leistungswandlers zeigt;
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Leistungswandlers zeigt;
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3 ein Beispiel eines internen Stromversorgungsstroms zeigt; und
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4 ein Beispiel eines internen Spannungsreglers zeigt.
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1 zeigt ein Beispiel eines geschalteten Leistungswandlers 100, der eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten 101 erzeugt, die höher ist als die Eingangsspannung Vin, d. h. ein Aufwärtswandler oder Hochsetzsteller. Der Leistungswandler 100 hat einen Leistungsschalter 102, hier ein NMOS-Transistor Q1, einen Induktor L1 103 und eine Diode D1 104. Der Leistungsschalter 102 wird durch einen Leistungsschalter-Treiber 105 angesteuert, als ein Invertierer U1 gezeigt. Der Ausgang des Leistungsschalter-Treibers 105 ist mit dem Gate des Leistungsschalters 102 verbunden. Der Induktor 103 ist zwischen dem Eingangsknoten 107 und einem internen Knoten 106 verbunden. Die Diode 104 ist zwischen dem internen Knoten 106 und dem Ausgangsknoten 101 verbunden. Der Drain des Leistungsschalters 102 ist mit dem internen Knoten 106 verbunden. Wenn der Leistungsschalter 102 geschlossen ist (d. h. in einem leitenden Zustand), kann Strom durch den Induktor 103 fließen und ein Magnetfeld wird in dem Induktor aufgebaut. Wenn der Leistungsschalter 102 geöffnet wird, steigt die Spannung an dem internen Knoten an und Strom kann durch die Diode 104 an den Ausgangsknoten 101 durch die Last 110 (hier eine Reihe von LEDs, aber jede andere Last ist möglich) und in den Ausgangskondensator 108 fließen, der parallel zu der Last 110 verbunden ist. Ein Schaltelement 109 ist zwischen dem Lastknoten 111 und Masse verbunden, dessen Drain mit dem Lastknoten 111 verbunden ist und dessen Source mit Masse verbunden ist. Wenn der Leistungswandler in dem Lastversorgungsmodus ist, ist das Schaltelement 109 (hier PMOS-Transistor Q2) geschlossen, wodurch der Lastknoten 111 mit Masse verbunden wird. Somit wird Leistung an die Last 110 geliefert. Die Ausgangsspannung Vout an dem Knoten 101 wird typischerweise gesteuert durch geeignetes Steuern der EIN/AUS-Zeiten des Leistungsschalters 102, typischerweise über eine Rückkopplungsschaltung, die die Ausgangsspannung Vout abgreift und eine Logikeinheit aufweist (nicht gezeigt), um PWM(pulse width modulated)- oder PFM(pulse frequency modulated)-Steuersignale zu erzeugen, die auf das Gate des Leistungsschalters 102 angewendet werden. Es ist anzumerken, dass andere Leistungsarchitekturen einen oder mehrere Leistungsschalter und Speicherelemente aufweisen, wie Induktoren und/oder Kondensatoren. Die vorliegende Erfindung ist nicht auf die Aufwärtswandler-Architektur von 1 begrenzt und kann ebenso auf eine andere Architektur mit geschaltetem Leistungswandler angewendet werden.
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Um eine interne Stromversorgung für die Steuerschaltung oder den Leistungswandler zu erzeugen, wird das Schaltelement 109 geöffnet, so dass die Spannung an dem Lastknoten 111 ansteigt. Der Leistungswandler arbeitet dann in einem internen Versorgungsmodus. Strom fließt über die Diode D2 112 an den Vcc-Knoten 114 und ist verfügbar für eine Stromversorgung von internen Komponenten, wie für den Leistungsschalter-Treiber 105. Der Strom kann zum Beispiel verwendet werden zum Laden des Kondensators 113 (gekoppelt mit dem Vcc-Knoten 114), so dass eine Betriebsspannung Vcc an einem Anschluss davon erzeugt wird. Die Betriebsspannung Vcc kann zum Beispiel an den Leistungsschalter-Treiber 105 oder andere Komponenten geliefert werden, um eine interne Stromversorgung des Leistungswandlers vorzusehen.
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Sobald die gewünschte Betriebsspannung Vcc an dem Vcc-Knoten 114 erlangt ist, wird das Schaltelement 109 wieder geschlossen und der Leistungswandler arbeitet weiter in dem Lastversorgungsmodus. Es ist anzumerken, dass auch in dem internen Versorgungsmodus Strom durch die Last 110 fließt, aber dieser Strom geringer sein kann als in dem Lastversorgungsmodus. Typischerweise wird das Schaltelement 109 nur für einen Teil der Zeit geöffnet, wenn der Leistungsschalter 102 geöffnet wird. Aufgrund der relativ geringen Leistung, die für die interne Leistungsversorgung erforderlich ist (im Vergleich zu der größeren Leistung, die durch den Leistungswandler vorgesehen wird), ist die Zeitperiode kurz, während der das Schaltelement 109 geöffnet ist. Wie bereits erwähnt, werden der Leistungsschalter 102 und das Schaltelement 109 synchron betrieben und die Steuereinheit (nicht gezeigt), die das Gate-Steuersignal für das Schaltelement erzeugt, empfängt vorzugsweise das Gate-Steuersignal für den Leistungsschalter, um synchron mit dem Leistungsschalter zu arbeiten.
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3 zeigt den Vcc-Ladestrom, der durch die Diode 112 fließt, wenn das Schaltelement geöffnet ist. Der Vcc-Ladestrom sieht die Betriebsspannung Vcc vor, zum Beispiel durch Laden des Kondensators 113 auf die gewünschte Spannung. Wie aus 3 offensichtlich ist, ist der Vcc-Ladestrom auf kurze Vcc-Ladeperioden begrenzt, während der das Schaltelement 109 geöffnet ist. Wenn das Schaltelement 109 geschlossen wird, wird kein Vcc-Ladestrom vorgesehen. Weiter kann durch Auswahl einer geeigneten Kapazität an dem Kondensator 113 der Vcc-Ladestrom derart vorgesehen werden, dass er in kurzen Vcc-Ladeperioden konzentriert ist, in denen die Menge des Vcc-Ladestroms ähnlich ist zu dem typischen Laststrom. In diesem Fall ist der Laststrom in einem Lastversorgungsmodus und einem internen Versorgungsmodus ähnlich, so dass keine Beeinträchtigung auf der Last stattfindet, und die Vcc-Ladeperioden kurz sind.
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Zusätzlich kann das Schaltelement 109 nur in jedem zweiten Leistungsschalter-Betriebszyklus geöffnet werden, zum Beispiel nur jedes N-te Schaltereignis, wenn der Leistungsschalter 102 geöffnet wird. Somit ist ein Vcc-Laden seltener, was die Häufigkeit reduziert, wenn das Schaltelement 109 den Lastknoten 111 und die Last 110 von der Masse trennt. Weiter kann ein Vcc-Ladestrom während der seltenen Ladeintervalle erhöht werden, um so besser zu dem Laststrom während des Lastversorgungsmodus zu passen.
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Um den Laststrom und den Vcc-Ladestrom noch weiter anzupassen, kann der Leistungswandler in einem Strombegrenzungsmodus betrieben werden, wenn das Schaltelement offen ist und Vcc-Ladestrom erzeugt wird. In dem Strombegrenzungsmodus wird eine Ausgangsleistung, die von dem Leistungswandler vorgesehen wird, reduziert, zum Beispiel durch Steuern von EIN/AUS-Zeiten des Leistungsschalters 102 oder durch andere geeignete Mittel, um den verfügbaren Laststrom zu reduzieren.
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Die obige Schaltungsanordnung bietet ein sehr effizientes Mittel, um eine interne Versorgungsspannung zu erzeugen, da die interne Stromversorgung von der Ausgangsleistung des Wandlers genommen wird. Da typische Effizienzen von geschalteten Leistungswandlern hoch sind (> 95%), wird ein interner Verlust des Leistungswandlers reduziert und eine Effizienz noch weiter verbessert. Keine zusätzliche Stromversorgung ist erforderlich, um die Leistungswandler-Betriebsspannung zu erzeugen. Der Transistor des Schaltelements 109 muss kein Hochspannungstyp sein, obwohl die erzeugte Ausgangsspannung hoch sein kann.
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Bei einer optionalen Modifikation der Steuerschaltung (in 1 gezeigt) wird ein Spannungsregler 120 (zum Beispiel ein LDO-Regler) vorgesehen, um eine Betriebsspannung Vcc für die Steuerschaltung während eines Starts vorzusehen, das heißt, wenn der Leistungswandler eingeschaltet wird und bevor eine ausreichende Ausgangsspannung Vout an dem Ausgangsknoten 101 durch das EIN/AUS-Schalten des Leistungsschalters 102 erzeugt wird. Der Spannungsregler 120 ist mit dem Leistungswandler-Eingangsknoten 107 und dem Vcc-Knoten 114 verbunden. Während des Starts wird die Betriebsspannung Vcc durch den Spannungsregler 120 erzeugt, der ausgeschaltet werden kann, wenn die Ausgangsspannung Vout (und somit der Vcc-Ladestrom und die Betriebsspannung Vcc) aufgebaut wurde. In einer anderen Modifikation kann der Spannungsregler 120 auch nach dem Start aktiviert bleiben. Jedoch kann der Spannungsregler 120 ausgebildet sein, nur einen geringen Strom zu liefern, so dass die Verluste durch den Spannungsregler 120 niedrig gehalten werden können. Der Hauptstrombeitrag zu dem Vcc-Ladestrom ist von einem Rückführen eines Laststroms, wenn das Schaltelement 109 geöffnet ist.
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In einem typischen Beispiel ist der Strom, um das 5-V-Gate des Leistungsschalters Q1 102 anzusteuern, ungefähr 5–10 mA. Die Eingangsspannung Vin ist 25 V und die Ausgangsspannung Vout an der LED-Reihe (Last 110) ist ungefähr 40 V. Ein LDO, der zum Erzeugen der Betriebsspannung Vcc für den Leistungsschalter-Treiber verwendet wird, sieht dann eine Spannung von 20 V. Der Verlust des LDOs ist in diesem Fall 100–200 mW, was für viele Anwendungen zu hoch ist.
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Gemäß dem offenbarten Konzept beginnt der LDO Vcc auf 5 V zu laden. Das System beginnt zu arbeiten, während die LED-Reihe (Lastknoten 111) zu Masse (über das Schaltelement Q2 109) geschaltet wird. Wenn Vcc unter einen definierten Pegel fällt, wird Q2 ausgeschaltet und Strom, der von der LED-Ladung kommt, liefert Vcc über die Diode D2 122 und lädt Vcc ohne Widerstandsverluste. Sobald der gewünschte Vcc-Pegel erlangt ist, kann Q2 wieder geschlossen werden. Wenn Vcc unter einen definierten Pegel fällt, wird Q2 wieder ausgeschaltet. Der LDO kann nach dem Start ausgeschaltet werden, da der Ladestrom über die LED-Reihe ausreichend ist, um den Leistungsschalter-Treiber zu betreiben. Der Leistungsschalter Q1 102 ist eine Hochspannungsvorrichtung, aber das Schaltelement Q2 109 kann ein 5-V-Typ sein. Alternativ kann der LDO nach dem Start an bleiben, um einen geringen Strom für die Stromversorgung zu liefern. Dies ermöglicht, dass ein konstanter Ladestrom über die LED-Reihe aufgenommen wird, vorzugsweise entsprechend des Laststroms während des Lastversorgungsmodus, so dass der Laststrom für Last- und internen Versorgungsmodus konstant ist. Jede Strom- bzw. Leistungsschwankung während des Vcc-Ladens wird von der LDO gehandhabt.
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In einer anderen Modifikation der Steuerschaltung von 1 wird die Diode D2 112 durch ein anderes Schaltelement ersetzt, das zum Beispiel durch die Steuereinheit gesteuert wird, die auch den Betrieb des Schaltelements 109 steuert. Dies ermöglicht ein weiteres Reduzieren eines internen Verlusts, wenn Strom von dem Lastknoten 111 zu dem Vcc-Knoten 114 zurückgeführt wird, da der EIN-Widerstand des anderen Schaltelements niedriger ist als der Vorwärtswiderstand der Diode D2. Zu diesem Zweck wird das andere Schaltelement EIN geschaltet, um zu ermöglichen, dass der Vcc-Ladestrom durchgeht, wenn das Schaltelement 109 offen ist. Um eine Stromentnahme von dem Vcc-Knoten 114 und dem Kondensator 113 zu vermeiden, ist es bevorzugt, das Schaltelement 109 vor einem Öffnen des anderen Schaltelements zu öffnen. Ähnlich sollte das andere Schaltelement vor dem Schließen des Schaltelements 109 geschlossen werden, so dass keine Ladung von dem Kondensator 113 in der Masse verschwinden kann. Vorzugsweise werden, um einen synchronen Betrieb vorzusehen, das Schaltelement 109 und das andere Schaltelement durch dieselbe Steuereinheit gesteuert, die Steuersignale für die Gates von beiden Schaltelementen erzeugt.
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2 zeigt ein weiteres Beispiel für einen Leistungswandler 101', der die vorliegende Erfindung verkörpert. Dieses Beispiel ist insbesondere nützlich, wenn die Eingangsspannung Vin niedriger ist als die gewünschte Betriebsspannung, und sieht eine einfachere Schaltung vor als das Beispiel von 1.
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Die meisten Elemente von 1 sind erneut in der dargestellten Schaltung vorhanden und mit denselben Bezugszeichen gekennzeichnet. Jedoch ist der Spannungsregler 120 durch einen Startschalter S1 121 oder eine Diode D3 122 ersetzt (2 zeigt beide Elemente; jedoch ist anzumerken, dass nur ein Element erforderlich ist). Während des Startvorgangs, kann zum Beispiel der Startschalter 121 geschlossen sein, um den Kondensator 113 an dem Vcc-Knoten 114 zu laden, so dass eine Betriebsspannung erlangt wird, um den Leistungsschalter-Treiber 105 und den Leistungsschalter 102 anzusteuern. Obwohl diese Betriebsspannung niedriger ist als die gewünschte Betriebsspannung (da Vin kleiner ist als die gewünschte Betriebsspannung), ist sie typischerweise ausreichend, um den Leistungsschalter-Treiber 105 und den Leistungsschalter 102 zu betreiben. Sobald der Leistungswandler mit dem Betrieb beginnt und die Ausgangsspannung Vout aufgebaut ist, wird der Startschalter 121 geöffnet und Vcc wird erzeugt durch Rückführen von Ladung von dem Lastknoten 111, wenn das Schaltelement 109 offen ist. Sobald die gewünschte Betriebsspannung erlangt ist, arbeiten der Leistungsschalter-Treiber 105 und der Leistungsschalter 102 in ihrem bevorzugten Betriebsbereich, somit ist eine effiziente Operation erreicht.
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In einer Alternative ist die Startdiode D3 122 zwischen dem Eingangsknoten 107 und dem Vcc-Knoten 114 verbunden, um die Betriebsspannung Vcc zu liefern, bis die Spannung an dem Lastknoten 111 höher als die Eingangsspannung Vin ist (für das offene Schaltelement 109) und der Vcc-Ladestrom von dem Lastknoten 111 die interne Stromversorgung übernimmt.
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In dem Beispiel von 2 startet das System unter niedrigen Vcc-Bedingungen entweder mit dem Startschalter S1 121 oder der Startdiode D3 122. Wenn der Wandler zu arbeiten beginnt, wird Vcc über die Diode D2 112 auf die optimale Spannung geladen und dann wird das Schaltelement Q2 109 mit Masse verbunden. Vcc bleibt bei ungefähr dem optimalen Wert. In diesem Fall können alle Schalter für die besten Betriebsbedingungen ausgebildet sein.
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4 zeigt teilweise ein anderes Beispiel für eine Steuerschaltung, die die vorliegende Erfindung verkörpert. Die Figur zeigt die Diode 112 verbunden zwischen dem Lastknoten 111 und dem Vcc-Knoten 114 (alternativ kann es ein anderes Schaltelement als oben angeführt geben) und eine Steuereinheit 130, um das Ansteuersignal für das Schaltelement 109 zu erzeugen. Die Steuereinheit 130 weist einen Spannungsteiler mit zwei Widerständen R1 und R2 auf, um eine skalierte Betriebsspannung (Vcc geteilt durch einen Skalierungsfaktor) vorzusehen. Wie in der Technik bekannt ist, ist die Skalierung durch die Werte der Widerstände R1 und R2 definiert. Die skalierte Betriebsspannung wird in einen Komparator 132 eingegeben, der auch eine Referenzspannung Vref empfängt, die die gewünschte Betriebsspannung Vcc repräsentiert. Der Ausgang des Komparators 132 wird in eine Logikeinheit 133 eingegeben, die ein Gate-Steuersignal für das Gate des Schaltelements 109 erzeugt. Die Logikeinheit 133 empfängt weiter eine Synchronisationsinformation, um das Gate-Steuersignal synchron mit dem Steuersignal für den Leistungsschalter 102 zu erzeugen. Zum Beispiel empfängt die Logikeinheit 133 das Leistungsschalter-Gate-Steuersignal, wie durch den Leistungsschalter-Treiber 105 erzeugt. In dem Fall, dass das andere Schaltelement anstelle der Diode 112 angewendet wird, kann die Steuereinheit 130 und insbesondere die Logikeinheit 133 auch das Gate-Steuersignal für das andere Schaltelement erzeugen, das, wie oben diskutiert, ebenso synchron mit dem Schaltelement 109 arbeiten sollte.
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Der Komparator 132 vergleicht die skalierte Betriebsspannung mit der Referenzspannung Vref und erzeugt ein Signal zum Ausschalten des Schaltelements 109, wenn die skalierte Betriebsspannung geringer ist als die Referenzspannung Vref, wodurch ein Wiederaufladen des Kondensators 113 initiiert wird, bis die skalierte Betriebsspannung höher ist als die Referenzspannung Vref und der Komparator das Signal beendet. Somit bleibt die skalierte Betriebsspannung Vcc ungefähr bei der Referenzspannung und die Betriebsspannung Vcc wird auf den gewünschten Wert gesteuert (Skalierungsfaktor·Referenzspannung Vref).
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Das offenbarte Konzept zeigt, wie eine stabile interne Versorgungsspannung Vcc in einem Leistungswandler effizient erzeugt werden kann. Die Versorgungsspannung Vcc kann als Betriebsspannung für interne Komponenten verwendet werden, wie den Leistungsschalter-Treiber und andere, und wird von der Ausgangsspannung Vout des Leistungswandlers abgeleitet (während einer Leistungswandler-Operation nach dem Start), die auf effiziente Weise erzeugt wird. Typischerweise ist die Effizienz eines Schaltreglers viel besser als eines linearen Reglers. Das Konzept kann auf einen Boost- bzw. Aufwärtswandler angewendet werden, zum Beispiel verwendet werden, um eine LED-Reihe als Last zu versorgen, wo die Ausgangsspannung Vout höher ist als die Eingangsspannung. Die erzeugte Versorgungsspannung Vcc kann präzise geregelt werden. Optional kann ein getrennter Spannungsregler, wie ein LDO, vorgesehen werden. Die vorgeschlagene Steuerschaltung kann auf einem Chip implementiert werden, der auch andere Steuerfunktionen des Leistungswandlers umfasst. Als Resultat wird ein Vcc-Laden über einen weiten Bereich ohne Widerstandsverluste erreicht.
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Wie bereits erwähnt, ist die LED-Reihe ein Beispiel für die Last; die offenbarte Erfindung kann mit jeder Last funktionieren. Während Zeitperioden eines Ladens von Vcc kann der Strom, der von dem Leistungswandler geliefert wird, reduziert werden, wenn erforderlich. Zum Beispiel kann ein fester Strom Vcc von der LED-Reihe laden. Weiter kann die zugeführte Leistung mit einem zusätzlichen Spannungsregler (wenn vorhanden) aufgeteilt werden: wenn 15 mA Strom zur Versorgung des Leistungsschalter-Treibers erforderlich ist, können 10 mA von dem Leistungswandlerausgang über die LED-Reihe und 5 mA von einem LDO kommen (als Beispiel eines Spannungsreglers). Dies ermöglicht, dass der LED-Strom konstant ist, während der LDO jede Stromdifferenz ausgleichen kann. Eine Shunt-Funktion für Vcc kann jede Vcc-Überspannung vermeiden. Die Elemente der Steuerschaltung können für nur geringe Vcc-Versorgungsschwankungen ausgelegt oder optimiert werden. Weniger Wärme wird erzeugt, da Widerstandsverluste reduziert werden.
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Es sollte angemerkt werden, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Vorrichtungen darstellen. Es ist somit offensichtlich, dass Fachleute auf dem Gebiet in der Lage sein werden, verschiedene Anordnungen zu entwickeln, die, obwohl hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Sinn und Umfang aufgenommen sind. Zusätzlich sind alle hier angeführten Beispiele hauptsächlich ausdrücklich nur für pädagogische Zwecke vorgesehen, um dem Leser bei einem Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu unterstützen und die Konzepte, die von den Erfindern beigetragen wurden, dienen der Weiterentwicklung der Technik und sollen als ohne Beschränkung auf derartige spezifisch angeführte Beispiele und Bedingungen ausgelegt werden. Zusätzlich sollen alle Aussagen hier, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung rezitieren, sowie spezifische Beispiele davon, deren Äquivalente umfassen.
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Schließlich sollte angemerkt werden, dass alle Blockdiagramme hier Konzeptansichten von illustrativen Schaltungsanordnungen repräsentieren, die die Prinzipien der Erfindung verkörpern. Ebenso ist offensichtlich, dass alle Ablaufgrafiken, Ablaufdiagramme, Zustandsübergangsdiagramme, Pseudocode und dergleichen verschiedene Prozesse repräsentieren, die im Wesentlichen in einem computerlesbaren Medium repräsentiert werden können und somit von einem Computer oder Prozessor ausgeführt werden können, ob ein solcher Computer oder Prozessor explizit gezeigt wird oder nicht.