DE112016001194T5

DE112016001194T5 - Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler mit Induktivität zur Ermöglichung eines adiabatischen Inter-Kondensator-Ladungstransports

Info

Publication number: DE112016001194T5
Application number: DE112016001194.6T
Authority: DE
Inventors: David Giuliano
Original assignee: Peregrine Semiconductor Corp
Current assignee: PSemi Corp
Priority date: 2015-03-13
Filing date: 2016-03-11
Publication date: 2017-11-30
Also published as: CN116131601A; JP2018508177A; US10193441B2; JP7320640B2; JP7020923B2; US20240030813A1; US20190157972A1; KR20240124381A; US10715036B2; JP2022058856A; US11646657B2; US20220376617A1; US20180062507A1; CN107580749A; TW201640796A; US20210028697A1; KR102688244B1; KR20180004115A; WO2016149063A1; US11329552B2

Abstract

Eine Vorrichtung zur Leistungsumwandlung beinhaltet einen Leistungswandler mit einer Ladungspumpe, einem ersten Regler, der die durch den Leistungswandler bereitgestellte Leistung regelt, und einem Magnetfilter, das mit einem Anschluss der Ladungspumpe verbunden ist. Der bestimmte Anschluss, mit dem das Magnetfilter verbunden ist, wird zum Ermöglichen eines adiabatischen Inter-Kondensator-Ladungstransports zwischen in der Ladungspumpe ausgewählt.

Description

QUERVERWEIS ZU EINER VERWANDTEN ANMELDUNG
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil des Prioritätszeitpunkts der vorläufigen US-Anmeldung mit der Nr.: 62/132,934, eingereicht am 13. März 2015. Die Inhalte von dieser werden hiermit in ihrer Gesamtheit aufgenommen.
GEBIET DER OFFENBARUNG
Diese Offenbarung betrifft eine Leistungsumwandlung und insbesondere eine Gleichstrom-Leistungsumwandlung.
HINTERGRUND
Ein bekannter Leistungswandler wird erhalten, indem ein Regler in Reihe mit einer Ladungspumpe platziert wird. Ein Beispiel eines derartigen Reglers arbeitet durch Schalten einer Induktivität in einen Zustand und in einen zweiten Zustand gemäß einem Schaltarbeitszyklus. Die Induktivität in diesem Regler führt zwei Funktionen durch. Eine ist das Steuern der Ausgangsspannung des Wandlers. Die andere ist das Unterstützen einer adiabatischen Ladungsübertragung zwischen den Kondensatoren in der Ladungspumpe.
Bekannte Leistungswandler, die gemäß den obigen Prinzipien arbeiten, sind im US-Patent mit der Nr. 8,860,396 , im US-Patent mit der Nr. 8,743,553 , im US-Patent mit der Nr. 8,503,203 , im US-Patent mit der Nr. 8,693,224 , im US-Patent mit der Nr. 8,339,184 , im US-Patent mit der Nr. 8,619,445 , im US-Patent mit der Nr. 8,723,491 und im US-Patent mit der Nr. 8,817,501 beschrieben, deren Inhalte hiermit durch Bezugnahme in ihrer Gesamtheit aufgenommen werden.
ZUSAMMENFASSUNG
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass die duale Funktion des Reglers des Regelns und des Unterstützens einer adiabatischen Ladungsübertragung durch andere Komponenten ausgeführt werden kann.
Die Erfindung beinhaltet Verringern der Funktionalität einer Komponente, die immer zum Ausführen von zwei Funktionen verwendet worden ist, und Verlagern von dieser, so dass sie nicht mehr eine dieser Funktionen ausführen kann. Eine neue Schaltungskomponente wird hinzugefügt, um die Funktion auszuführen, die zuvor durch die bestehende Komponente ausgeführt wurde. Die Erfindung erzielt somit eine komplexere Schaltung mit einer zusätzlichen Komponente, die im Stand der Technik nicht benötigt wurde.
Die Erfindung verringert auch die Die-Fläche, die für die Schaltung benötigt wird, indem die Anzahl von Komponenten, die auf dem Die platziert werden müssen, erhöht wird.
Zusätzlich zum Verringern der Chipfläche füllt die vorliegend beschriebene Erfindung auch bestimmte Löcher in der Leistungsfähigkeit des Gesamtleistungswandlers aus und ermöglicht es, einen größeren Teil der Spannungsumwandlung in der Ladungspumpe auszuführen, wo sie am effizientesten durchgeführt werden kann.
In einem allgemeinen Aspekt werden eine oder mehrere Anordnungen eines Leistungswandlers aus einer Kombination einer Zusammenschaltung von Abschnitten gebildet, einschließlich mindestens einem „Spannungswandler“, einem „Magnetfilter“ und einem „Stromregler“, wobei diese Bezeichnungen keine weiteren impliziten Bedeutungen besitzen.
Der Leistungswandler weist Anschlüsse auf, die ein erstes Paar von Anschlüssen und ein zweites Paar von Anschlüssen, auch als das „Steuerungs“-Paar von Anschlüssen bezeichnet, beinhalten. Bei zumindest manchen Ausführungsformen steuert ein Betriebsleistungswandler eine Spannung, die zwischen dem gesteuerten Paar von Anschlüssen gemessen wird. Typischerweise nimmt der Leistungswandler eine Leistung am ersten Paar von Anschlüssen von einer Leistungsquelle (z.B. einer ungeregelten Spannungsquelle) an, das als das „mit Leistung versorgte“ Paar von Anschlüssen bezeichnet wird, und stellt Leistung mit einer gesteuerten Spannung am zweiten Paar von Anschlüssen (z.B. zu einer im Wesentlichen resistiven Last) bereit, das als das „Last“-Paar von Anschlüssen bezeichnet wird. Es versteht sich jedoch, dass andere Anordnungen verwendet werden können.
Der Spannungswandler, der nicht mit einem herkömmlichen Magnetkern-Wechselstrom-„Transformator“ verwechselt werden sollte, weist mindestens drei Anschlüsse auf und umfasst eine geschaltete Anordnung von Kondensatoren. Im Allgemeinen bewirkt ein sequenzieller Betrieb von Schaltern im Spannungswandler eine Spannungsumwandlung, allgemein um ein rationales Vielfaches, zwischen einem ersten Paar von Anschlüssen des Spannungswandlers und einem zweiten Paar von Anschlüssen des Spannungswandlers. Allgemein ist ein Paar von Anschlüssen mit einer höheren Spannung als das andere Paar assoziiert. Diese Paare von Anschlüssen werden nachfolgend als das „Hochspannungs“-Paar von Anschlüssen bzw. das „Niederspannungs“-Paar von Anschlüssen bezeichnet.
Der sequenzielle Betrieb der Schalter bewirkt, dass eine Ladung zwischen Kondensatoren des Spannungswandlers übertragen wird. Die Rate der Ladungsübertragung wird durch einen Strom durch mindestens einen der Anschlüsse des Spannungswandlers beschränkt. Dieser Anschluss wird als ein „Ladungsübertragungsratenbeschränkungs“-Anschluss bezeichnet werden.
Wenn die Rate der Ladungsübertragung zwischen Kondensatoren in mindestens einem Kondensator des Spannungswandlers zumindest zeitweilig beschränkt wird, zum Beispiel durch den Strom an den Ladungsübertragungsratenbeschränkungsanschlüssen, wird der Spannungswandler als „adiabatisch“ erachtet. Falls zumindest manche aber nicht notwendigerweise alle Ladungsübertragungen gesteuert werden, wird der Spannungswandler als „teilweise adiabatisch“ bezeichnet. Andernfalls ist der Spannungswandler „vollständig adiabatisch“.
Das Magnetfilter umfasst zwei Anschlüsse, die in einem Schaltungspfad ohne irgendeine Schaltaktivität gekoppelt sind. Das Magnetfilter wirkt Änderungen im Strom, der durch mindestens einen der Anschlüsse fließt, nachfolgend als der „gefilterte Anschluss“ bzw. die „gefilterten Anschlüsse“ des Magnetfilters bezeichnet, entgegen, und behält allgemein einen im Wesentlichen konstanten Strom durch den einen oder die mehreren gefilterten Anschlüsse während eines stationären Betriebs des Leistungswandlers bei. Bei manchen Beispielen beinhaltet der die Anschlüsse verbindende Schaltungspfad eine passive Induktivität. In jedem Fall, da der Pfad zwischen den beiden Anschlüssen keinen Schalter benötigt, gibt es keinen Schalter auf dem Pfad, der so bemessen oder ausgewählt werden muss, dass die Maximalspannung oder der Maximalstrom, die bzw. der auf dem Pfad während des Betriebs vorhanden sein kann, aufgenommen wird.
Der Stromregler weist mindestens zwei Anschlüsse auf und umfasst eine geschaltete Anordnung mit mindestens einer Induktivität. Im Allgemeinen steuert ein gesteuerter sequenzieller Betrieb eines oder mehrerer Schalter des Stromreglers den Stromfluss durch mindestens einen der Anschlüsse, nachfolgend als ein „gesteuerter Anschluss“ des Stromreglers bezeichnet. Allgemein, obwohl der Stromregler den Stromfluss regeln kann, kann die Regelung des Stromflusses auf der Ausgangsspannung (z.B. eine Zeitmittelwertspannung) basieren, die zwischen einem Paar von Anschlüssen des Stromreglers oder zwischen anderen Anschlüssen in oder an der Schnittstelle des Leistungswandlers gemessen werden kann.
Ein gemeinsames Merkmal einer Anzahl von Ausführungsformen besteht darin, dass die Anordnung des Spannungswandlers, des Magnetfilters und des Stromreglers des Leistungswandlers darin besteht, dass ein gefilterter Anschluss des Magnetfilters direkt (d.h. ohne dazwischenliegende Schalter) mit einem ersten Anschluss des Spannungswandlers gekoppelt ist, wobei dieser erste Anschluss ein Ladungsübertragungssteueranschluss ist. Vorzugsweise ist das Magnetfilter somit mit einem Niederspannungspaar von Anschlüssen gekoppelt, mit der Erkenntnis, dass die Größe des Stromflusses allgemein höher an den Niederspannungsanschlüssen als an den Hochspannungsanschlüssen des Spannungswandlers ist.
Ein anderes gemeinsames Merkmal besteht darin, dass der gesteuerte Anschluss des Stromreglers direkt (d.h. ohne dazwischenliegende Schalter) mit einem zweiten Anschluss (der sich vom ersten Anschluss unterscheidet) des Spannungswandlers gekoppelt ist. Der zweite Anschluss kann, ist aber nicht notwendigerweise, ein Ladungsübertragungsratensteueranschluss des Spannungswandlers sein.
Bei manchen Beispielen ist der Stromregler mit mehreren Anschlüssen des Spannungswandlers oder mit mehreren separaten Spannungswandlerabschnitten des Leistungswandlers gekoppelt. Bei anderen Beispielen sind mehrere Stromregler oder Stromregler mit mehreren separaten gesteuerten Anschlüssen mit mehreren Anschlüssen des Spannungswandlers oder mit mehreren separaten Spannungswandlern gekoppelt.
Im Betrieb des Leistungswandlers wird der Stromregler gesteuert, um eine gesteuerte Spannung an den gesteuerten Anschlüssen des Leistungswandlers zu erzielen.
Eine Anzahl von Konfigurationen des Spannungswandlers, des Magnetfilters und des Stromreglers kann in (möglicherweise überlappende) Klassen gruppiert werden, die als „Reihe“, „Sigma“ und „Pseudoreihe“ bezeichnet werden, ohne irgendwelche bestimmte Attribute durch diese Namen zu bezeichnen.
Die Reihenklasse der Konfigurationen beinhaltet Konfigurationen, in denen der Stromregler, der Spannungswandler und das Magnetfilter zwischen dem ersten Paar und dem zweiten Paar von Anschlüssen des Leistungswandlers in Reihe geschaltet sind. In zumindest manchen dieser Konfigurationen ist das Magnetfilter mit einem gesteuerten Anschluss/Lastanschluss des Leistungswandlers gekoppelt und der Stromregler ist mit einem mit Leistung versorgten Anschluss des Reglers gekoppelt. In zumindest einer anderen dieser Konfigurationen ist das Magnetfilter mit einem mit Leistung versorgten Anschluss des Leistungswandlers gekoppelt und der Stromregler ist mit einem gesteuerten Anschluss des Leistungswandlers gekoppelt.
Die Sigmaklasse und die Pseudoreihenklasse der Konfigurationen beinhalten Konfigurationen, in denen ein gesteuerter Anschluss des Stromreglers mit einem gesteuerten Anschluss des Leistungswandlers gekoppelt ist. Der Spannungswandler ist auch über das Magnetfilter mit demselben (oder potenziell einem anderen) gesteuerten Anschluss des Leistungswandlers gekoppelt, so dass das Magnetfilter einen Pfad von einem Ladungsübertragungsratensteueranschluss des Spannungswandlers zum gesteuerten Anschluss bereitstellt. In zumindest manchen Konfigurationen der Sigmaklasse ist ein anderer Anschluss des Stromreglers mit dem Spannungswandler gekoppelt, so dass die Steuerung des Stromreglers im Betrieb eine Spannung am ersten Paar oder am zweiten Paar von Anschlüssen des Spannungswandlers beeinflusst. Falls zum Beispiel ein Anschluss des ersten Paares von Anschlüssen des Spannungswandlers über das Magnetfilter mit einem gesteuerten Anschluss des Leistungswandlers, mit dem auch ein gesteuerter Anschluss des Stromreglers gekoppelt ist, gekoppelt ist, dann ist ein anderer Anschluss des Stromreglers mit einem Anschluss des zweiten Paares von Anschlüssen des Spannungswandlers gekoppelt.
Die Sigmaklasse von Konfigurationen beinhaltet Konfigurationen, in denen ein Pfad von einem Anschluss des ersten Paares von Anschlüssen des Leistungswandlers zu einem Anschluss des zweiten Paares von Anschlüssen des Leistungswandlers vorhanden ist, der durch den Stromregler läuft, ohne den Spannungswandler zu durchlaufen.
Die Pseudoreihenklasse von Konfigurationen beinhaltet Konfigurationen, in denen der Spannungswandler über einen ersten Pfad, der über das Magnetfilter aber nicht den Stromregler läuft, sowie über einen zweiten Pfad, der über den Stromregler aber nicht das Magnetfilter läuft, mit einem gesteuerten Anschluss des Leistungswandlers gekoppelt ist.
Ein Vorteil von zumindest manchen Konfigurationen der Sigma- und der Pseudoreihenklasse besteht darin, dass ein Teil des Leistungsflusses durch den Leistungswandler durch das Magnetfilter aber nicht den Stromregler läuft. Da das Magnetfilter keinen Schalter an den Leistungsflusspfad durch das Magnetfilter einführt, werden Leistungsverluste (z.B. resistive und kapazitive Verluste in einem Schalter) verringert und die Gesamteffizienz des Leistungswandlers wird verbessert.
Ein Vorteil von zumindest manchen Konfigurationen von einer beliebigen der Klassen besteht darin, dass die Anzahl oder der Bereich von Kombinationen von Anschlussspannungen, die durch den Leistungswandler unterstützt werden, im Vergleich zu anderen Konfigurationen, die durch Einschränkungen an Spannungsdifferenzen zwischen Paaren seiner Anschlüsse des Stromreglers beeinflusst werden, die sich um weniger als eine Schwellenspannung unterscheiden, erhöht werden kann.
Ein anderer Vorteil von zumindest manchen Konfigurationen besteht darin, dass Spannungs- oder Strombehandlungsanforderungen von Schaltern des Spannungswandlers und/oder des Stromreglers im Vergleich zu anderen Konfigurationen reduziert werden können. Diese reduzierten Anforderungen kann zu physisch kleineren Halbleitereinrichtungen führen, was die Größe einer integrierten Schaltungsimplementierung von einem Teil oder dem gesamten Leistungswandler reduzieren kann.
Bei einem Aspekt weist die Erfindung eine Vorrichtung zur Leistungsumwandlung auf. Eine derartige Vorrichtung beinhaltet einen Leistungswandler mit einer Ladungspumpe, einem ersten Regler, der die durch den Leistungswandler bereitgestellte Leistung regelt, und einem Magnetfilter, das mit einem Anschluss der Ladungspumpe verbunden ist. Der bestimmte Anschluss, mit dem das Magnetfilter verbunden ist, wird zum Ermöglichen eines adiabatischen Inter-Kondensator-Ladungstransports zwischen in der Ladungspumpe ausgewählt.
Ausführungsformen beinhalten die, in denen die Ladungspumpe einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist. Im Betrieb wird der erste Anschluss an einer ersten Spannung gehalten und der zweite Anschluss wird an einer zweiten Spannung, die niedriger als die erste ist, gehalten. Bei diesen Ausführungsformen ist das Magnetfilter mit dem zweiten Anschluss verbunden, der der Anschluss ist, der die niedrigere Spannung aufweist.
Bei anderen Ausführungsformen ist der erste Regler zum Abfangen eines ersten Teils der durch den Leistungswandler bereitgestellten Leistung angeordnet. Unterdessen ist die Ladungspumpe zum Abfangen eines zweiten Teils der durch den Leistungswandler bereitgestellten Leistung angeordnet. Das Magnetfilter ist auch zum Abfangen des zweiten Teils angeordnet. Der zweite Teil besitzt eine größere Größe als der erste Teil.
Bei anderen Ausführungsformen ist der erste Regler zum Abfangen eines ersten Teils der durch den Leistungswandler bereitgestellten Leistung angeordnet. Unterdessen ist die Ladungspumpe zum Abfangen eines zweiten Teils der durch den Leistungswandler bereitgestellten Leistung angeordnet. Das Magnetfilter ist auch zum Abfangen des zweiten Teils angeordnet. Der erste und der zweite Teil werden an einem Ausgang des Leistungswandlers kombiniert.
Bei einer anderen Ausführungsform sind sowohl das Magnetfilter als auch der erste Regler mit einem Ausgang des Leistungswandlers verbunden. Bei dieser Ausführungsform ist der erste Regler mit dem ersten Anschluss verbunden. Unter diesen Ausführungsformen befinden sich auch jene, in denen der erste Regler einen Masseanschluss beinhaltet, der auch mit dem ersten Anschluss verbunden ist.
Bei einer anderen Ausführungsform beinhaltet die Ladungspumpe einen ersten und einen zweiten Ladungstransportpfad. Bei diesen Ausführungsformen ist der erste Regler mit dem ersten Ladungstransportpfad verbunden und das Magnetfilter ist mit dem zweiten Ladungstransportpfad verbunden. Unter diesen befinden sich Ausführungsformen, in denen der zweite Ladungstransportpfad einen größeren Strom als der erste Ladungstransportpfad aufweist, und Ausführungsformen, in denen der erste Ladungstransportpfad einen größeren Strom als der zweite Ladungstransportpfad aufweist. Unter diesen befinden sich außerdem Ausführungsformen, in denen es einen zweiten Regler gibt und das Magnetfilter einen Bestandteil des zweiten Reglers ist. Bei manchen dieser Ausführungsformen arbeitet der erste Regler mit einem ersten Arbeitszyklus und der zweite Regler arbeitet mit einem zweiten Arbeitszyklus, der unabhängig vom ersten Arbeitszyklus gesteuert wird.
Manche Ausführungsformen beinhalten eine Steuerung zum Steuern des Betriebs des Reglers basierend auf einer Ausgabe des Leistungswandlers. Andere beinhalten einen Taktgeber, der konfiguriert ist zum Bereitstellen eines Taktsignals entweder zum Regler oder zur Ladungspumpe.
Unter den Ausführungsformen befinden sich außerdem jene, die ein Steuersystem aufweisen, das konfiguriert ist zum Steuern des Betriebs des Leistungswandlers basierend auf einer gemessenen Ausgabe des Leistungswandlers. Unter diesen befinden sich jene, die eine Steuerung zum Steuern des Reglers aufweisen, jene, die eine Steuerung zum Steuern der Ladungspumpe aufweisen, jene, die beides aufweisen, jene, die einen Taktsignaleingang aufweisen, der ein Taktsignal empfangen kann, jene, in denen die Steuerung Digitaleingänge aufweist, jene, in denen die Steuerung Analogeingänge aufweist, und eine beliebige Kombination des Vorangestellten.
Eine Vielzahl von Ladungspumpen und Reglern kann verwendet werden. Unter den Ausführungsformen befinden sich zum Beispiel jene, die eine Mehrphasen-Ladungspumpe aufweisen, jene, die eine Einphasen-Ladungspumpe aufweisen, jene, die eine Mehrstufen-Ladungspumpe aufweisen, jene, die eine Zweiphasen-Ladungspumpe aufweisen, jene, die einen Resonanzleistungswandler aufweisen, jene, die einen Schaltleistungswandler aufweisen, jene, die einen Buckwandler aufweisen, jene, die einen bidirektionalen Regler aufweisen, und jene, die einen Mehrphasenregler aufweisen.
Bei manchen Ausführungsformen umfasst die Ladungspumpe Kondensatoren, die durch Sätze von Schaltern zusammengeschaltet sind. Während des Betriebs befinden sich Schalter im ersten Satz in einem entgegengesetzten Zustand gegenüber Schaltern im zweiten Satz.
Bei manchen Ausführungsformen ist die Ladungspumpe eine rekonfigurierbare Ladungspumpe. Unter diesen befinden sich Ausführungsformen, in denen der Regler dazu konfiguriert ist, während einer Rekonfiguration der Ladungspumpe vom Bereitstellen einer ersten Spannung zum Bereitstellen einer zweiten Spannung überzugehen.
Bei einem anderen Aspekt weist die Erfindung eine Vorrichtung zur Leistungsumwandlung auf. Eine derartige Vorrichtung beinhaltet einen Leistungswandler mit einer Ladungspumpe, einem ersten Regler, der die durch den Leistungswandler bereitgestellte Leistung regelt, und einem Magnetfilter, das mit einem Anschluss der Ladungspumpe verbunden ist. Der bestimmte Anschluss, mit dem das Magnetfilter verbunden ist, wird dazu ausgewählt, zu ermöglichen, eine Beschränkung des Inter-Kondensator-Ladungstransports in der Ladungspumpe zu bewirken.
Bei einem anderen Aspekt, weist die Erfindung ein nichtflüchtiges computerlesbares Medium auf, das eine Datenstruktur speichert, die durch ein auf einem Computersystem ausführbares Programm bearbeitet werden soll, wobei, wenn sie durch ein derartiges Programm bearbeitet wird, die Datenstruktur mindestens einen Teil eines Prozesses zum Herstellen einer integrierten Schaltung, die durch die Datenstruktur beschriebene Schaltkreise beinhaltet, bewirkt, wobei die durch die Datenstruktur beschriebenen Schaltkreise ein Schaltnetzwerk beinhalten, das zum Verwenden mit einem Leistungswandler konfiguriert worden ist, der eine Ladungspumpe, einen ersten Regler, der zum Regeln einer durch den Leistungswandler bereitgestellten Leistung konfiguriert ist, und ein Magnetfilter, das mit einem Anschluss der Ladungspumpe verbunden ist und das zur Ermöglichung eines adiabatischen Inter-Kondensator-Ladungstransports in der Ladungspumpe ausgewählt wird, umfasst.
Diese und andere Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den begleitenden Figuren ersichtlich, in denen:
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 eine Ausführungsform eines Leistungswandlers darstellt;
2 eine Schaltkondensator-Ladungspumpe zur Verwendung mit einem Leistungswandler, wie etwa dem in 1 dargestellten, darstellt;
3A Anschlüsse darstellt, die mit den verschiedenen Kondensatornetzwerken verbunden sind, die gebildet und vernichtet werden, wenn die Ladungspumpe von 2 zwischen ihren verschiedenen Zuständen übergeht;
3B ein erstes Kondensatornetzwerk darstellt, das einer ersten Konfiguration von Schaltern für die Ladungspumpe von 2 entspricht;
3C ein zweites Kondensatornetzwerk darstellt, das einer zweiten Konfiguration von Schaltern für die Ladungspumpe von 2 entspricht;
4 ein Blockdiagramm der Ladungspumpe mit 4 Anschlüssen von 2 darstellt;
5 ein Blockdiagramm der Ladungspumpe mit 3 Anschlüssen von 3A darstellt;
6A die Komponenten eines typischen Reglers darstellt, der in einem Leistungswandler, wie etwa dem in 1 dargestellten, verwendet werden können;
6B–6D alternative Regler zur Verwendung mit einem Leistungswandler, wie etwa dem in 1 dargestellten, darstellen;
7A–7B Magnetfilter darstellen, die in der Ausführungsform von 1 verwendet werden können;
8 eine Ausführungsform darstellt, in der eine Diode zum Leiten von Strom in einem Magnetfilter verwendet wird, der während der Totzeit der Ladungspumpe keinen Platz hat, irgendwo hin zu gehen;
9 den Leistungswandler von 1 darstellt, aber mit parallelen Ladungspumpen und parallelen Magnetfiltern;
10 den Leistungswandler von 9 darstellt, bei dem sich aber die Magnetfilter eine gemeinsame Induktivität teilen;
11 den Leistungswandler von 1 darstellt, bei dem aber der Regler Schalter aufweist, die sich eine gemeinsame Induktivität teilen;
12 eine Ausführungsform darstellt, die der in 1 dargestellten ähnelt, aber mit einer Ladungspumpe mit vier Anschlüssen;
13 eine Ausführungsform mit einem gegabelten Leistungspfad durch den Leistungswandler darstellt;
14A eine Schaltung darstellt, die den gegabelten Leistungspfad von 13 implementiert, wobei die Spannung so aufgeteilt ist, dass die zum Regler übergebene Spannung doppelt so groß wie die zur Ladungspumpe übergebene ist;
14B eine Schaltung darstellt, die den gegabelten Leistungspfad von 13 implementiert, wobei die Spannung so aufgeteilt ist, dass die zum Regler übergebene Spannung halb so groß wie die zur Ladungspumpe übergebene ist;
15A eine andere Ausführungsform mit einem gegabelten Leistungspfad durch einen Leistungswandler darstellt;
15B eine Schaltung darstellt, die den gegabelten Leistungspfad von 15A implementiert;
16A eine isolierte Ladungspumpe darstellt, die zur Verwendung mit der in 15A dargestellten Architektur geeignet ist;
16B eine einphasige Implementierung der in 16A dargestellten isolierten Ladungspumpe darstellt;
16C eine zweiphasige Implementierung der in 16A dargestellten isolierten Ladungspumpe darstellt;
17A–17D Varianten der in 15A dargestellten Architektur darstellen;
18A–18C Schaltungstopologien mit gegabelten Leistungspfaden mit mit Masse verbundenen Ladungspumpen darstellen;
19A–19C Schaltungstopologien darstellen, die denen in den 18A–18C ähneln, mit Ausnahme von mit Masse verbundenen Reglern anstelle von Ladungspumpen;
20 einen Leistungswandler darstellt, der Merkmale zeigt, die die Ausführungsformen der 1, 12, 13 und 15A gemein haben;
21A eine geregelte Ladungspumpe darstellt;
21B–21C die Schalterkonfigurationen und Netzwerkzustände für die geregelte Ladungspumpe von 21A darstellen;
22A eine geregelte Ladungspumpe von 21A darstellt, bei der ein Schalter eliminiert worden ist;
22B die Schalterkonfigurationen für die geregelte Ladungspumpe von 22A darstellt;
23A die geregelte Ladungspumpe von 22A mit einem stabilisierenden Kondensator darstellt;
23B–23C die Schalterkonfigurationen und Netzwerkzustände für die geregelte Ladungspumpe von 23A darstellen;
24A eine geregelte Ladungspumpe darstellt, bei der beide Schalter des Reglers entfernt worden sind;
24B die Schalterkonfigurationen für die geregelte Ladungspumpe von 24A darstellt;
25A–26B zusätzliche Schalterkonfigurationen und Netzwerkzustände für die geregelte Ladungspumpe von 24A darstellen, bei denen nur drei Zustände und Konfigurationen vorhanden sind, die zum Betreiben der Ladungspumpe benötigt werden;
27A eine zweiphasige Implementierung der geregelten Ladungspumpe von 24A ist und
27B die Netzwerkzustände für die geregelte Ladungspumpe von 27A darstellt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Eine Ladungspumpe weist einen Hochspannungsanschluss und einen Niederspannungsanschluss auf. Aufgrund der Energieerhaltung ist der Hochspannungsanschluss mit einem niedrigeren Strom assoziiert, wohingegen der Niederspannungsanschluss mit einem höheren Strom assoziiert ist. Der Regler kann im Prinzip an jedem Ende platziert werden.
Um jedoch der Induktivität im Regler zu ermöglichen, beim adiabatischen Laden aller Kondensatoren in der Ladungspumpe teilzunehmen, ist es wichtig, dass der Regler mit der Niederspannungsseite verbunden ist. Es gibt zwei Nachteile für diese Konfiguration: einen physikalischen und einen anderen operativen.
Der physikalische Nachteil entsteht aus der Tatsache, dass aus dem Niederspannungsanschluss der Ladungspumpe sehr viel Strom austritt. Dies bedeutet, dass der Schalter im Regler in der Lage sein muss, sehr hohe Ströme aufzunehmen. Dies wird am häufigsten erzielt, indem der Transistor, der den Schalter implementiert, physisch größer gestaltet wird, so dass die Stromdichte an einem beliebigen Punkt im Transistor kleiner sein wird. Unglücklicherweise kann es notwendig werden, einen größeren Die zu verwenden, da dieser Schalter so viel der Die-Fläche verbraucht. Dies erhöht die Herstellungskosten sowie die Gesamtgröße des Leistungswandlers.
Der operative Nachteil entsteht aus der Tatsache, dass Ladungspumpen allgemein beim Ausführen einer Spannungsumwandlung effizienter sind als Regler. Obwohl der Regler auch eine Spannung umwandeln kann, ist er dabei nicht besonders effizient. Wo er sich auszeichnet, ist das Bereitstellen einer Feinsteuerung der Spannung und das Unterdrücken einer Stromwelligkeit. Wenn somit ein Leistungswandler eine erste Spannung in eine zweite Spannung umwandeln soll, wird bevorzugt, dass die Ladungspumpe so viel wie möglich von der Spannungsumwandlung ausführt und der Regler so wenig wie möglich von der Spannungsumwandlung durchführt.
Es gibt zwei Beschränkungen, die dagegensprechen. Die erste Beschränkung besteht darin, dass Ladungspumpen um ein bestimmtes ganzzahliges Verhältnis, n/m, herum ausgelegt sind. Für eine gegebene Eingangsspannung V_in ist die Ausgangsspannung V_out einer Ladungspumpe somit V_in·(n/m). Dieses Verhältnis ist für eine bestimmte Konfiguration der Ladungspumpe festgesetzt. Eine der Funktionen des Reglers besteht darin, die Lücke zwischen dem Gesamtfaktor, der zum Erreichen eines Spannungszielwerts benötigt wird, und dem Faktor (n/m), den die Ladungspumpe beiträgt, zu überbrücken.
Die zweite Beschränkung, die in bekannten Designs entsteht, besteht darin, dass eine Minimalspannungsspanne zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Reglers vorhanden sein muss. Falls der Regler am Niederspannungsanschluss der Ladungspumpe platziert wird, ist es sehr wahrscheinlich, dass sich die Spannung am Ausgang der Ladungspumpe und die Zielspannung um weniger als diese Minimalspannungsspanne unterscheiden werden.
Falls die gewünschte Leistungswandlerausgabe zum Beispiel 1,0 Volt ist und V_in 4,2 Volt ist, kann eine Ladungspumpe, die mit m/n = 3 ausgelegt ist, verwendet werden, um 1,4 Volt am Niederspannungsausgang beizubehalten. Obwohl dies die Zielspannung leicht überschreitet, wird beabsichtigt, dass der Regler die Lücke zwischen den 1,4 Volt und den gewünschten 1,0 Volt überbrückt. Dies ist wünschenswert, da ein großer Anteil der benötigten Spannungsumwandlung durch die effizientere Ladungspumpe ausgeführt werden wird.
Falls diese Ausgabe jedoch einem Regler bereitgestellt wird, der zum Beispiel eine Minimalspannungsspanne von 0,6 Volt benötigt, dann wird es nicht möglich sein, 1,0 Volt auszugeben. Dies erzeugt, was einer Lücke in der Leistungsfähigkeit des Leistungswandlers gleichkommt.
Natürlich kann dieses Problem leicht gelöst werden, indem stattdessen eine mit m/n = 2 ausgelegte Ladungspumpe verwendet wird. Falls dies getan wird, wird die Ausgabe der Ladungspumpe 2,1 Volt sein, was genug sein wird, um die 0,6-Spannungsspanne bereitzustellen. Die Tätigkeit des Umwandelns der 2,1 Volt in die gewünschten 1,0 Volt muss jetzt jedoch durch den Regler ausgeführt werden, der dafür nicht besonders effizient ist.
Bei einer ersten Ausführungsform, in 1 dargestellt, wandelt ein Leistungswandler 10 eine erste Spannung V1 in eine zweite Spannung V2 um Der Leistungswandler 10 beinhaltet einen Regler 12 und eine Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen in Reihe. Die Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen weist einen ersten CP-Anschluss 16, einen zweiten CP-Anschluss 18 und einen dritten CP-Anschluss 17 auf.
Eine Reglersteuerung 13, die mit einem Reglersteuerausgang 132 verbunden ist, steuert die Schaltaktivität des Reglers 12 zumindest teilweise basierend auf einer Rückkopplung von einer Rückkopplungsleitung 144, die mit der zweiten Spannung V2 verbunden ist. Die Reglersteuerung 13 kann jedoch auf andere Eingänge angewiesen sein, wie etwa eine Vorwärtskopplungsleitung 141, eine erste dazwischenliegende Rückkopplungsleitung 142 und eine zweite dazwischenliegende Rückkopplungsleitung 143. Ein Reglersteuereingang 131, der ein Digitaleingang oder ein Analogeingang sein kann, ermöglicht, dass ein Sollwert für den Betrieb des Reglers 12 eingegeben wird.
Unterdessen steuert eine Ladungspumpensteuerung 15, die mit einem Ladungspumpensteuerausgang 152 verbunden ist, die Schaltaktivität der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen. Ein Ladungspumpensteuereingang 151, der ein Digitaleingang oder ein Analogeingang sein kann, ermöglicht, dass ein Sollwert für den Betrieb der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen eingegeben wird.
Der Leistungswandler 10 beinhaltet ferner einen Taktgeber 145, der sowohl mit der Ladungspumpensteuerung 15 als auch mit der Reglersteuerung 13 verbunden ist, um zu gewährleisten, dass sich Schalter zur richtigen Zeit und synchron öffnen und schließen.
Zur Verdeutlichung sind die Reglersteuerung 13, die Ladungspumpensteuerung 14 und der Taktgeber 145 aus bestimmten Figuren ausgelassen worden. Es versteht sich jedoch, dass sie immer implizit vorhanden sind.
Während des Betriebs der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen, behält der Regler 12 eine hohe Spannung am ersten CP-Anschluss 16 bei, aber durch ihn läuft ein niedriger Strom hindurch. Am zweiten CP-Anschluss 18 wird durch die Handlung der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen eine relativ niedrige Spannung beibehalten. Sowohl der erste als auch der zweite CP-Anschluss 16, 18 teilen sich eine gemeinsame Bezugsmasse am dritten CP-Anschluss 17.
Insbesondere ist die Spannung am zweiten CP-Anschluss 18 für eine Eingangsspannung V_h am ersten CP-Anschluss 16 V_h·(m/n), wobei m/n das definierende Spannungsumwandlungsverhältnis der bestimmten Ladungspumpe ist. Durch den zweiten CP-Anschluss 18 wird jedoch auch ein höherer Strom hindurchlaufen. Im idealen Fall ohne Verlust sollte die Leistung, die in die Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen eintritt, gleich der Leistung sein, die aus der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen austritt. Dies bedeutet, dass das Produkt von hohem Strom und niedriger Spannung am zweiten CP-Anschluss 18 gleich dem Produkt von hoher Spannung und niedrigem Strom am ersten CP-Anschluss 16 sein sollte.
Die Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen kann unter Verwendung von vielen unterschiedlichen Ladungspumpentopologien implementiert werden, wie etwa Leiter, Dickson, reihenparallel, Fibonacci und Doubler. Manche dieser Topologien können derart konfiguriert sein, dass die mit dem ersten CP-Anschluss 16 assoziierte Bezugsmasse und die mit dem zweiten CP-Anschluss 18 assoziierte Bezugsmasse unterschiedlich sind, was zu einer Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen führt.
2 veranschaulicht eine Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen, die eine Zweiphasenvariante der Dickson-Ladungspumpe ist, auch als ein Kaskadenmultiplizierer bekannt. Zusätzlich zum ersten und zum zweiten CP-Anschluss 16, 18 beinhaltet die Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen auch einen vierten und einen fünften CP-Anschluss 116, 118. Im Gegensatz zur Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen teilen sich der erste und der zweite CP-Anschluss 16, 18 in der Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen keine gemeinsame Bezugsmasse. Stattdessen besitzt der erste CP-Anschluss 16 seine eigene Bezugsmasse am vierten CP-Anschluss 116 und der zweite CP-Anschluss 18 besitzt seine eigene Bezugsmasse am fünften CP-Anschluss 118.
Die Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen weist ein Schaltnetzwerk auf, das Übergänge zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand bewirkt. Ein Schaltkondensatornetzwerk 21 in der Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen wechselt zwischen dem ersten und dem zweiten Zustand in Abhängigkeit davon, welche dieser Schalter offen sind und welche geschlossen sind, ab. Eine erste Schalterkonfiguration bewirkt, dass das Schaltkondensatornetzwerk 21 vom ersten Zustand zum zweiten Zustand übergeht. Eine zweite Schalterkonfiguration bewirkt, dass das Schaltkondensatornetzwerk 21 vom zweiten Zustand zum ersten Zustand übergeht. Eine Ladungspumpenhandlung entsteht infolgedessen, dass die Schalter bewirken, dass das Schaltkondensatornetzwerk 21 zwischen diesen Zuständen schaltet.
Im Betrieb werden unterschiedliche Strommengen durch unterschiedliche Schalter fließen. Es ist daher nützlich, die Schalter auf eine Weise zu bemessen, die für die Ströme, die durch sie fließen werden, geeignet ist. Die mit dem zweiten und fünften CP-Anschluss 18, 118 verbundene Schalter befördern zum Beispiel mehr Strom als die anderen Schalter in 2. Indem diese Schalter größer als die anderen Schalter gemacht werden, wird die Notwendigkeit vermieden, unnötig große Schalter aufzuweisen, was somit zu einer kleineren Schaltungsgrundfläche führt. Dies vermeidet auch unnötige zusätzliche kapazitive Verluste, die proportional zur Größe des Schalters sind.
3A stellt die Anschlüsse dar, die mit einem Schaltkondensatornetzwerk 21 der Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen verbunden werden. Die Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen geht ständig zwischen Zuständen über, von denen jeder ein anderes Kondensatornetzwerk ist. In der folgenden Besprechung wird das in 2 dargestellte Schaltkondensatornetzwerk 21 nur in einem oder dem anderen Zustand dargestellt. Infolgedessen muss die in 2 dargestellte Verbreitung der Schalter nicht mehr dargestellt werden.
Natürlich kann nicht gesagt werden, dass ein Zustand die Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen tatsächlich definiert, genauso, wie es nicht möglich ist, ein Bild zu identifizieren, das einen Film definiert. Dieser Erkenntnis folgend ist das Schaltkondensatornetzwerk 21 in 3A als ein leeres Fenster dargestellt. Entweder ein erster Zustand 21A oder ein zweiter Zustand 21B wird in dieses leere Fenster projiziert werden. Das tatsächliche Schaltkondensatornetzwerk, das in 3A vorhanden ist, wird genau von dem abhängen, wenn man auf es schaut. Manchmal wird sich das Schaltkondensatornetzwerk 21 in seinem ersten Zustand 21A befinden, wie in 3B dargestellt, und manchmal wird es sich in seinem zweiten Zustand 21B befinden, wie in 3C dargestellt.
Der erste und der zweite Zustand 21A, 21B sind im Wesentlichen symmetrisch. Obwohl die Topologie als die gleiche erscheint, wird eine genaue Untersuchung der 3B und 3C aufzeigen, dass die Kondensatoren die Plätze vertauscht haben. Dieses Vertauschen der Plätze ist, was die in 2 dargestellten Schalter verwirklichen.
In der in 4 dargestellten Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen gibt es drei interne Ladungstransportpfade. Ein erster Ladungstransportpfad zwischen dem fünften CP-Anschluss 118 und dem zweiten CP-Anschluss 18 befördert einen ersten Strom i_P. Dieser erste Ladungstransportpfad befördert den höchsten Strom. Ein zweiter Ladungstransportpfad zwischen dem ersten CP-Anschluss 16 und dem zweiten CP-Anschluss 18 befördert einen zweiten Strom i_H. Ein dritter Ladungstransportpfad zwischen dem fünften CP-Anschluss 118 und dem vierten CP-Anschluss 116 befördert einen dritten Strom i_L. Der am zweiten CP-Anschluss 18 vorhandene Strom ist somit die Summe (i_P + i_H). Dies ist ungefähr gleich N·i_H, wobei N von der Topologie des Schaltkondensatornetzwerks 21 abhängt. Bei dieser Ausführungsform sind die Massen nicht vollständig isoliert, da es ein Ladungstransportpfad zwischen ihnen gibt.
Die Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen kann aus der Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen erzeugt werden, indem der vierte CP-Anschluss 116 zum zweiten CP-Anschluss 18 kurzgeschlossen wird und indem der fünfte CP-Anschluss 118 zum dritten CP-Anschluss 17 der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen kurzgeschlossen wird. Ein Blockdiagramm der resultierenden Ladungspumpe ist in 5 dargestellt.
Es wird aus 5 ersichtlich, dass es zwei interne Ladungstransportpfade in der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen gibt. Ein erster Ladungstransportpfad zwischen dem dritten CP-Anschluss 17 und dem zweiten CP-Anschluss 18 befördert einen ersten Strom i_P + i_L. Dieser erste Ladungstransportpfad befördert den höchsten Strom. Ein zweiter Ladungstransportpfad zwischen dem ersten CP-Anschluss 16 und dem zweiten CP-Anschluss 18 befördert einen zweiten Strom i_H. Der am zweiten CP-Anschluss 18 vorhandene Strom ist somit die Summe (i_P + i_H + i_L). Dies ist ungefähr gleich (N + 1)i_H, wobei N von der Topologie des Schaltkondensatornetzwerks 21 abhängt.
Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform wird der Regler 12 zwischen der umzuwandelnden ersten Spannung V1 und dem ersten CP-Anschluss 16 der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen platziert. Dies hindert die Fähigkeit des Reglers, einen adiabatischen Inter-Kondensator-Ladungstransport unter den Kondensatoren in der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen zu unterstützen. Um diese Fähigkeit zu verbessern, wird bevorzugt, den Regler 12 mit dem zweiten CP-Anschluss 18 zu verbinden.
Die Erwünschtheit, den Regler 12 am zweiten CP-Anschluss 18 zu platzieren, geht aus den 3B–3C hervor. Eine Untersuchung der Netzwerktopologie ergibt, dass eine mit dem zweiten CP-Anschluss 18 gekoppelte Induktivität mit allen Kondensatoren im Schaltkondensatornetzwerk 21 gekoppelt sein würde. Daher wird sie in der Lage sein, alle drei Ladungstransportpfade gleichzeitig zu beeinflussen. Im Gegensatz dazu wird eine mit dem ersten CP-Anschluss 16 gekoppelte Induktivität nur in der Lage sein, den zweiten Ladungstransportpfad zwischen dem ersten CP-Anschluss 16 und dem zweiten CP-Anschluss 18 zu beeinflussen. Zudem befördert der zweite Ladungstransportpfad weitaus weniger Strom als der erste Ladungstransportpfad zwischen dem fünften CP-Anschluss 118 und dem zweiten CP-Anschluss 18. Um somit den Verlust zu verringern, ist es wichtig, den ersten Ladungstransportpfad zu beeinflussen.
Bei der in 1 dargestellten Konfiguration ist der Regler 12 teilweise in den Hintergrund gesetzt worden. Er kann weiterhin den Strom am zweiten CP-Anschluss 18 regeln. Aber er hat seine Fähigkeit verloren, einen adiabatischen Inter-Kondensator-Ladungstransport zu unterstützen.
Dass der Regler 12 mit dem ersten CP-Anschluss 16 anstelle des zweiten CP-Anschlusses 18 verbunden ist, kommt jedoch nicht ohne Vorteile. Insbesondere fließt am ersten CP-Anschluss 16 nur ein kleiner Strom i_H durch den Regler 12. Dies bedeutet, dass die verschiedenen Komponenten im Regler 12 nicht mehr so bemessen werden müssen, den größeren Strom (i_H + i_P), der am zweiten CP-Anschluss 18 vorhanden ist, aufzunehmen.
Insbesondere verbindet ein Schalter 20 bei einer allgemeinen Ausführungsform eines Reglers 12, wie etwa die in 6A dargestellte, periodisch eine Induktivität 22 in einen ersten Zustand und in einen zweiten Zustand gemäß einem Arbeitszyklus. Der Schalter 20 trägt letztlich die Hauptlast des Stroms, der durch den Regler 12 läuft. Da praktische Schalter 20 mit Halbleitermaterialien implementiert werden, besteht eine gewisse Gefahr, dass der Schalter 20 überhitzen wird. Da die in einem Volumenmaterial produzierte Wärme das Produkt der Widerstandsfähigkeit und der Stromdichte ist, besteht eine Art und Weise, eine überschüssige Erwärmung eines Halbleiterschalters 20 zu reduzieren, so dass er große Mengen von Strom aufnehmen kann, einfach darin, den Strom über eine größere Fläche des Halbleitermaterials zu verteilen, wodurch die Stromdichte verringert wird. Dies führt jedoch zu einem Schalter 20, der eine große Fläche auf einem Halbleiter-Die verbraucht.
Viele andere Reglerkonfigurationen weisen einen derartigen Schalter 20 auf, der periodisch eine Induktivität in einen ersten Zustand und in einen zweiten Zustand zum Regeln verbindet. Andere Beispiele sind in den 6B–6D dargestellt, die einen Boost-Wandler in 6B, einen Boost-Buck-Wandler in 6C und einen Flyback-Wandler in 6D aufweisen. Obwohl sich diese Regler leicht in der Topologie unterscheiden, weisen sie alle einen Schalter 20 auf, der eine Induktivität 22 (oder einen Wandler) moduliert. Andere geeignete Regler, die nicht dargestellt sind, beinhalten Flyback-Wandler, quasiresonante Flyback-Wandler, Flyback-Wandler mit Aktivklemme, verschachtelte FlybackWandler, Cuk-Wandler, SEPIC-Wandler, Resonanzwandler, Mehrebenen-Wandler, Vorwärtswandler, Vorwärtswandler mit zwei Schaltern, Vorwärtswandler mit Aktivklemme, verschachtelte Vorwärtswandler, multi-resonante Vorwärtswandler, Halbbrückenwandler, asymmetrische Halbbrückenwandler, multi-resonante Halbbrückenwandler, resonante LLC-Halbbrückenwandler und Vollbrückenwandler.
Infolgedessen, dass der Regler 12 mit den ersten CP-Anschluss 16 verbunden ist, wie in 1 dargestellt, muss der Schalter 20 nur einen kleineren Strom aufnehmen, als er aufnehmen müsste, wenn er mit dem zweiten Anschluss 18 verbunden worden wäre. Natürlich muss der Schalter 20 möglicherweise so ausgelegt werden, dass er die hohe Spannung am ersten CP-Anschluss 16 aufnimmt. Dieser Kompromiss ist in den meisten Designs jedoch gewöhnlicherweise vorteilhaft.
Ein anderer Vorteil des Verbindens des Reglers 12 mit dem ersten CP-Anschluss 16 besteht darin, dass die Induktivität 22 keine so große Induktivität benötigt, wie benötigt werden würde, wenn er mit dem zweiten CP-Anschluss 18 verbunden wäre. Dies verringert den Gleichstromwiderstand der Induktivität 22 und verringert somit Energieverluste, die mit dem Strom durch die Induktivität 22 assoziiert sind.
Ein adiabatischer Inter-Kondensator-Ladungstransport bleibt wünschenswert, egal, wo der Regler 12 platziert ist. Da die Induktivität 22 im Regler 12 nicht mehr für diesen Zweck verfügbar ist, ist es notwendig, eine andere Komponente zum Leistungswandler 10 hinzuzufügen. Dies führt zu einer Zunahme in der Komponentenanzahl und einer resultierenden Zunahme in der Schaltungskomplexität.
Um einen adiabatischen Intra-Kondensator-Ladungstransport in der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen zu unterstützen, weist die veranschaulichte Ausführungsform in 1 ein Magnetfilter 24 auf, das mit dem zweiten CP-Anschluss 18 verbunden ist. Das Magnetfilter 24 beinhaltet eine Induktivität, die dazu tendiert, einen adiabatischen Inter-Kondensator-Ladungstransport in der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen zu unterstützen.
Die in 2 dargestellten Schalter werden bei einer bestimmten Schaltfrequenz zwischen Zuständen übergehen. Es ist wünschenswert, dass die Ladungspumpe 14 bei dieser Schaltfrequenz adiabatisch arbeitet, um Verluste zu reduzieren. Eine Art und Weise um zu gewährleisten, dass dies der Fall ist, besteht darin, die Widerstände der Schalter derart auszuwählen, dass sie so groß sind, dass die RC-Zeitkonstante der Ladungsübertragung zwischen den Kondensatoren der Schaltfrequenz ähnelt oder sogar länger als diese ist. Unglücklicherweise erhöht dies die resistiven Verluste. Das Magnetfilter 24 ermöglicht uns, den Widerstand der Schalter zu reduzieren, ohne einen erheblichen Neuverteilungsverlust zu erleiden, und dadurch adiabatisch zu arbeiten. Daher können die Schalter optimal für die höchste Effizienz bemessen werden, ohne um sich über den Neuverteilungsverlust Sorgen zu machen. Die optimale Größe für jeden Schalter wird ausgewählt, indem die resistiven und kapazitiven Verluste in jedem Schalter bei einer gegebenen Schaltfrequenz und einem gegebenen Strom abgewogen werden.
Noch ein anderer Vorteil des Verbindens des Reglers 12 mit dem ersten CP-Anschluss 16 entsteht mit bestimmten dynamisch rekonfigurierbaren Ladungspumpen.
In manchen Fällen ist es möglich, dass die in 1 dargestellte erste Spannung V1 erheblich schwankt. Es kann zum Beispiel Zeiten geben, bei denen die Spannung genug abfällt, so dass die Spannung über den Regler 12 nicht für einen ordnungsgemäßen Betrieb ausreicht. Dies benötigt ein Verringern des Spannungsumwandlungsverhältnisses der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen, wodurch ausreichend Durchhangspannung bereitgestellt wird, mit der der Regler 12 arbeiten kann. Eine derartige dynamische Rekonfiguration kann unter Verwendung von Ladungspumpen ausgeführt werden, wie etwa denen, die im US-Patent mit der Nr. 8,817,501 beschrieben sind.
Wenn sich eine Ladungspumpe in einer neuen Konfiguration befindet, müssen sich die Spannungen über die Kondensatoren in der Ladungspumpe möglicherweise ändern, um für die neue Konfiguration geeignet zu sein. Diese Änderung muss häufig schnell stattfinden. Eine schnelle Änderung in der Kondensatorspannung benötigt einen sehr großen Strom.
Für manche Ladungspumpen werden die Kondensatorspannungen durch was auch immer, was am zweiten CP-Anschluss 18 vorhanden ist, gesetzt. Ein Beispiel einer derartigen Konfiguration ist die in den 3A–3C dargestellte, bei der ersichtlich wird, dass die Spannung über die Kondensatoren eine Funktion der Spannung zwischen dem zweiten CP-Anschluss 18 und dem dritten CP-Anschluss 17 ist. Für diese Ladungspumpenkonfigurationen kann eine dynamische Rekonfiguration einen erheblichen Strom durch den ersten CP-Anschluss 16 abnehmen, wenn die Ladungspumpe beginnt, in ihrer neuen Konfiguration zu arbeiten.
Ein Platzieren des Reglers 12 vor der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen, wie in 1 dargestellt, und ein sorgfältiges Synchronisieren des Betriebs des Reglers 12 mit der dynamischen Rekonfiguration der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen kann diese Störung vermeiden. Insbesondere liefert der Regler 12, während sich die Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen in der alten Konfiguration befindet, eine erste Zwischenspannung über den ersten CP-Anschluss 16 zur Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen. Während des kurzen Intervalls, in dem die Rekonfiguration tatsächlich stattfindet, wird dann der Regler 12 schnell angepasst, so dass er, anstelle die erste Zwischenspannung bereitzustellen, eine zweite Zwischenspannung bereitstellt, die für die neue Konfiguration der Ladungspumpe geeigneter ist. Sobald die dynamische Rekonfiguration beendet ist, fährt die Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen mit dem Betrieb fort. Zu diesem Zeitpunkt ist der Regler 12 jedoch schon fertig und wartet, sie mit der richtigen zweiten Zwischenspannung am ersten CP-Anschluss 16 zu versorgen.
Das Magnetfilter 24 kann auf viele unterschiedliche Weisen erzeugt werden. 7A stellt eine Implementierung des Magnetfilters 24 dar, das eine erste Induktivität 26 und optional einen Kondensator 28 aufweist.
7B stellt ein alternatives Magnetfilter 24 dar, das eine zweite Induktivität 27 zusätzlich zur ersten Induktivität 26 und zum Kondensator 28 aufweist. Diese Ausführungsform des Magnetfilters 24 ist ein Tiefpassfilter dritter Ordnung und ist daher bei abschwächenden hohen Frequenzen effektiver als das Magnetfilter 24 in 7A.
Eine Ladungspumpe öffnet und schließt ständig einen oder mehrere Schalter. Es ist wichtig, insbesondere, wenn eine Induktivität in einer Schaltung vorhanden ist, dass, wann auch immer ein Schalter geöffnet wird, ein Strom, der in der Schaltung fließt, irgendwohin gehen kann. Ansonsten kann dies den Schalter beschädigen.
Zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand einer Ladungspumpe (z.B. der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen) gibt es ein Totzeitintervall, während dessen alle Schalter im Schaltkondensatornetzwerk 21 offen sind. Obwohl es im Prinzip nicht benötigt wird, ist dieses Totzeitintervall eine praktische Notwendigkeit, da Schalter nicht unmittelbar übergehen. Somit ist es notwendig, eine Spanne bereitzustellen, um das unerwünschte Ergebnis zu vermeiden, dass Schalter zur gleichen Zeit geschlossen werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Magnetfilter 24, das mit dem CP-Anschluss 18 in einem Leistungswandler 10 verbunden ist, modifiziert, so dass es ein Schaltungselement beinhaltet, um Strom sicher parallel umzuleiten, der ansonsten während der Totzeit der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen keinen Platz haben würde. Bei einer derartigen in 8 dargestellten Ausführungsform wird eine Shunt-Diode 29 zum Führen eines derartigen Stroms verwendet. Alternativ dazu, falls das Totzeitintervall im Schaltkondensatornetzwerk 21 nicht allzu lange anhält, kann ein Shunt-Kondensator mit Masse verbunden werden, um eine überschüssige Ladung während dieses Intervalls temporär zu speichern und sie freizugeben, sobald die Schalter wieder richtig verbunden worden sind. In manchen Fällen wird ein Schalter in Reihe mit dem Shunt-Kondensator platziert, so dass der Shunt-Kondensator von der Schaltung getrennt werden kann, wenn er nicht benötigt wird. Dies vermeidet, dass der Shunt-Kondensator den Schaltungsbetrieb beeinträchtigt.
9 stellt eine Variante des Leistungswandlers 10 in 1 dar, bei dem der Ausgang einer Regelschaltung 12 mit mehreren Ladungspumpen 14 mit 3 Anschlüssen parallel geschaltet wird. Jede Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen weist ein entsprechendes Magnetfilter 24 an ihrem zweiten CP-Anschluss 18 auf. Die Ausgänge jedes Magnetfilters 24 werden dann an einem gemeinsamen Knoten kombiniert, der eine zweite Spannung V2 eines Leistungswandlers 10 ist.
10 stellt eine Variante der Ausführungsform von 9 dar, bei der die Magnetfilter 24 unter Verwendung einer gekoppelten Induktivität 26 konstruiert sind. Die gekoppelte Induktivität 26 wird konstruiert, indem sich zwei Wicklungen einen gemeinsamen Kern teilen.
Die Idee einer gekoppelten Induktivität, wie in 10 dargestellt, kann auch im Regler 12 verwendet werden. Dies ist in 11 dargestellt, in der ein Regler 12, wie etwa der in 6A dargestellte, geöffnet wird, um eine gekoppelte Induktivität 22, die durch zwei Schalter 20 gemeinsam genutzt wird, offenzulegen.
12 veranschaulicht noch eine andere Ausführungsform, bei der ein Regler 12, eine Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen und ein Magnetfilter 24 in Reihe geschaltet sind. Im Gegensatz zur Ausführungsform in 1 wird jedoch die Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen anstelle der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen verwendet. Diese Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen ist eine Ladungspumpe mit vier Anschlüssen anstelle einer wie in 1 dargestellten Ladungspumpe 14 mit drei Anschlüssen. Da mehr Anschlüsse vorhanden sind, gibt es mehr Möglichkeiten zur Zusammenschaltung. Beispielsweise, und wie in dem bestimmten Beispiel dargestellt, besitzen die erste und die zweite Spannung V1, V2 infolge der Ausrichtung der Massen eine entgegengesetzte Polarität. Dies liefert eine einfache Art und Weise, die Polarität einer Eingangsspannung zu ändern, ohne irgendwelche zusätzliche Stufen (z.B. eine Polaritätsumkehrstufe) aufzuweisen.
Bei den bisher besprochenen Ausführungsformen fließt die gesamte Leistung, die den Leistungswandler 10 durchläuft, durch sowohl den Regler 12 als auch die Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen. Bei bestimmten Ausführungsformen ist der Leistungspfad jedoch im Leistungswandler gegabelt, so dass ein Teil der Leistung den Regler 12 gänzlich umgeht.
13 stellt eine Ausführungsform dar, die einen gegabelten Leistungspfad erzielt, wobei einer mehr Leistung als der andere befördert. In 13 durchqueren ein erster Leistungspfad 30 und ein zweiter Leistungspfad 32 den Leistungswandler 10. Die dickere Linie am zweiten Leistungspfad 32 gibt an, dass sie die höhere der beiden Leistungen befördert. Umgekehrt gibt die dünnere Linie am ersten Leistungspfad 30 an, dass dieser Pfad die niedrigere der beiden Leistungen befördert.
Der zweite Leistungspfad 32 befördert Leistung, die durch die Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen läuft. Unterdessen läuft der erste Leistungspfad 30 durch den Regler 12 und umgeht dabei die Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen. Da die Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen effizienter beim Ausführen einer Spannungsumwandlung ist, ist es wünschenswert, dass die meiste Leistung den zweiten Leistungspfad 32 verwendet.
Ein zusätzlicher Vorteil für einen gegabelten Leistungspfad besteht darin, dass der Regler 12 verwendet werden kann, um einen additiven Offset zur Spannungsdifferenz über den ersten CP-Anschluss 16 und den dritten CP-Anschluss 17 der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen bereitzustellen. Infolgedessen gibt es einen zusätzlichen Freiheitsgrad, der zur Steuerung der Spannung am Ausgang des Leistungswandlers 10 zur Verfügung steht. Dies liefert eine größere Flexibilität und somit weniger Spannungsbereiche, bei denen der Leistungswandler 10 nicht in der Lage sein wird, eine gewünschte Ausgangsspannung bereitzustellen.
Bei der in 13 dargestellten Ausführungsform ist die Spannung an einem Ausgang 83 des Reglers 12 die gleiche wie die am Ausgang 38 des Magnetfilters 24. Dies wird erzielt, indem der Masseanschluss 86 des Reglers 12 mit dem ersten CP-Anschluss 16 der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen verbunden wird. Der Ausgang 83 des Reglers 12, der mit dem ersten CP-Anschluss 16 in 1 verbunden wurde, wird dann stattdessen mit dem Ausgang 38 des Magnetfilters 24 verbunden.
14A stellt eine beispielhafte Schaltung dar, die die Konfiguration von 13 verwendet, um eine 12-Volt-Eingangsspannung in eine 1-Volt-Ausgabe an einer Last 40 umzuwandeln. Eine 4-Volt-Eingabe wird am ersten CP-Anschluss 16 der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen bereitgestellt. Die Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen, die eine 4:1-Ladungspumpe ist, gibt an ihrem zweiten CP-Anschluss 18 1 Volt aus.
Unterdessen werden die verbleibenden 8 Volt über den Eingangsanschluss 81 und den Masseanschluss 86 des Reglers 12 übergeben, was –3 Volt am Ausgang 83 des Reglers 12 übergibt. Diese –3 Volt werden jedoch relativ zur Masse des Reglers 12 gemessen, die nicht die gleiche ist wie die der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen. Da der Masseanschluss 86 des Reglers 12 mit dem ersten CP-Anschluss 16 der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen verbunden ist, muss er sich auch bei 4 Volt befinden. Daher würde die am Ausgang 83 des Reglers 12 gemessene Spannung tatsächlich 1 Volt sein (d.h. 4 – 3), wenn sie relativ zur Masse der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen gemessen wird. Infolgedessen wird die Spannung am Ausgang 83 des Reglers 12 und am Ausgang 38 des Magnetfilters 24 an der Last 40 die gleiche sein, wie sie sein sollten.
14B stellt die Schaltung von 14A dar, die zum Umwandeln einer 12-Volt-Eingangsspannung in eine 2-Volt-Ausgabe an einer Last 40 verwendet wird. Im Gegensatz zu 14A beträgt die zum Regler 12 übergebene Spannung die Hälfte der zur Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen übergebenen, anstatt umgekehrt.
Im Betrieb wird eine 8-Volt-Eingabe am ersten CP-Anschluss 16 der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen bereitgestellt. Die Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen, die eine 4:1-Ladungspumpe ist, gibt an ihrem zweiten CP-Anschluss 18 wie gefordert 2 Volt aus.
Unterdessen werden die verbleibenden 4 Volt über den Eingangsanschluss 81 und den Masseanschluss 86 des Reglers 12 übergeben, was –6 Volt am Ausgang 83 des Reglers 12 übergibt. Diese –6 Volt werden jedoch relativ zur Masse des Reglers 12 gemessen, die nicht die gleiche ist wie die der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen. Da der Masseanschluss 86 des Reglers 12 mit dem ersten CP-Anschluss 16 der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen verbunden ist, muss er sich auch bei 8 Volt befinden. Daher würde die am Ausgang 83 des Reglers 12 gemessene Spannung tatsächlich 2 Volt sein (d.h. 8 – 6), wenn sie relativ zur Masse der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen gemessen wird. Infolgedessen werden die Spannungen am Ausgang 83 des Reglers 12 und am Ausgang 38 des Magnetfilters 24 an der Last 40 die gleichen sein, wie sie sein sollten.
Mit isolierten Ladungspumpen, wie etwa einer Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen, wird es möglich, alternative Architekturen zum Gabeln des Leistungspfads zu erzeugen, bei denen nur ein Teil der Gesamtleistung durch den Regler 12 läuft. 15 stellt eine derartige Architektur dar.
Mit Bezug auf 15A startet der erste Leistungspfad 30 am vierten CP-Anschluss 116 und führt zum Eingangsanschluss 81 des Reglers 12, während der zweite Leistungspfad 32 am zweiten CP-Anschluss 18 startet und zum Magnetfilter 24 führt. Die Masse der Leistung geht durch den zweiten Leistungspfad 32. Diese Konfiguration ist vorteilhaft, da der Regler 12 nicht mehr die Hauptlast der Beförderung der gesamten Leistung, die durch den Leistungswandler 10 geht, tragen muss. Wie im Fall von 13 treffen sich der Ausgang 83 des Reglers 12 und der Ausgang 38 des Magnetfilters 24 an einem gemeinsamen Knoten, einer zweiten Spannung V2 des Leistungswandlers 10, mit der eine Last 40 verbunden werden wird.
15B ist eine Implementierung der in 15A dargestellten Ausführungsform. Die dargestellte Konfiguration entspricht der in 14B dargestellten, mit der Ausnahme, dass es in 15B der Regler ist, der mit Masse verbunden ist, und die Ladungspumpe potenzialfrei ist.
Ausführungsformen der in 15A dargestellten Art erfordern, dass der Regler 12 und die Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen separate Massen aufweisen. Dies erfordert eine vollständig isolierte Version der Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen, wovon ein Beispiel in 16A dargestellt ist.
Im Betrieb geht die in 16A dargestellte vollständig isolierte Version der Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand über. Während des ersten Zustands werden Schalter in einem ersten Schaltersatz 1 geöffnet und Schalter in einem zweiten Schaltersatz 2 geschlossen. Während des zweiten Zustands werden Schalter im zweiten Schaltersatz 2 geöffnet und Schalter im ersten Schaltersatz 1 geschlossen.
Während sich die Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen in ihrem ersten Zustand befindet, speichert ein Koppelkondensator C_C eine Ladung, die zum Aufrechterhalten der Spannung über den ersten CP-Anschluss 16 und den vierten CP-Anschluss 116 ausreicht. Dann, wenn die Ladungspumpe 74 in ihren zweiten Zustand übergeht, übergibt der Koppelkondensator C_C seine aufrechterhaltene Spannung zur Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen, die in der Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen enthalten ist.
Dieses Verfahren wird für eine jegliche Art von Ladungspumpentopologie funktionieren, von denen zwei Beispiele in den 16B und 16C dargestellt sind.
Insbesondere stellt 16B die Architektur der Ladungspumpe 74 in 16A in Verwendung mit einer Kaskadenmultipliziererart ähnlich wie die Ladungspumpe in den 3A–3C dar, wobei der Unterschied darin liegt, dass das Spannungsumwandlungsverhältnis anders ist und die Anzahl von Phasen anders ist.
16C ist eine zweiphasige Version der Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen in 16B. Im Gegensatz zu der in 16B dargestellten Implementierung kann diese Implementierung einen kontinuierlichen Eingangsstrom abnehmen. Dies führt zu der Fähigkeit, die Größe des ersten und des zweiten Gleichstromkondensators C_DC1, C_DC2 in 15B zu verringern.
Die in den 16B und 16C dargestellten bestimmten Implementierungen weisen Schalterpaare auf, die zum gleichen Schaltersatz gehören und in Reihe sind. Die Ausführungsform in 16B weist zum Beispiel ein derartiges Schalterpaar zwischen dem Koppelkondensator C_C und dem Pumpenkondensator C₁ auf Da die Schalter in jedem dieser Schalterpaare zum ersten Schaltersatz 1 gehören, öffnen und schließen sie sich immer zusammen. Somit ist es möglich, zusätzliche Schalter zu eliminieren, indem die Schalter in jedem Schalterpaar zusammengelegt werden. Die Ausführungsform in 16C weist zwei derartige Schalterpaare in einer ähnlichen Position auf, diese wurden aber in der Figur zusammengelegt.
Die 17A–17D stellen vier mögliche Varianten von Konfigurationen für die Architektur von 15 dar. Sie unterscheiden sich dementsprechend, ob sie überhaupt ein Magnetfilter 24 verwenden oder nicht, und wenn dem so ist, welcher Ladungspumpenanschluss mit ihm verbunden ist.
Bei einer in 17A dargestellten ersten Konfiguration 42 ist der Regler 12 mit dem zweiten CP-Anschluss 18 der Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen verbunden, während das Magnetfilter 24 mit dem vierten CP-Anschluss 116 der Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen verbunden ist. Ein geeigneter Regler für diese Konfiguration ist ein Boost-Wandler.
Eine in 17B dargestellte zweite Konfiguration 44 ist das Gegenteil der ersten Konfiguration 42. Diese zweite Konfiguration 44 ist insbesondere vorteilhaft, da der meiste Strom durch den zweiten CP-Anschluss 18 fließt. Somit ist der Regler 12 am Anschluss mit dem niedrigeren Strom platziert und erfasst daher alle mit einer derartigen Platzierung assoziierten Vorteile, wie schon besprochen wurde.
Eine in 17C dargestellte dritte Konfiguration 46 verzichtet gänzlich auf ein Magnetfilter 24 und weist nur einen Regler 12 auf, der mit dem zweiten und dem vierten CP-Anschluss 18, 116 der Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen verbunden ist.
Eine in 17D dargestellte vierte Konfiguration 48 verzichtet auch auf das Magnetfilter 24, aber verwendet einen separaten Regler 12 am zweiten und am vierten CP-Anschluss 18, 116. Diese vierte Konfiguration bietet eine erhebliche Flexibilität, da die Arbeitszyklen jedes Reglers 12 unabhängig voneinander gesteuert werden können.
Bei der in 17C dargestellten dritten Konfiguration 46 gibt es nur eine multiplikative Steuerung über eine zweite Spannung V2. Insbesondere wird die zweite Spannung V2 durch das Produkt der ersten Spannung V1 und ((N + 1)/(D + 1)) gegeben, wobei N die Anzahl von Stufen in der Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen ist und D der Arbeitszyklus des Reglers 12 ist, wobei D = 1 einem permanent geschlossenen Schalter entspricht.
Andererseits bieten die in den 17A und 17B dargestellte erste und zweite Konfiguration 42, 44 eine Kombination von additiver und multiplikativer Steuerung über die zweite Spannung V2.
Insbesondere wird die zweite Spannung V2 in der in 17A dargestellten ersten Konfiguration 42 durch das Produkt der ersten Spannung V1 und (1 + N/(1 – D)) gegeben.
In der in 17B dargestellten zweiten Konfiguration 44 wird die zweite Spannung V2 durch das Produkt der ersten Spannung V1 und (N + 1/(1 – D)) gegeben. Dies liefert eine größere Flexibilität, da die additive und die multiplikative Steuerung entkoppelt ist.
Die in 17D dargestellte vierte Konfiguration 48 liefert eine größere Flexibilität in der Steuerung aufgrund des Vorhandenseins eines weiteren Freiheitsgrads. In der vierten Konfiguration 48 wird die zweite Spannung V2 durch das Produkt der ersten Spannung V1 und ((1/1 – D2) + (N/(1 – D1))) gegeben, wobei D1 und D2 Arbeitszyklen für die beiden in 17D dargestellten Regler sind.
Die oben beschriebenen Schaltungen sind für eine Vielzahl von Topologien repräsentativ, die parallele Leistungspfade bereitstellen. Viele andere sind jedoch in den 18A–18C und den 19A–19C dargestellt.
Die 18A–18C stellen drei Topologien dar, in denen die Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen eine Masse aufweist, die von der des Reglers 12 getrennt ist. Die Ausdrücke „herunter“ und „herauf“ geben die Richtung der Spannungsumwandlung an. Somit wird die Spannung am Ausgang eines Schaltungselements, das durch „herunter“ identifiziert wird, niedriger sein als die an seinem Eingang. Im Gegensatz dazu wird die Spannung am Ausgang eines Schaltungselements, das durch „herauf“ identifiziert wird, höher sein als die an seinem Eingang.
Die 19A–19C stellen Topologien dar, in denen der Regler 12, anstelle der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen, isoliert worden ist. Diese Topologien benötigen einen Regler, der einen Wandler einschließt, wie etwa einen Flyback-Wandler.
Wie im Fall der 18A–18C können der Regler und die Ladungspumpe in Abstimmung miteinander oder in entgegengesetzte Richtungen arbeiten.
20 konsolidiert und fasst die Ausführungsformen in den 1, 12, 13 und 15A zusammen und lenkt die Aufmerksamkeit insbesondere auf die grundsätzliche Modularität der vorliegend beschriebenen Konzepte. Die drei vorliegend beschriebenen allgemeinen Klassen von Komponenten, nämlich der Regler 12 (entweder isolierte oder nicht isolierte Versionen sind einsetzbar), die Ladungspumpe 74 mit 4 Anschlüssen (entweder isolierte oder nicht isolierte Versionen sind einsetzbar) und das Magnetfilter 24 können auf verschiedene Weisen frei kombiniert werden, um eine Vielzahl von technischen Zielstellungen zu erreichen. Was die Ausführungsformen jedoch gemein haben, ist die Fähigkeit, die Aufgabe des Regelns von der Aufgabe des Unterstützens einer adiabatischen Ladungsübertragung in der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen abzutrennen.
Die vorliegend beschriebenen Schaltungstopologien ermöglichen somit, den großen Schalter zu eliminieren, der damit assoziiert ist, dass ein Regler mit einem Anschluss einer Ladungspumpe verbunden ist, der eine niedrige Spannung und einen hohen Strom aufweist. Stattdessen ersetzt eine Induktivität den Regler. Die Induktivität ist in der Lage, eine der Funktionen des Reglers im Stand der Technik auszuführen, nämlich die des Ermöglichens eines adiabatischen Inter-Kondensator-Ladungstransports in der Ladungspumpe. Es war jedoch genau diese Funktion, die den Regler zum zweiten CP-Niederspannungsanschluss 18 der Ladungspumpe pinnten. Die Tatsache, dass der Regler zum zweiten CP-Anschluss 18 gepinnt wurde, führte zu sehr vielen technischen Problemen, einschließlich der Einführung von Totzonen, die ungünstig positioniert sein können, und der Notwendigkeit, den übergroßen Schaltern, die an dieser Position nötig waren, sehr viel Die-Platz zuzuweisen. Durch die Befreiung des Reglers von seiner Position am zweiten CP-Anschluss 18 der Ladungspumpe kann dieser nun in einer Vielzahl von anderen Positionen platziert werden. Dies ermöglicht dem Schaltungsdesigner im Gegenzug, die Positionen der Totzonen des Betriebs basierend auf den Anforderungen des Leistungswandlers anzupassen. Es führt auch zu der Fähigkeit, einen kleineren Schalter im Regler zu verwenden und dadurch erheblichen Die-Platz zu sparen.
Bei manchen bisher beschriebenen Ausführungsformen wird der Regler 12 mit dem ersten CP-Anschluss 16 der Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen verbunden. Dies bedeutet, dass weniger Strom durch den Schalter 20 im Regler 12 fließen wird. Infolgedessen ist es möglich, die Größe des Schalters 20 zu reduzieren. Diese Ausführungsformen besitzen jedoch den Nachteil, dass sie weiterhin eine Schaltergröße von größer als Null aufweisen.
Bei anderen bisher beschriebenen Ausführungsformen ist der Leistungspfad gegabelt, so dass der Hauptanteil des Stroms den Regler 12 und somit den Schalter 20 gänzlich umgeht. Dieser Ansatz gestattet auch, dass der Schalter 20 kleiner gestaltet wird. Dieser Ansatz leidet jedoch unter dem Nachteil, dass ein Teil des Stroms weiterhin durch den Schalter 20 geht.
Bei einer anderen Ausführungsform wird die Schaltergröße auf null reduziert, wodurch das Problem im Endeffekt gänzlich eliminiert wird, aber ohne auf die Regelfunktion des Reglers 12 zu verzichten. Die resultierende Schaltung, die als eine „geregelte Ladungspumpe“ bezeichnet wird, minimiert den Verlust aufgrund des Schalters 20, indem sie bewirkt, dass sich die Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen und der Regler 12 einen gemeinsamen Schaltersatz teilen, wobei keiner von diesen die Hauptlast des gesamten Stroms, der durch den Leistungswandler 10 läuft, tragen wird.
Als ein erstes Beispiel stellt 21A einen Buck-Wandler 12 und eine Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen dar, die zusammengelegt worden sind, um eine erste geregelte Ladungspumpe 41 zu erzeugen. Die erste geregelte Ladungspumpe 41 weist weiterhin den Schalter 20 auf, der sich ursprünglich im Regler 12 befand. Dieser Schalter 20 befördert einen erheblichen Strom. Der Betrieb der ersten geregelten Ladungspumpe 41 beinhaltet, die Schaltung einen Zyklus durch einen ersten Satz von Netzwerkzuständen 51 unter Verwendung eines ersten Satzes von Schalterkonfigurationen 61 durchlaufen zu lassen, wie in den 21B–21C dargestellt ist. Ein Nachteil der ersten geregelten Ladungspumpe 41 besteht daher darin, dass der Schalter 20 immer noch vorhanden ist.
Eine in 22A dargestellte zweite geregelte Ladungspumpe 42 eliminiert den Schalter 20. Im Endeffekt ist die Funktionalität des Schalters 20 in die Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen integriert worden. Der Betrieb dieser zweiten geregelten Ladungspumpe 42 beinhaltet das Erreichen des gleichen ersten Satzes von Netzwerkzuständen 51, aber unter Verwendung eines anderen zweiten Satzes von in 22B dargestellten Schalterkonfigurationen 62.
Ein Nachteil der zweiten geregelten Ladungspumpe 42 besteht darin, dass alle Schalter mit der gleichen Frequenz laufen müssen. Dies kann unpraktisch sein, da die Kondensatoren und die Induktivität dazu neigen, unterschiedliche Energiedichten aufzuweisen. Für Fälle, in denen der Strom recht hoch ist, kann der mit dem Eliminieren des Schalters 20 assoziierte Vorteil jedoch diesen Nachteil aufheben.
Ein anderer Nachteil der zweiten geregelten Ladungspumpe 42 besteht darin, dass die Gesamtschaltung potenziell ein instabiler Oszillator werden kann. Um die Wahrscheinlichkeit zu reduzieren, dass dies stattfindet, führt eine in 23A dargestellte dritte geregelte Ladungspumpe 43 einen stabilisierenden Kondensator 94 und einen stabilisierenden Schalter 96 ein. Der aus dem stabilisierenden Schalter 96 entstehende Verlust ist minimal, da nur eine kleine Menge von Strom in den stabilisierenden Kondensator 94 fließen muss. Der Betrieb dieser dritten geregelten Ladungspumpe 43 beinhaltet ein Durchlaufen eines Zyklus durch einen zweiten Satz von Netzwerkzuständen 53 unter Verwendung eines dritten Satzes von Schalterkonfigurationen 63, wie in den 23B–23C dargestellt ist.
In den bisherigen geregelten Ladungspumpen verbleibt ein zweiter Schalter, obwohl ein erster Schalter 20 des Reglers 12 eliminiert worden ist. Bei einer in 24A dargestellten vierten geregelten Ladungspumpe 44 wird sogar dieser Schalter eliminiert. Die resultierende Schaltung ist im Wesentlichen eine Ladungspumpe 14 mit 3 Anschlüssen mit einer LC-Schaltung 98 an ihrem Ausgangsende. Der Betrieb dieser vierten geregelten Ladungspumpe 44 beinhaltet ein Durchlaufen eines Zyklus durch den ersten Satz von Netzwerkzuständen 51 unter Verwendung eines vierten Satzes von Schalterkonfigurationen 64, wie in 21B bzw. 24B dargestellt ist.
Die vierte geregelte Ladungspumpe 44 kann auch durch ein Durchlaufen eines Zyklus durch drei Netzwerkzustände anstatt von vier betrieben werden. Dies reduziert Schaltverluste, die mit jedem Schalterübergang assoziiert sind, da es weniger Schalterübergänge pro Zyklus gibt. Die beiden Alternativen werden durch einen dritten und einen vierten Satz von Netzwerkzuständen 58, 59, die jeweils aus drei anstatt vier Zuständen bestehen, und einen entsprechenden fünften und sechsten Satz von Dreischalterkonfigurationen 68, 69 repräsentiert, wie in den 25A–26B dargestellt ist.
Die Technik, die zum Eliminieren beider Schalter vom Regler 12 verwendet wird, die in Verbindung mit der in 24A dargestellten vierten geregelten Ladungspumpe 44 verwendet wurde, kann zum Implementieren einer zweiphasigen Version verwendet werden, die die in 27A dargestellte fünfte geregelte Ladungspumpe 45 ist.
Der Betrieb dieser fünften geregelten Ladungspumpe 45 beinhaltet ein Durchlaufen eines Zyklus durch einen fünften Satz von Netzwerkzuständen 55 unter Verwendung des vierten Satzes von Schalterkonfigurationen 64, wie in 27B bzw. 24B dargestellt ist.
Bei manchen Implementierungen beinhaltet ein computerzugängliches Speichermedium eine Datenbank, die eine oder mehrere Komponenten des Wandlers repräsentiert. Die Datenbank kann zum Beispiel Daten beinhalten, die ein Schaltnetzwerk repräsentieren, das zum Unterstützen eines Betriebs mit niedrigem Verlust einer Ladungspumpe optimiert worden ist.
Allgemein gesagt kann ein computerzugängliches Speichermedium beliebige nichtflüchtige Speichermedien beinhalten, auf die durch einen Computer während der Verwendung zugegriffen werden kann, um Anweisungen und/oder Daten an den Computer bereitzustellen. Ein computerzugängliches Speichermedium kann zum Beispiel Speichermedien wie etwa magnetische oder optische Platten und Halbleiterspeicher beinhalten.
Allgemein kann eine für das System repräsentative Datenbank eine Datenbank oder eine andere Datenstruktur sein, die durch ein Programm gelesen werden kann und direkt oder indirekt zum Herstellen der das System bildenden Hardware verwendet werden kann. Die Datenbank kann zum Beispiel eine Beschreibung auf Verhaltensebene oder eine Beschreibung auf Registertransferebene (RTL) der Hardwarefunktionalität in einer Entwurfssprache hoher Ebene (HDL) wie etwa Verilog oder VHDL sein. Die Beschreibung kann von einem Synthesewerkzeug gelesen werden, das die Beschreibung synthetisieren kann, um einen Netzliste zu produzieren, die eine Liste von Gates aus einer Synthesebibliothek umfasst. Die Netzliste umfasst eine Menge von Gates, die auch die Funktionalität der das System bildenden Hardware repräsentiert. Die Netzliste kann dann platziert und geroutet werden, um einen Datensatz zu produzieren, die auf Masken anzuwendende geometrische Formen beschreibt. Die Masken können dann in verschiedenen Halbleiterherstellungsschritten benutzt werden, um eine Halbleiterschaltung oder Schaltungen zu produzieren, die dem System entsprechen. Bei anderen Beispielen kann die Datenbank alternativ dazu selbst die Netzliste (mit oder ohne die Synthesebibliothek) oder der Datensatz sein.
Nach der Beschreibung der Erfindung und einer bevorzugten Ausführungsform davon wird als neu und durch ein Patent geschützt beansprucht:

Claims

Vorrichtung zur Leistungsumwandlung, wobei die Vorrichtung einen Leistungswandler umfasst, wobei der Leistungswandler eine Ladungspumpe, einen ersten Regler und ein Magnetfilter umfasst, wobei das Magnetfilter mit einem Anschluss der Ladungspumpe verbunden ist, wobei der Anschluss zum Ermöglichen eines adiabatischen Inter-Kondensator-Ladungstransports in der Ladungspumpe ausgewählt wird und wobei der erste Regler konfiguriert ist zum Regeln der durch den Leistungswandler bereitgestellten Leistung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ladungspumpe einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfasst, wobei, im Betrieb, der erste Anschluss an einer ersten Spannung gehalten wird und der zweite Anschluss an einer zweiten Spannung gehalten wird, wobei die zweite Spannung niedriger als die erste Spannung ist und wobei das Magnetfilter mit dem zweiten Anschluss verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der erste Regler mit dem ersten Anschluss verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Regler zum Abfangen eines ersten Teils der durch den Leistungswandler bereitgestellten Leistung angeordnet ist, wobei die Ladungspumpe zum Abfangen eines zweiten Teils der durch den Leistungswandler bereitgestellten Leistung angeordnet ist, wobei das Magnetfilter zum Abfangen des zweiten Teils angeordnet ist, wobei der zweite Teil größer als der erste Teil ist und wobei der erste und der zweite Teil an einem Ausgang des Leistungswandlers kombiniert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Magnetfilter mit einem Ausgang des Leistungswandlers verbunden ist, wobei der erste Regler mit dem Ausgang verbunden ist und wobei der erste Regler mit dem ersten Anschluss verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der erste Regler einen Masseanschluss umfasst und wobei der Masseanschluss mit dem ersten Anschluss verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ladungspumpe einen ersten und einen zweiten Ladungstransportpfad umfasst, wobei der erste Regler mit dem ersten Ladungstransportpfad verbunden ist und wobei das Magnetfilter mit dem zweiten Ladungstransportpfad verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei, im Betrieb, der zweite Ladungstransportpfad einen größeren Strom aufweist als der erste Ladungstransportpfad.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei, im Betrieb, der erste Ladungstransportpfad einen größeren Strom aufweist als der zweite Ladungstransportpfad.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die ferner einen zweiten Regler umfasst, wobei das Magnetfilter ein Bestandteil des zweiten Reglers ist.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der erste Regler mit einem ersten Arbeitszyklus arbeitet, wobei der zweite Regler mit einem zweiten Arbeitszyklus arbeitet und wobei der erste und der zweite Arbeitszyklus unabhängig voneinander gesteuert werden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner eine Steuerung zum Steuern des Betriebs des Reglers basierend auf einer Ausgabe des Leistungswandlers umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner einen Taktgeber umfasst, der konfiguriert ist zum Bereitstellen eines Taktsignals an mindestens den Regler oder die Ladungspumpe.
Vorrichtung nach Anspruch 1, die ferner ein Steuersystem umfasst, das konfiguriert ist zum Steuern des Betriebs des Leistungswandlers basierend auf einer gemessenen Ausgabe des Leistungswandlers.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Steuersystem eine Steuerung zum Steuern des Reglers umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Steuersystem eine Steuerung zum Steuern der Ladungspumpe umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14, die ferner einen Taktgeber umfasst, wobei das Steuersystem einen Taktsignaleingang zum Empfangen eines Signals vom Taktgeber umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Steuersystem Analogeingänge umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei das Steuersystem Digitaleingänge umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ladungspumpe eine Mehrphasen-Ladungspumpe umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ladungspumpe eine Einphasen-Ladungspumpe umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ladungspumpe eine Mehrstufen-Ladungspumpe umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ladungspumpe eine Zweiphasen-Ladungspumpe umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ladungspumpe einen Resonanzleistungswandler umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ladungspumpe einen Schaltleistungswandler umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Regler einen Buckwandler umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Regler einen bidirektionalen Regler umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste Regler einen Mehrphasenregler umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ladungspumpe mehrere Kondensatoren umfasst, die mit mehreren Sätzen von Schaltern zusammengeschaltet sind, wobei sich Schalter im ersten Satz, während des Betriebs, in einem entgegengesetzten Zustand zu Schaltern im zweiten Satz befinden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Ladungspumpe eine rekonfigurierbare Ladungspumpe ist.
Vorrichtung nach Anspruch 30, wobei der Regler dazu konfiguriert ist, während einer Rekonfiguration der Ladungspumpe vom Bereitstellen einer ersten Spannung zum Bereitstellen einer zweiten Spannung überzugehen.
Vorrichtung zur Leistungsumwandlung, wobei die Vorrichtung einen Leistungswandler umfasst, wobei der Leistungswandler eine Ladungspumpe, einen ersten Regler und ein Magnetfilter umfasst, wobei das Magnetfilter mit einem Anschluss der Ladungspumpe verbunden ist, wobei der Anschluss, mit dem das Magnetfilter verbunden ist, dazu ausgewählt wird, zu ermöglichen, eine Beschränkung in einem adiabatischen Inter-Kondensator-Ladungstransport in der Ladungspumpe zu bewirken, und wobei der erste Regler konfiguriert ist zum Regeln der durch den Leistungswandler bereitgestellten Leistung.
Verfahren zur Leistungsumwandlung, das Verbinden eines Magnetfilters mit einem Anschluss einer Ladungspumpe, wobei der Anschluss zum Ermöglichen eines adiabatischen Inter-Kondensator-Ladungstransports in der Ladungspumpe ausgewählt worden ist, und Verbinden eines Reglers zum Regeln einer durch den Leistungswandler bereitgestellten Leistung beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 33, wobei die Ladungspumpe einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss umfasst, wobei, im Betrieb, der erste Anschluss an einer ersten Spannung gehalten wird und der zweite Anschluss an einer zweiten Spannung gehalten wird, wobei die zweite Spannung niedriger als die erste Spannung ist und wobei das Verfahren Verbinden des Magnetfilters mit dem zweiten Anschluss umfasst.
Verfahren nach Anspruch 34, das ferner Verbinden des ersten Reglers mit dem ersten Anschluss umfasst.
Verfahren nach Anspruch 33, das ferner Anordnen des ersten Reglers zum Abfangen eines ersten Teils der durch den Leistungswandler bereitgestellten Leistung, Anordnen der Ladungspumpe zum Abfangen eines zweiten Teils der durch den Leistungswandler bereitgestellten Leistung und Anordnen des Magnetfilters zum Abfangen des zweiten Teils umfasst, wobei der zweite Teil größer als der erste Teil ist und wobei der erste und der zweite Teil an einem Ausgang des Leistungswandlers kombiniert werden.
Nichtflüchtiges computerlesbares Medium, das eine Datenstruktur speichert, die durch ein auf einem Computersystem ausführbares Programm bearbeitet werden soll, wobei, wenn sie durch ein derartiges Programm bearbeitet wird, die Datenstruktur mindestens einen Teil eines Prozesses zum Herstellen einer integrierten Schaltung, die durch die Datenstruktur beschriebene Schaltkreise beinhaltet, bewirkt, wobei die durch die Datenstruktur beschriebenen Schaltkreise ein Schaltnetz beinhalten, das zum Verwenden mit einem Leistungswandler konfiguriert worden ist, der eine Ladungspumpe, einen ersten Regler, der zum Regeln einer durch den Leistungswandler bereitgestellten Leistung konfiguriert ist, und ein Magnetfilter, das mit einem Anschluss der Ladungspumpe verbunden ist und das zur Ermöglichung eines adiabatischen Inter-Kondensator-Ladungstransports in der Ladungspumpe ausgewählt wird, umfasst.