DE102015209330A1

DE102015209330A1 - Hocheffiziente schaltende Ladevorrichtung mit verringerter Eingangsspannungswelligkeit

Info

Publication number: DE102015209330A1
Application number: DE102015209330.1A
Authority: DE
Inventors: Holger Petersen; Nicola Macri
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2015-05-21
Filing date: 2015-05-21
Publication date: 2016-11-24
Also published as: US10003261B2; US20160344214A1

Abstract

Ein spannungs- oder stromstärkeregulierter Leistungsumsetzer (110, 150) zum Laden von Batterien ist beschrieben, der dazu ausgelegt ist, elektrische Leistung bei einer Ausgangsspannung Vout aus elektrischer Leistung bei einer Eingangsspannung Vin abzuleiten. Der Leistungsumsetzer (110, 150) umfasst einen Induktor (L), eine Kondensatorzelle (C1, C2), mehrere Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8) und einen Controller. Der Controller ist dazu ausgelegt, die mehreren Schalter derart zu steuern, dass ein Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers umfasst: eine erste Phase, während der die Kondensatorzelle und der Induktor in Reihe geschaltet sind und während der eine Spannung über der Reihenschaltung der Kondensatorzelle und des Induktors Vin – Vout entspricht; eine zweite Phase, während der die Kondensatorzelle und der Induktor in Reihe geschaltet sind und während der die Spannung über der Reihenschaltung der Kondensatorzelle und des Induktors –Vout entspricht; und eine dritte Phase, während der die Kondensatorzelle potentialfrei ist und während der die Spannung über dem Induktor Vin – Vout oder –Vout entspricht.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Leistungsumsetzer mit regulierter Ausgangsspannung oder Ausgangsstromstärke. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung auf Schaltleistungsumsetzer für Ladeanwendungen.
Hintergrund
Der Wirkungsgrad eines herkömmlichen Schaltleistungsumsetzers wie etwa eines Abwärts-(Buck-)wandlers wird durch die Verluste in den Schaltern (z. B. Feldeffekttransistoren, FET) und dem Induktor des Leistungsumsetzers dominiert. Wenn der Leistungsumsetzer mit einer relativ hohen Eingangsspannung V_in versorgt wird, dann weist der Leistungsumsetzer typischerweise eine verringerte Umsetzungseffizienz auf, da die Schalter in Hochspannungstechnologie implementiert sein müssen und somit die Schalter eine erhöhte Schalterfläche und erhöhte Sperrverzögerungsverluste aufweisen. Relativ große FET führen aufgrund einer erhöhten Gate-Ladung und LX-Kapazität typischerweise zu relativ hohen Schaltverlusten.
Die Spannung, die an den Induktor eines Abwärtswandlers angelegt wird, ist proportional zu der Differenz zwischen der Eingangsspannung V_in und der Ausgangsspannung V_out, d. h. V_in – V_out, während der Magnetisierungsphase oder proportional zu –V_out während der Entmagnetisierungsphase. Erhöhte Induktorspannungen verursachen erhöhte Stromstärkeschwankungen dI/dt und somit eine erhöhte Schaltfrequenz (zum Erreichen einer vorgegebenen Stromstärkewelligkeit) und/oder eine erhöhte Stromstärkewelligkeit (für eine bestimmte Schaltfrequenz). In beiden Fällen führt dies zu erhöhten Induktorkernverlusten und zu einer erhöhten Verlustleistung.
Ein Aufrechterhalten von niedrigen Stromstärkeänderungen dI_L/dt bei erhöhter Eingangs- und Ausgangsspannung erfordert aufgrund der Beziehung dI_L/dt = V_L/L typischerweise Induktoren (d. h. Spulen) mit einer erhöhten Induktivität L. Spulen mit einer erhöhten Induktivität L weisen aber eine erhöhte Anzahl von Windungen auf. Damit Induktoren ihren Gleichstromwiderstand (DCR) auch bei einer erhöhten Anzahl von Windungen aufrechterhalten, muss jede Windung einen Draht mit einer erhöhten Dicke einsetzen, um die Impedanzerhöhung auszugleichen. Somit wächst die Größe des Induktors mit einer erhöhten Induktivität L doppelt (aufgrund der erhöhten Anzahl von Windungen und aufgrund der erhöhten Drahtdicke). Wenn andererseits die Induktorabmessungen nicht erhöht werden, führt eine erhöhte Induktivität L zu dem Effekt, dass der DCR des Induktors aufgrund der zusätzlichen Anzahl von Windungen und aufgrund der Verwendung eines dünneren Drahtes doppelt wächst.
In den letzten Jahren stiegen bei batteriebetriebenen Anwendungen (wie etwa Smartphones und Tablets) deren Rechenleistung, Bildschirmauflösung und Anzeigebildrate und verbundene Bereitschaftsbetriebsarten wurden hinzugefügt. Dies verursacht eine erhöhte Entladung der Batterie solcher Vorrichtungen, so dass elektronische Vorrichtungen wie etwa Smartphones für gewöhnlich auf täglicher Basis wiederaufgeladen werden müssen. Die begrenzte Mobilitätszeit von batteriebetriebenen elektronischen Vorrichtungen kann durch die Verwendung von Batteriepacks mit einer erhöhten Kapazität angegangen werden, aber eine Wiederaufladung eines solchen Batteriepacks erfordert größere Zeitintervalle. Dies gilt aufgrund der Tatsache, dass die meisten elektronischen Vorrichtungen über einen Standard-(Mikro)-USB-Anschluss geladen werden, der eine begrenzte Stromstärkebelastbarkeit (~1,5 A) bereitstellt. Daher benötigt ein Batteriepack mit 5 Ah mehrere Stunden für das Wiederaufladen auch dann, wenn die Batterietechnologie (in der Regel LiIon/LiPolymer) ein Wiederaufladen innerhalb weniger als einer Stunde ermöglichen würde (Laden mit der 1- bis 2-fachen Kapazität pro Stunde).
Neuere Änderungen in der USB-Ladespezifikation erlauben Spannungen, die höher als der Standard 5 V sind, was mehr als das Vierfache der Leistung aus der USB-Versorgung ermöglicht (9 V, 12 V und 20 V). Aufgrund der Tatsache, dass elektronische Vorrichtungen bezüglich Platz und Höhe begrenzt sind (insbesondere im Hinblick auf die für Schaltleistungsumsetzer verwendeten Induktoren), kann aber eine erhöhte Eingangsspannung V_in eines Leistungsumsetzers (die beispielsweise über den USB-Anschluss bereitgestellt wird) nicht unter Verwendung von Induktoren mit einer höheren Induktivität L ausgeglichen werden. Als Ergebnis davon wird entweder der DCR des Induktors erhöht oder die Schaltfrequenz muss erhöht werden. Beide Maßnahmen führen zu einer erhöhten Verlustleistung und möglicherweise zu heißen Stellen an dem Gehäuse einer elektronischen Vorrichtung.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit dem oben erwähnten technischen Problem. Insbesondere befasst sich das vorliegende Dokument mit dem technischen Problem des Bereitstellens eines Leistungsumsetzers für relativ hohe Eingangsspannungen und/oder relativ hohe Umsetzungsverhältnisse bei verringerter Größe und bei verringerter Verlustleistung.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt ist ein Leistungsumsetzer (insbesondere ein Schaltleistungsumsetzer) beschrieben, der dazu ausgelegt ist, elektrische Leistung bei einer Ausgangsspannung V_out am Ausgang des Leistungsumsetzers aus elektrischer Leistung bei einer Eingangsspannung V_in am Eingang des Leistungsumsetzers abzuleiten. Der Eingang und der Ausgang des Leistungsumsetzers umfassen typischerweise jeweils einen positiven und einen negativen Kontakt. Die Eingangsspannung kann der Spannung zwischen dem positiven Kontakt und dem negativen Kontakt an dem Eingang entsprechen. Die Ausgangsspannung kann der Spannung zwischen dem positiven Kontakt und dem negativen Kontakt an dem Ausgang entsprechen. Der Leistungsumsetzer kann insbesondere dazu ausgelegt sein, eine Batterie aufzuladen. Insbesondere kann der Leistungsumsetzer dazu ausgelegt sein, eine im Wesentlichen konstante Ladestromstärke (beispielsweise die Referenzstromstärke I_ref) an eine Batterie zu liefern. Der Leistungsumsetzer umfasst einen Induktor (auch als Spule bezeichnet) und eine Kondensatorzelle (die einen Kondensator umfasst, einem Kondensator entspricht oder einen kapazitiven Spannungsteiler umfasst), mehrere Schalter (die jeweils z. B. einen oder mehrere Metall-Oxid-Halbleitertransistoren umfassen) und einen Controller (der z. B. einen Prozessor umfasst).
Der Controller ist dazu ausgelegt, die mehreren Schalter so zu steuern, dass ein Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers eine erste Phase umfasst, während der die Kondensatorzelle und der Induktor in Reihe geschaltet sind. Ferner entspricht während der ersten Phase ein Betrag einer Spannung über der Reihenschaltung der Kondensatorzelle und des Induktors dem Betrag von (V_in – V_out). Insbesondere kann die Spannung über der Reihenschaltung der Kondensatorzelle und des Induktors V_in – V_out entsprechen. Mit anderen Worten kann während der ersten Phase die Reihenschaltung der Kondensatorzelle und des Induktors zwischen der Eingangsspannung (und dem Eingang des Leistungsumsetzers) auf einer Seite und der Ausgangsspannung (und dem Ausgang des Leistungsumsetzers) auf der anderen Seite angeordnet sein. Als Folge davon kann die Kondensatorzelle während der ersten Phase geladen werden.
Ferner ist der Controller dazu ausgelegt, die mehreren Schalter so zu steuern, dass der Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers eine zweite Phase umfasst, während der die Kondensatorzelle und der Induktor in Reihe geschaltet sind. Ferner entspricht während der zweiten Phase der Betrag der Spannung über der Reihenschaltung der Kondensatorzelle und des Induktors dem Betrag von V_out. Insbesondere kann die Spannung über der Reihenschaltung der Kondensatorzelle und des Induktors –V_out entsprechen. Mit anderen Worten kann die Reihenschaltung der Kondensatorzelle und des Induktors parallel zu der Ausgangsspannung (und dem Ausgang des Leistungsumsetzers) geschaltet sein. Als Folge davon kann die Kondensatorzelle während der zweiten Phase entladen werden.
Darüber hinaus ist der Controller dazu ausgelegt, die mehreren Schalter so zu steuern, dass der Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers eine dritte Phase umfasst, während der die Kondensatorzelle von dem Ausgang des Leistungsumsetzers entkoppelt ist (z. B. kann die Kondensatorzelle potentialfrei sein). Während der dritten Phase kann der Betrag einer Spannung über dem Induktor dem Betrag von (V_in – V_out) oder dem Betrag von V_out entsprechen. Insbesondere kann die Spannung über dem Induktor V_in – V_out oder –V_out entsprechen. Daher kann die dritte Phase eine erste Variante umfassen, während der der Induktor mit der Eingangsspannung (auf einer Seite des Induktors) und mit der Ausgangsspannung (auf der anderen Seite des Induktors) gekoppelt ist, und eine zweite Variante umfassen, während der der Induktor mit der Masse und mit der Ausgangsspannung gekoppelt ist, d. h., während der der Induktor mit dem Ausgang des Leistungsumsetzers parallel geschaltet ist.
Die Ausgangsspannung kann auf eine vorbestimmte Referenzspannung reguliert werden, beispielsweise V_ref = V_in/2. V_out kann eine beliebige Spannung kleiner als V_in annehmen, aber der Controller reguliert den Tastgrad (Duty Cycle) der ersten und zweiten Phase so, dass die Spannung über dem Kondensator V_c über der Kondensatorzelle ~V_in/2 beträgt. Die höchste Umsetzungseffizienz kann in der Regel für V_out = V_c = V_in/2 erreicht werden. Der Controller kann dazu ausgelegt sein, die Dauer der ersten, der zweiten und der dritten Phase während eines Kommutierungszyklus (d. h. den Tastgrad) so einzustellen, dass die Ausgangsspannung des Leistungsumsetzers auf die vorbestimmte Referenzspannung V_ref reguliert ist.
Die dritte Phase kann verwendet werden, um die (durchschnittliche) Ausgangsstromstärke des Leistungsumsetzers auf eine vorgegebene Referenzstromstärke I_ref zu regulieren. Zu diesem Zweck kann die Ausgangsstromstärke des Leistungsumsetzers mit Stromstärkeerfassungsmitteln erfasst werden, wobei die Stromstärkeerfassungsmittel Stromerfassungstechniken wie etwa angepasste Filter und/oder eine Stromstärkespiegelung einsetzen können. Die Ausgangsstromstärke an dem Ende der ersten und/oder der zweiten Phase kann erfasst werden. Insbesondere kann die kumulierte und/oder durchschnittliche Ausgangsstromstärke an dem Ende der ersten und/oder der zweiten Phase erfasst werden. Weiterhin kann bestimmt werden, ob die (kumulierte/durchschnittliche) Ausgangsstromstärke an dem Ende der ersten und/oder der zweiten Phase größer oder kleiner als die vorbestimmte Referenzstromstärke I_ref ist. In Abhängigkeit von diesem Vergleich kann die erste oder die zweite Variante für eine dritte Phase verwendet werden, die auf die erste und/oder die zweite Phase folgt. Insbesondere kann die erste Variante dann verwendet werden, wenn die Ausgangsstromstärke unter der vorbestimmten Referenzstromstärke I_ref liegt, und die zweite Variante dann verwendet werden, wenn die Ausgangsstromstärke über der vorbestimmten Referenzstromstärke I_ref liegt.
Der Controller kann dazu ausgelegt sein, eine Dauer der dritten Phase so einzustellen, dass an dem Ende der dritten Phase die (durchschnittliche) Ausgangsstromstärke größer oder gleich der Referenzstromstärke I_ref ist, insbesondere dann, wenn die (durchschnittliche) Ausgangsstromstärke I_out an dem Ende der ersten Phase und/oder an dem Ende der zweiten Phase kleiner als die Referenzstromstärke I_ref ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Controller dazu ausgelegt sein, eine Dauer der dritten Phase so einzustellen, dass an dem Ende der dritten Phase die (durchschnittliche) Ausgangsstromstärke I_out kleiner oder gleich der Referenzstromstärke I_ref ist, insbesondere dann, wenn die (durchschnittliche) Ausgangsstromstärke I_out an dem Ende der ersten Phase und/oder an dem Ende der zweiten Phase größer als die Referenzstromstärke I_ref ist. Auf diese Weise kann eine genaue Regulierung der Ausgangsstromstärke erreicht werden.
Der Leistungsumsetzer ermöglicht den Einsatz relativ kleiner Induktoren. Zudem ermöglicht der Leistungsumsetzer eine Reduzierung der Spannungsschwankungen über dem Induktor. Daher ermöglicht der Leistungsumsetzer die Reduzierung der Größe des Leistungsumsetzers und der Verlustleistung des Leistungsumsetzers.
Der Controller kann dazu ausgelegt sein, die mehreren Schalter so zu steuern, dass der Leistungsumsetzer innerhalb eines Kommutierungszyklus im Anschluss an die erste Phase und/oder im Anschluss an die zweite Phase in der dritten Phase betrieben wird. Durch Einfügen der dritten Phase im Anschluss an die erste Phase und im Anschluss an die zweite Phase kann die Eingangsspannungswelligkeit reduziert werden.
Der Controller kann dazu ausgelegt sein, einen Tastgrad eines Kommutierungszyklus so einzustellen, dass die Eingangsspannung V_in größer oder gleich 2 V_out ist. Insbesondere kann der Tastgrad eines Kommutierungszyklus so gesteuert werden, dass die Ausgangsspannung (im Durchschnitt) der Referenzspannung V_ref entspricht, beispielsweise der Hälfte der Eingangsspannung. Der Tastgrad kann von dem Verhältnis der Dauer der ersten Phase und der Dauer eines kompletten Kommutierungszyklus, der die erste Phase, die zweite Phase und gegebenenfalls eine oder mehrere dritte Phasen umfasst, entsprechen oder von diesem Verhältnis abhängen.
Der Leistungsumsetzer kann einen ersten Teilumsetzer umfassen, der mehrere erste Schalter (beispielsweise eine Teilmenge aller der mehreren Schalter) und eine erste Kondensatorzelle (beispielsweise einen ersten Kondensator) umfasst. Darüber hinaus kann der Leistungsumsetzer einen zweiten Teilumsetzer umfassen, der mehrere zweite Schaltern (beispielsweise eine Teilmenge aller der mehreren Schalter) und eine zweite Kondensatorzelle (beispielsweise einen zweiten Kondensator) umfasst.
Der erste und der zweite Teilumsetzer können in einer verschachtelten Weise betrieben werden, wodurch die Welligkeit der Eingangsspannung/Eingangsstromstärke reduziert wird. Insbesondere kann der Controller dazu ausgelegt sein, die mehreren ersten und mehreren zweiten Schalter so zu steuern, dass der erste und der zweite Teilumsetzer in einer verschachtelten Weise betrieben werden. Der verschachtelte Betrieb kann derart sein, dass während der ersten Phase die zweite Kondensatorzelle entladen wird, dass während der zweiten Phase die erste Kondensatorzelle entladen wird und dass während der dritten Phase die erste Kondensatorzelle und die zweite Kondensatorzelle von dem Ausgang entkoppelt (z. B. potentialfrei) sind. Ferner kann während der ersten Phase die erste Kondensatorzelle aufgeladen werden und während der zweiten Phase die zweite Kondensatorzelle aufgeladen werden (wie dies beispielsweise in dem Beispiel von 1b gezeigt ist). Alternativ können die erste und die zweite Kondensatorzelle während der ersten und der zweiten Phase kontinuierlich mit der gleichen Stromstärke aufgeladen werden (wie dies beispielsweise in dem Beispiel von 4a gezeigt ist).
Weiterhin kann der Controller dazu ausgelegt sein, die mehreren ersten und mehreren zweiten Schalter so zu steuern, dass während der ersten Phase und der zweiten Phase die erste Kondensatorzelle mit dem Induktor in Reihe geschaltet ist und die zweite Kondensatorzelle mit dem Induktor in Reihe geschaltet ist. Daher wird die Stromstärke durch den Induktor von der ersten und der zweiten Kondensatorzelle geliefert. Daher kann der Leistungsumsetzer lediglich einen einzelnen Induktor für den ersten Teilumsetzer und für den zweiten Teilumsetzer umfassen. Auf diese Weise kann die Größe des Leistungsumsetzers weiter reduziert werden.
Die mehreren ersten Schalter können einen ersten Schalter, der dazu ausgelegt ist, eine erste Seite der ersten Kondensatorzelle (direkt) mit der Eingangsspannung zu koppeln, einen zweiten Schalter, der dazu ausgelegt ist, die erste Seite der ersten Kondensatorzelle (direkt) mit dem Induktor zu koppeln, einen dritten Schalter, der dazu ausgelegt ist, eine zweite Seite der ersten Kondensatorzelle (direkt) mit dem Induktor zu koppeln, und einen vierten Schalter der dazu ausgelegt ist, die zweite Seite der ersten Kondensatorzelle (direkt) mit der Masse zu koppeln, umfassen. Ferner können die mehreren zweiten Schalter einen 8. Schalter, der dazu ausgelegt ist, eine erste Seite der zweiten Kondensatorzelle (direkt) mit der Eingangsspannung zu koppeln, einen 7. Schalter, der dazu ausgelegt ist, die erste Seite der zweiten Kondensatorzelle (direkt) mit dem Induktor zu koppeln, einen 6. Schalter, der dazu ausgelegt ist, eine zweite Seite der zweiten Kondensatorzelle (direkt) mit dem Induktor zu koppeln, und einen 5. Schalter der dazu ausgelegt ist, die zweite Seite der zweiten Kondensatorzelle (direkt) mit der Masse zu koppeln, umfassen.
Alternativ können die erste und die zweite Kondensatorzelle zwischen dem positiven Kontakt und dem negativen Kontakt des Eingangs des Leistungsumsetzers in Reihe geschaltet sein. Ein erstes Ende der ersten Kondensatorzelle kann mit dem positiven Kontakt des Eingangs des Leistungsumsetzers gekoppelt sein, ein zweites Ende der ersten Kondensatorzelle kann mit einem ersten Ende der zweiten Kondensatorzelle gekoppelt sein und ein zweites Ende der zweiten Kondensatorzelle kann mit dem negativen Kontakt des Eingangs des Leistungsumsetzers gekoppelt sein. Die mehreren Schalter können einen ersten Schalter, der dazu ausgelegt ist, das zweite Ende der ersten Kondensatorzelle (direkt) mit dem Induktor zu koppeln, einen zweiten Schalter, der dazu ausgelegt ist, das zweite Ende der ersten Kondensatorzelle (direkt) mit der Masse und/oder dem negativen Kontakt des Ausgangs des Leistungsumsetzers zu koppeln, einen dritten Schalter, der dazu ausgelegt ist, das zweite Ende der zweiten Kondensatorzelle (direkt) mit dem negativen Kontakt des Ausgangs des Leistungsumsetzers zu koppeln, und einen vierten Schalter der dazu ausgelegt ist, das erste Ende der ersten Kondensatorzelle (direkt) mit dem Induktor zu koppeln. Daher kann ein verschachtelter Betrieb der zwei Teilumsetzer mit einer reduzierten Anzahl von Schaltern implementiert sein, wodurch die Größe und die Verlustleistung des Leistungsumsetzers reduziert werden. Insbesondere setzen die beiden Teilumsetzer, die jeweils die zwei Kondensatorzellen umfassen, zumindest teilweise die gleichen Schalter ein und/oder umfassen zumindest teilweise die gleichen Schalter.
Der Leistungsumsetzer kann einen ersten Induktor und einen zweiten Induktor umfassen. Der Controller kann dazu ausgelegt sein, die mehreren Schaltern so zu steuern, dass während eines ersten Bruchteils der ersten Phase und eines ersten Bruchteils der zweiten Phase die Kondensatorzelle mit dem ersten Induktor in Reihe geschaltet ist, während der zweite Induktor mit der Masse gekoppelt ist. Weiterhin kann der Controller dazu ausgelegt sein, die mehreren Schalter so zu steuern, dass während eines zweiten Bruchteils der ersten Phase und eines zweiten Bruchteils der zweiten Phase die Kondensatorzelle mit dem zweiten Induktor in Reihe geschaltet ist, während der erste Induktor mit der Masse gekoppelt ist. Ferner können während eines weiteren Bruchteils der ersten Phase und/oder der zweiten Phase der erste Induktor und der zweite Induktor parallel zueinander und in Reihe mit der Kondensatorzelle geschaltet sein. Durch die Aufteilung des Induktors in einen ersten Induktor und einen zweiten Induktor kann die Umsetzungseffizienz des Leistungsumsetzers weiter erhöht werden.
Wie oben angegeben kann eine Kondensatorzelle einen einzelnen Kondensator umfassen. Alternativ kann eine Kondensatorzelle einen kapazitiven Spannungsteiler, z. B. einen Dickson-Spannungsteiler, umfassen, der mehrere Kondensatoren umfasst. Auf diese Weise können verschiedene unterschiedliche Referenzspannungen V_ref für die Ausgangsspannung bereitgestellt sein, beispielsweise V_ref = 2 V_in/3, V_in/3, V_in/4 usw. Die Referenzspannung V_ref gibt die Ausgangsspannung an, bei der die verschiedenen Leistungsumsetzer mit optimaler Effizienz arbeiten. Ferner gibt die Referenzspannung V_ref die Ausgangsspannung an, bei der die dritte Phase des Betriebs des Leistungsumsetzers sich in der Regel von einer ersten Variante zu einer zweiten Variante ändert oder umgekehrt.
Eine Induktivität L des Induktors, die in Henry gemessen ist, kann um mindestens eine oder zwei Größenordnungen kleiner als die Kapazität C des Kondensators, die in Farad gemessen ist, sein. Daher kann ein kleiner, leistungseffizienter Leistungsumsetzer bereitgestellt werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein kaskadierter Leistungsumsetzer beschrieben. Der kaskadierte Leistungsumsetzer umfasst einen Leistungsumsetzer, wie er im vorliegenden Dokument beschrieben ist. Ferner umfasst der kaskadierte Leistungsumsetzer eine kapazitive Spannungsteilerstufe, die dazu ausgelegt ist, die Eingangsspannung für den Leistungsumsetzer aus einer globalen Eingangsspannung abzuleiten, wobei die globale Eingangsspannung größer als die Eingangsspannung ist. Ein Kommutierungszyklus der kapazitiven Spannungsteilerstufe kann mit einem Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers synchronisiert sein. Ferner kann eine Frequenz des Kommutierungszyklus der kapazitiven Spannungsteilerstufe k-mal kleiner als eine Frequenz des Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers sein, wobei k eine positive ganze Zahl ist. Durch Verwenden eines kaskadierten Leistungsumsetzers kann die Leistungseffizienz eines Leistungsumsetzers für Umsetzungsverhältnisse von kleiner oder gleich 0,25 optimiert sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Betreiben eines Controllers eines Leistungsumsetzers, wie er im vorliegenden Dokument dargelegt ist, beschrieben. Das Verfahren kann Schritte umfassen, die den Merkmalen der im vorliegenden Dokument beschriebenen Controllers und Leistungsumsetzers entsprechen. Das Verfahren betrifft das Steuern der Schalter eines Leistungsumsetzers, wobei der Leistungsumsetzer dazu ausgelegt ist, elektrische Leistung bei einer Ausgangsspannung V_out aus elektrischer Leistung bei einer Eingangsspannung V_in abzuleiten, wobei der Leistungsumsetzer einen Induktor und eine Kondensatorzelle und mehrere Schalter umfasst. Das Verfahren umfasst das Steuern der mehreren Schalter derart, dass ein Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers eine erste Phase umfasst, während der die Kondensatorzelle und der Induktor in Reihe geschaltet sind und während der eine Spannung über der Reihenschaltung des Kondensatorzelle und des Induktors V_in – V_out entspricht. Ferner umfasst das Verfahren das Steuern der mehreren Schalter derart, dass der Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers eine zweite Phase umfasst, während der die Kondensatorzelle und der Induktor in Reihe geschaltet sind und während der die Spannung über der Reihenschaltung der Kondensatorzelle und des Induktors –V_out entspricht. Darüber hinaus umfasst das Verfahren das Steuern der mehreren Schalter derart, dass der Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers eine dritte Phase umfasst, während der die Kondensatorzelle potentialfrei ist und während der die Spannung über dem Induktor V_in – V_out oder –V_out entspricht.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Softwareprogramm beschrieben. Das Softwareprogramm kann zur Ausführung auf einem Prozessor und, wenn es auf dem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen der Verfahrensschritte, die im vorliegenden Dokument dargelegt sind, ausgelegt sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Speichermedium beschrieben. Das Speichermedium kann ein Softwareprogramm umfassen, das zur Ausführung auf einem Prozessor und, wenn es auf dem Prozessor ausgeführt wird, zum Durchführen der Verfahrensschritte, die im vorliegenden Dokument dargelegt sind, ausgelegt ist.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Computerprogrammprodukt beschrieben. Das Computerprogramm kann ausführbare Befehle umfassen, um dann, wenn sie auf einem Computer ausgeführt werden, Verfahrensschritte durchzuführen, die in dem vorliegenden Dokument dargelegt sind.
Es sei darauf hingewiesen, dass die Verfahren und Systeme einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsformen, wie sie im vorliegenden Dokument beschrieben sind, separat oder in Kombination mit anderen Verfahren und Systemen, die in diesem Dokument offenbart sind, verwendet werden können. Darüber hinaus sind die Merkmale, die im Zusammenhang mit einem System dargelegt sind, auch auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Zudem können alle Aspekte der Verfahren und Systeme, die im vorliegenden Dokument dargelegt sind, beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Patentansprüche untereinander in beliebiger Weise kombiniert werden.
Im vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff ”koppeln” oder ”gekoppelt” auf Elemente, die in elektrischer Verbindung miteinander stehen, unabhängig davon, ob sie direkt wie etwa über Drähte verbunden sind oder in irgendeiner anderen Weise.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1a und 1b zeigen beispielhafte Leistungsumsetzer;
2a und 2b zeigen beispielhafte Spannungen und Stromstärken an einem Leistungsumsetzer;
3a bis 3e zeigen beispielhafte Betriebsphasen eines Leistungsumsetzers;
4a bis 4f zeigen weitere beispielhafte Leistungsumsetzer;
5 zeigt einen weiteren beispielhaften Leistungsumsetzer;
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Steuern eines Leistungsumsetzers.
Genaue Beschreibung
Wie oben dargelegt befasst sich das vorliegende Dokument mit dem technischen Problem des Bereitstellens von Leistungsumsetzern, die dazu ausgelegt sind, eine erhöhte Eingangsspannung V_in und/oder eine erhöhte Eingangsleistung zu bewältigen, und die dennoch eine begrenzte Größe und eine begrenzte Verlustleistung aufweisen.
Insbesondere hat das vorliegende Dokument ein Erhöhen einer Batterieladeumsetzungseffizienz (drahtgebunden oder drahtlos) auf > 93% zum Ziel, um die Verlustleistung auf einen Bereich zu reduzieren, der ohne Überhitzung einer elektronischen Vorrichtung gehandhabt werden kann. In diesem Zusammenhang wird der negative Einfluss auf die Effizienz, der von Ladevorrichtungsversorgungsspannungen verursacht wird, die deutlich höher als die Batteriepackspannung sind, in Angriff genommen. Die Herausforderung besteht darin, innerhalb der Platzbeschränkungen einer elektronischen Zielvorrichtung zu arbeiten, was typischerweise die Verwendung von relativ kleinen Induktoren erfordert. Darüber hinaus sollte die Eingangsspannungswelligkeit, die aufgrund der relativ niedrigen Schaltfrequenzen auftritt, reduziert werden, um ein begrenztes Überschwingen und eine begrenzte elektromagnetische Störungsemission aus den Drähten zu der Energieversorgung der elektronischen Vorrichtung zu erreichen.
Wie oben angegeben konzentriert sich das vorliegende Dokument insbesondere auf das Laden von Batterien. Es ist aber zu beachten, dass die Offenbarung des vorliegenden Dokuments auch für alle Anwendungen gilt, die eine Gleichstrom-Gleichstrom-Umsetzung des Abwätswandlertyps mit hoher Effizienz erfordern, insbesondere dann, wenn aus Platzgründen eine niedrige Schaltfrequenz nicht durch Spulen mit hoher Induktivität erreicht werden kann.
Eine Möglichkeit, mit einer erhöhten Eingangsspannung umzugehen, ist die Verwendung einer Anzahl von Abwärtswandlern in Kaskadenschaltung. Jedoch werden die Wirkungsgrade von kaskadierten Stufen multipliziert, was zu einem reduzierten Gesamtwirkungsgrad zusätzlich zu einem Kosten- und Flächenzuschlag führt. Die Nachteile der kaskadierten Umsetzer können durch Verwenden einer unregulierten geschalteten Kondensatorspannungsteilung innerhalb mindestens einer der Stufen reduziert werden, da Kondensatoren viel kleiner als Induktoren mit ähnlicher Energiespeicherkapazität sind, und der Umsetzungswirkungsgrad kann bei bis zu 98–99% liegen. Eine Einschränkung von kaskadierten Abwärtswandlern ist das maximale Umsetzungsverhältnis, das immer kleiner als das Umsetzungsverhältnis der einzelnen Stufen ist. So ist im Fall von geschalteter kapazitiver Teilung das maximale Umsetzungsverhältnis des gesamten Reglers kleiner als das Umsetzungsverhältnis der Teilerzelle (z. B. ist das Umsetzungsverhältnis D < 0,5 bei Verwendung einer kapazitiven 2:1-Teilerstufe). Das verhindert die Verwendung von kaskadierten Umsetzern für bestimmte Anwendungen.
Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von mehrstufigen Abwärtswandlern. Ein mehrstufiger Abwärtswandler erfordert in der Regel die doppelte Menge an Schaltern wie ein herkömmlicher Abwärtswandler. Allerdings sind zumindest die unteren und mittleren Schalter (bezogen auf die Masse) eines mehrstufigen Abwärtswandlers nicht Spannungen ausgesetzt, die höher als V_in/2 sind, was die Verwendung von FET mit reduzierten Spannungswerten ermöglicht, die untere Ein-Widerstände R_dson mit ähnlicher parasitärer Kapazität und reduzierten Sperrverzögerungsverlusten liefern. Die reduzierte Schaltfrequenz eines mehrstufigen Abwärtswandlers verbessert die Effizienz, aber die Dauer der Zeitintervalle wird verlängert, wenn kein Strom aus dem Eingang bezogen wird. Für ein 2:1-Umsetzungsverhältnis wird die volle Ausgangsstromstärke aus der Eingangsschiene bei einem Tastgrad von ca. 50% bezogen. Im Falle einer USB-Ladevorrichtung erhöht dies die Eingangsspannungswelligkeit, da die maximale Anschlusskapazität durch die USB-Spezifikationen beschränkt ist.
1a zeigt einen verschachtelten 3-stufigen Abwärtswandler 100. Der verschachtelte 3-stufige Abwärtswandler 100 umfasst zwei Instanzen oder zwei Teilumsetzer 110, 120 eines 3-stufigen Abwärtswandlers 100, die in einer verschachtelten Weise betrieben werden, wodurch die Eingangsspannungswelligkeit reduziert wird. Die Struktur von 1a kann unter Verwendung eines einzelnen Induktors 104 (siehe 1b) anstelle der separaten Induktoren 112, 122 jeweils für die Instanzen 112, 120 kompakter gemacht werden, um dadurch die Größe des verschachtelten 3-stufigen Abwärtswandlers 150 im Vergleich zu dem verschachtelten 3-stufigen Abwärtswandler 100 zu reduzieren.
Der Leistungsumsetzer 150 von 1b reduziert die Eingangsspannungswelligkeit, die durch eine begrenzte Eingangskapazität bei niedriger Schaltfrequenz verursacht wird. Ferner erfordert der Leistungsumsetzer 150 nur einen einzelnen Induktor 104.
2a zeigt ein Beispiel für eine Eingangsspannung V_in 201, eine Induktorstromstärke I_L1 202, eine Kondensatorspannung V_C1 203 an dem Kondensator C1 111, eine Ausgangsstromstärke I_out 204, eine Ausgangsspannung V_out 205 und die Steuerspannung 206 für die Schalter des Umsetzers 110. 2b zeigt ein Beispiel für eine Eingangsspannung V_in 201, eine Induktorstromstärke I_L1 202, eine Kondensatorspannung V_C1 203 an dem Kondensator C1 111, eine Ausgangsstromstärke I_out 204, eine Ausgangsspannung V_out 205 und die Steuerspannung 206 für die Schalter des Umsetzers 150. Es ist ersichtlich, dass unter Verwendung der gleichen Gesamtschaltfläche die Spannungswelligkeit der Eingangsspannung 201 bei Verwendung des Umsetzers 150 auf weniger als 10% gesenkt werden kann. Ferner kann eine symmetrische Form der Induktorstromstärkenwelligkeit bei Verwendung des Umsetzers 150 erreicht werden. Im Gegensatz dazu ist das Induktorstromstärkesignal von 2a für aufeinanderfolgende Schaltzyklen leicht verschieden. Dies resultiert aus der Tatsache, dass eine der Induktorentmagnetisierungsphasen parallel zu dem Schaltkondensator entlädt, wobei die darauffolgende Induktorentmagnetisierungsphase die Schaltkapazität gleichzeitig auflädt.
Der Leistungsumsetzer 150 umfasst eine Steuerschaltung (nicht gezeigt), die dazu ausgelegt ist, die Schalter S1 bis S8 des Leistungsumsetzers 150 zu steuern. Insbesondere können die Schalter derart betrieben werden, dass der Leistungsumsetzer 150 nacheinander in verschiedene Phasen gebracht wird. Beispielhafte Phasen sind in 3a bis 3e dargestellt.
In einer ersten Phase, die in 3a dargestellt ist, sind alle ungeraden Schalter S1, S3, S5 und S7 geschlossen (wogegen die geraden Schalter S2, S4, S6 und S8 offen sind). Die erste Phase fährt die Induktorstromstärke I_L während des Ladens des Pumpkondensators C1 aus I_in und des parallelen Entladens des Pumpkondensators C2 hoch.
In einer zweiten Phase, die in 3b dargestellt ist, sind alle ungeraden Schalter S1, S3, S5 und S7 offen, wogegen die geraden Schalter S2, S4, S6 und S8 geschlossen sind. Die zweite Phase fährt die Induktorstromstärke I_L während des Ladens des Pumpkondensators C2 aus I_in und des parallelen Entladens des Pumpkondensators C1 hoch.
Die Dauer der ersten und/oder der zweiten Phase kann derart gesteuert werden, dass die Ladung der beiden Pumpkondensatoren C1 und C2 ausgeglichen wird. Im Falle einer konstanten Ausgangsstromstärke löst dieser Zustand eine identische Dauer der ersten Phase und der zweiten Phase aus.
Ferner wird der mehrstufige Abwärtswandler 150 in einer dritten Phase betrieben, um die Stromstärke in dem Induktor L auszugleichen, nachdem das Laden und Entladen des Pumpkondensatornetzes C1, C2 abgeschlossen ist. Für einen stationären Zustand sollten zwei Regeln über einen vollständigen Kommutierungszyklus des Umsetzers 150 hinweg erfüllt sein:

1. Die Ladung und Entladung des Pumpkondensatornetzes ist gleich (die Kondensatorladung und die Spannung sind am Anfang und am Ende eines Zyklus gleich), d. h. 0 = ∫(I_C × dt).
2. Die Stromstärke durch den Induktor L ist am Anfang und am Ende des Zyklus gleich, das heißt 0 = ∫(dI_L × dt).

Die erste Bedingung kann durch Einstellen der Dauer der ersten und der zweiten Phase erreicht werden. Die zweite Bedingung kann unter Verwendung einer dritten Phase erreicht werden. Insbesondere kann die zweite Bedingung durch Betreiben des Leistungsumsetzers 150 in einer ersten oder einer zweiten Variante einer dritten Phase erreicht werden. Die erste Variante der dritten Phase ist in 3c dargestellt und die zweite Variante der dritten Phase ist in 3d dargestellt.
Die dritte Phase fährt die Stromstärke durch den Induktor hoch, ohne die Ladung der Pumpkondensatoren C1, C2 zu beeinflussen. Die Dauer der dritten Phase kann durch die Ziel- oder Referenzausgangsspannung V_ref (z. B. V_in/2) reguliert werden und löst für eine konstante Ausgangsstromstärke die gleiche Induktorstromstärke I_L am Beginn jedes Zyklus (der aus der ersten, der zweiten und der dritten Phase besteht) aus. Wenn V_in > 2 × V_out wird typischerweise die Anordnung von 3D ausgewählt (d. h. die erste Variante), andernfalls wird die Anordnung von 3C ausgewählt (d. h. die zweite Variante).
Die dritte Phase kann nur nach der zweiten Stufe implementiert sein oder bei reduzierter Induktorstromstärkenwelligkeit ebenfalls zwischen der ersten Phase und der zweiten Phase eingesetzt sein. Die Induktorstromstärkenwelligkeit steigt mit der Differenz von V_out zu ihrem optimalen Wert ½ × V_in. Diese Welligkeit kann über eine erhöhte Schaltfrequenz ausgeglichen werden, aber in beiden Fällen ist der Umsetzungswirkungsgrad reduziert.
Der Umsetzer 150 kann in einer optionalen vierten Phase (in 3e gezeigt) betrieben werden, in der die Stromstärke durch den Induktor gleich null ist und I_out nur von dem Ausgangskondensator Cout geliefert wird. Diese Phase kann verwendet werden, falls der Kommutierungszyklus eine höhere durchschnittliche Stromstärke liefert, als von dem Ausgang bezogen wird. Während der vierten Phase können alle Schalter offen sein (mindestens die Schalter S1, S4, S5 und S8). Die vierte Phase kann eingefügt werden, wenn die Induktorstromstärke IL null durchschreitet. Die vierte Phase kann als eine Betriebsart mit diskontinuierlicher Leitung (DCM), Pulsfrequenzmodulation (PFM) oder Pulsunterdrückung bezeichnet werden. Die vierte Phase reguliert die Ausgangsspannung/Ausgangsstromstärke durch vorübergehendes Anhalten der Stromstärke durch den Induktor ab. Die vierte Phase kann beendet werden, wenn V_out (oder I_out) unter eine Mindestschwelle gefallen ist (Hysteresesteuerung).
Wenn eine Masseverschiebung des negativen Potentials der Eingangsspannung V_in, die mit dem negativen Potential der Ausgangsspannung V_out verknüpft ist, in einer speziellen Anwendung nicht relevant ist, kann die Schaltung 400 von 4a eine sinnvolle Variante sein. Diese setzt die Eingangswelligkeitsauslöschung mit einer reduzierten Anzahl von Schaltern im Vergleich zu dem Leistungsumsetzer 150 um. Der Leistungsumsetzer 400 kann in mindestens drei Phasen betrieben werden, wie im Zusammenhang mit den 3a bis 3e erläutert ist. Eine typische Eingabe für eine solche Umsetzerzelle 400 ist die Gleichrichterausgabe eines AC/DC-Wandler oder einer drahtlosen Ladespule, wie in der Schaltung 410 von 4b gezeigt.
Eine weitere Variante der erfindungsgemäßen Schaltung 150 von 1b ist in 4c gezeigt. Eine typische Anwendung für die Schaltung 420 von 4c ist z. B. die Kernversorgung von Niederspannungs-/Hochleistungsanwendungsprozessoren aus einem Mehrfachzellen-Batteriepack (z. B. 2-Zellen-Batteriepack) (beispielsweise mit V_bat ≥ 6 V, V_out ≤ 1,5 V). Der Leistungsumsetzer 420 kann in mindestens drei Phasen betrieben werden, wie im Zusammenhang mit 3a bis 3e erläutert. Die Phasen, insbesondere die erste und die zweite Phase, können in verschiedene Bruchteile aufgeteilt werden, in denen die jeweiligen Induktoren mit dem Kondensator in Reihe geschaltet sind. Mit anderen Worten können die Induktoren in einer verschachtelten Weise betrieben werden. Weiterhin können die Induktoren gleichzeitig verwendet werden (beispielsweise während eines weiteren Bruchteils der ersten und/oder der zweiten Phase).
Die Architektur 420 von 4c verringert die Anzahl von Schaltkondensatoren, verwendet aber mehrere kleinere Induktoren, die jeweils für einen Bruchteil der maximalen Ausgangsstromstärke des Umsetzers 420 dimensioniert sind. Die Schalter S5 und S8 zur Masse ermöglichen das unabhängige Schalten und/oder Regulieren des ersten und des zweiten Induktors L1, L2 (einschließlich eines verschachtelten Schaltens für eine Welligkeitsauslöschung) und verbessern die Umsetzungseffizienz insbesondere bei niedriger Ausgangsspannung. Die Schalter S5 und S7 sind in einer Parallelschaltung mit dem Schaltkondensator des Umsetzers 420 angeordnet. Leitungsverluste können für den Umsetzer 420 relativ gering sein, da der Umsetzer 420 im Vergleich zu anderen Architekturen eine verringerte Anzahl von Schaltern aufweist, insbesondere zwischen dem Induktor und den Versorgungsschienen V_in und der Masse.
Eine verbesserte Eingangswelligkeitsauslöschung kann beim Betreiben von zwei Zellen 420 aus 4c in Verschachtelung erreicht werden, z. B. in der Anordnung mit vier Induktoren 430, wie in 4d gezeigt.
Ein alternatives Beispiel einer Schaltung 110 mit optimierter Effizienz für ein Umsetzungsverhältnis D ~ 0,25 und weniger ist als Schaltung 440 in 4e gezeigt. Die Schaltung 440 umfasst eine Teilerstufe der zweiten Stufe 441. Die Schaltung 400 ordnet eine kapazitive Spannungsteilerstufe 441 mit einem mehrstufigen Abwärtswandler 100 in einer Kaskadenschaltung an. In einem typischen Beispiel schalten die Schalter S5 und S7 ihren Zustand parallel mit den Schaltern S6 und S8 um, was mit dem Schalten des mehrstufigen Abwärtswandlers mit einer Rate, die die Hälfte oder 1/k seiner Taktfrequenz ist, synchronisiert ist. So wird der Strom von dem Eingang nur in jedem zweiten (oder jedem k-ten) Zyklus des kaskadierten Leistungsumsetzers 440 bezogen.
Die Eingangsstromstärkenwelligkeit, die durch die Umsetzerzeitspannen verursacht wird, in denen kein Strom aus dem Eingang bezogen wird, kann durch einen anderen beispielhaften Umsetzer 450 verringert werden, der zwei verschachtelte Instanzen der Teilerstufe der zweiten Stufe 441 verbindet, wie in 4f gezeigt. Der Umsetzer 450 umfasst zwei verschachtelte Teilerstufen der zweiten Stufe 441, die mit einem dreistufigen Abwärtswandler 110, 451 in einer Kaskadenschaltung angeordnet sind. Die Kondensatoren C2 und C3 in 4f setzen einen Spannungsteiler um, wobei jeder 50% der Eingangsstromstärke des dreistufigen Abwärtswandlers liefert (wobei 50% kontinuierlich aus V_in bezogen werden).
Zur weiteren Reduzierung der Eingangsstromstärken-/Eingangsspannungswelligkeit können die oben gezeigten dreistufigen Abwärtswandler 451 durch Leistungsumsetzer ersetzt werden, wie sie z. B. in 1a, 1b, 4a, 4b, 4c und 4d dargestellt sind. Für eine verbesserte Effizienz bei sehr niedrigen Umsetzungsverhältnissen (z. B. D ≤ 0,125) kann der dreistufige Abwärtswandler 451 auch mit Schaltkreisen ersetzt werden, wie sie in 4e und 4f gezeigt sind.
Die kapazitive(n) Zelle(n), die in den vorherigen Beispielen von 1a, 1b, 4a bis 4f gezeigt sind, können mit anderen Topologien wie etwa einer seriell-parallelen Topologie, einer Dickson-Topologie usw. ersetzt werden, wodurch eine optimale Umsetzungseffizienz auch bei Teilerverhältnissen von beispielsweise 3:1, 1,5:1 (insbesondere verschieden von 2ⁿ:1) ermöglicht wird. Als ein Beispiel ersetzt die Schaltung 500 von 5 die Schaltkondensatoren C1 und C2 von 1a mit zwei 3:1-Zellen einer Dickson-Topologie.
Die im vorliegenden Dokument beschriebenen Leistungsumsetzer können ein Schalten mit relativ niedriger Frequenz einsetzen, um eine hocheffiziente Batterieaufladung (drahtgebunden und drahtlos) aus Eingangsspannungen, die wesentlich höher als die Ausgangsspannung sind, die zum Aufladen eines Batteriepacks verwendet wird, zu erzielen. Die Eingangsspannungswelligkeit der Leistungsumsetzer kann lediglich mittels einer kleinen Induktivität bei niedriger Schaltfrequenz verbessert werden. Die Leistungsumsetzer können auf einer Leiterplatte (PCB) implementiert sein.
An sich ist ein Mehrstufen-Abwärtswandler in Kombination mit kleinen Spulen von niedriger Induktivität zum Aufladen von Batterien beschrieben. Darüber hinaus kann eine niedrige Eingangsstromstärken-/Eingangsspannungswelligkeit aus einem Mehrstufen-Abwärtswandler mit niedriger Schaltfrequenz in Kombination mit einem einzelnen kleinen Induktor und einer niedrigen Eingangskapazität erreicht werden.
Ein Verwenden von mehrstufigen Schaltzellen für die Abwärtswandlung der Batterieaufladung aus Eingangsspannungen, die wesentlich höher als die Batteriepackspannung sind, ermöglicht eine niedrige Schaltfrequenz in Kombination mit einer geringen Induktivität (kleinen Spulen). Die niedrige Schaltfrequenz erhöht die Umsetzungseffizienz (reduziert die Verlustleistung). Die beschriebene Architektur fügt eine Welligkeitsauslöschung zu mehrstufigen Abwärtswandlerzellen hinzu, ohne mehrere Induktoren zu erfordern. Darüber hinaus kann die automatische Laderegulierung über die Schaltkapazität erreicht werden, wodurch der Bedarf an einem Regelsteuerkreis wegfällt.
6 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 600 zum Steuern eines Leistungsumsetzers 150. Der Leistungsumsetzer ist dazu ausgelegt, elektrische Leistung bei einer Ausgangsspannung V_out aus elektrischer Leistung bei einer Eingangsspannung V_in abzuleiten, wobei der Leistungsumsetzer 150 einen Induktor L, eine Kondensatorzelle C1, C2 und mehrere Schalter S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8 umfasst.
Das Verfahren 600 umfasst ein Steuern 601 der mehreren Schalter derart, dass ein Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers 150 eine erste Phase umfasst, während der die Kondensatorzelle und der Induktor in Reihe geschaltet sind und während der eine Spannung über der Reihenschaltung der Kondensatorzelle und des Induktors V_in – V_out entspricht. Weiterhin umfasst das Verfahren 600 ein Steuern 602 der mehreren Schalter derart, dass der Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers eine zweite Phase umfasst, während der die Kondensatorzelle und der Induktor in Reihe geschaltet sind und während der die Spannung über der Reihenschaltung der Kondensatorzelle und des Induktors –V_out entspricht. Zusätzlich umfasst das Verfahren 600 ein Steuern 603 der mehreren Schalter derart, dass der Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers eine dritte Phase umfasst, während der die Kondensatorzelle potentialfrei ist und während der die Spannung über dem Induktor V_in – V_out oder –V_out entspricht. Durch Steuern der Leistungsumsetzer gemäß Verfahren 600 kann die Welligkeit der Eingangsspannung/Eingangsstromstärke reduziert werden. Ferner ermöglicht die Verwendung einer Kondensatorzelle in Verbindung mit einem Induktor die Verwendung von Induktoren mit verringerter Induktivität, wodurch Leistungsumsetzer mit verringerter Größe bereitgestellt werden. Zusätzlich können die Leistungsverluste des Leistungsumsetzers reduziert werden.
Es ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Zeichnungen die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme lediglich veranschaulichen. Fachleute auf dem Gebiet werden in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die hier zwar nicht explizit beschrieben oder gezeigt sind, aber die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Gedanken und Umfang enthalten sind. Darüber hinaus sind alle Beispiele und Ausführungsformen, die im vorliegenden Dokument dargelegt sind, hauptsächlich und ausdrücklich nur zur Erläuterung vorgesehen, um dem Leser beim Verstehen der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu helfen. Ferner sollen alle hier gemachten Aussagen, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung, sowie spezifische Beispiele davon, bereitstellen, ihre Äquivalente umfassen.

Claims

Spannungs- oder stromstärkeregulierter Leistungsumsetzer (110, 150) zum Laden einer Batterie, wobei der Leistungsumsetzer (110, 150) dazu ausgelegt ist, elektrische Leistung bei einer Ausgangsspannung V_out an einem Ausgang des Leistungsumsetzers (110, 150) aus elektrischer Leistung bei einer Eingangsspannung V_in an einem Eingang des Leistungsumsetzers (110, 150) abzuleiten, wobei der Leistungsumsetzer (110, 150) einen Induktor (L), eine Kondensatorzelle (C1, C2), mehrere Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8) und einen Controller umfasst; wobei der Controller dazu ausgelegt ist, die mehreren Schalter derart zu steuern, dass ein Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers umfasst: – eine erste Phase, während der die Kondensatorzelle und der Induktor zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Leistungsumsetzers (110, 150) in Reihe geschaltet sind; – eine zweite Phase, während der die Kondensatorzelle und der Induktor parallel zu dem Ausgang des Leistungsumsetzers (110, 150) in Reihe geschaltet sind; und – eine dritte Phase, während der die Kondensatorzelle von dem Ausgang des Leistungsumsetzers (110, 150) entkoppelt ist und während der der Induktor zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Leistungsumsetzers (110, 150) angeordnet ist oder parallel zu dem Ausgang des Leistungsumsetzers (110, 150) geschaltet ist.
Leistungsumsetzer nach Anspruch 1, wobei der Controller dazu ausgelegt ist, die mehreren Schalter derart zu steuern, dass der Leistungsumsetzer innerhalb eines Kommutierungszyklus im Anschluss an die erste Phase und/oder im Anschluss an die zweite Phase in der dritten Phase betrieben wird.
Leistungsumsetzer nach Anspruch 2, wobei der Controller zu Folgendem ausgelegt ist: – Bestimmen einer Ausgangsstromstärke I_out an dem Ende der ersten Phase und/oder an dem Ende der zweiten Phase; – Steuern der mehreren Schalter während der dritten Phase derart, dass der Induktor dann zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Leistungsumsetzers (110, 150) angeordnet ist, wenn der Ausgangsstrom I_out an dem Ende der ersten Phase und/oder an dem Ende der zweiten Phase kleiner als ein Referenzstrom I_ref ist; und – Steuern der mehreren Schalter während der dritten Phase derart, dass der Induktor dann parallel zu dem Ausgang des Leistungsumsetzers (110, 150) geschaltet ist, wenn der Ausgangsstrom I_out an dem Ende der ersten Phase und/oder an dem Ende der zweiten Phase größer als die Referenzstromstärke I_ref ist.
Leistungsumsetzer nach Anspruch 3, wobei der Controller dazu ausgelegt ist, eine Dauer der dritten Phase derart einzustellen, dass an dem Ende der dritten Phase – die Ausgangsstromstärke I_out dann größer oder gleich der Referenzstromstärke I_ref ist, wenn die Ausgangsstromstärke I_out an dem Ende der ersten Phase und/oder an dem Ende der zweiten Phase kleiner als eine Referenzstromstärke I_ref ist; und – die Ausgangsstromstärke I_out dann kleiner oder gleich der Referenzstromstärke I_ref ist, wenn die Ausgangsstromstärke I_out an dem Ende der ersten Phase und/oder an dem Ende der zweiten Phase größer als eine Referenzstromstärke I_ref ist.
Leistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – während der ersten Phase die Kondensatorzelle geladen wird; – während der zweiten Phase, die Kondensatorzelle entladen wird.
Leistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – der Leistungsumsetzer einen ersten Teilumsetzer (110) umfasst, der mehrere erste Schalter (S1, S2, S3, S4) und eine erste Kondensatorzelle (C1) umfasst; – der Leistungsumsetzer einen zweiten Teilumsetzer (120) umfasst, der mehrere zweite Schalter (S5, S6, S7, S8) und eine zweite Kondensatorzelle (C2) umfasst; – der Controller dazu ausgelegt ist, die mehreren ersten und die mehreren zweiten Schalter derart zu steuern, dass der erste und der zweite Teilumsetzer in einer verschachtelten Weise betrieben werden, sodass, – während der ersten Phase die zweite Kondensatorzelle entladen wird; – während der zweiten Phase die erste Kondensatorzelle entladen wird; und – während der dritten Phase die erste Kondensatorzelle und die zweite Kondensatorzelle von der Ausgangsspannung entkoppelt sind.
Leistungsumsetzer nach Anspruch 6, wobei der Controller dazu ausgelegt ist, die mehreren ersten und die mehreren zweiten Schalter derart zu steuern, dass während der ersten Phase und der zweiten Phase die erste Kondensatorzelle mit dem Induktor in Reihe geschaltet ist und die zweite Kondensatorzelle mit dem Induktor in Reihe geschaltet ist.
Leistungsumsetzer nach einem der Ansprüche 6 bis 7, wobei der Leistungsumsetzer nur einen einzelnen Induktor für den ersten Teilumsetzer und für den zweiten Teilumsetzer umfasst.
Leistungsumsetzer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei – die mehreren ersten Schalter einen ersten Schalter (S1), der dazu ausgelegt ist, eine erste Seite der ersten Kondensatorzelle mit der Eingangsspannung zu koppeln, einen zweiten Schalter (S2), der dazu ausgelegt ist, die erste Seite der ersten Kondensatorzelle mit dem Induktor zu koppeln, einen dritten Schalter (S3), der dazu ausgelegt ist, eine zweite Seite der ersten Kondensatorzelle mit dem Induktor zu koppeln, und einen vierten Schalter (S4), der dazu ausgelegt ist, die zweite Seite der ersten Kondensatorzelle mit der Masse zu koppeln, umfassen; – die mehreren zweiten Schalter einen 8. Schalter (S8), der dazu ausgelegt ist, eine erste Seite der zweiten Kondensatorzelle mit der Eingangsspannung zu koppeln, einen 7. Schalter (S7), der dazu ausgelegt ist, die erste Seite der zweiten Kondensatorzelle mit dem Induktor zu koppeln, einen 6. Schalter (S6), der dazu ausgelegt ist, eine zweite Seite der zweiten Kondensatorzelle mit dem Induktor zu koppeln, und einen 5. Schalter (S5), der dazu ausgelegt ist, die zweite Seite der zweiten Kondensatorzelle mit der Masse zu koppeln, umfassen.
Leistungsumsetzer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei – die erste und die zweite Kondensatorzelle zwischen einem positiven und einem negativen Kontakt der Eingangsspannung in Reihe geschaltet sind; – ein erstes Ende der ersten Kondensatorzelle mit dem positiven Kontakt der Eingangsspannung gekoppelt ist; – ein zweites Ende des ersten Kondensatorzelle mit einem ersten Ende der zweiten Kondensatorzelle gekoppelt ist; – ein zweites Ende des zweiten Kondensatorzelle mit dem negativen Kontakt der Eingangsspannung gekoppelt ist; – die mehreren Schalter umfassen; – einen ersten Schalter (S1), der dazu ausgelegt ist, das zweite Ende der ersten Kondensatorzelle mit dem Induktor zu koppeln, – einen zweiten Schalter (S2), der dazu ausgelegt ist, das zweite Ende der ersten Kondensatorzelle mit der Masse zu koppeln, – einen dritten Schalter (S3), der dazu ausgelegt ist, das zweite Ende der zweiten Kondensatorzelle mit der Masse zu koppeln, und – einen vierten Schalter (S4), der dazu ausgelegt ist, das erste Ende der ersten Kondensatorzelle mit dem Induktor zu koppeln.
Leistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – der Leistungsumsetzer einen ersten Induktor und einen zweiten Induktor umfasst; – der Controller dazu ausgelegt ist, die mehreren Schalter derart zu steuern, dass – während eines ersten Bruchteils der ersten Phase und/oder eines ersten Bruchteils der zweiten Phase die Kondensatorzelle mit dem ersten Induktor in Reihe geschaltet ist, während der zweite Induktor mit der Masse gekoppelt ist; und – während eines zweiten Bruchteils der ersten Phase und/oder eines zweiten Bruchteils der zweiten Phase die Kondensatorzelle mit dem zweiten Induktor in Reihe geschaltet ist, während der erste Induktor mit der Masse gekoppelt ist.
Leistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei – die Kondensatorzelle einen einzelnen Kondensator umfasst; oder – die Kondensatorzelle einen kapazitiven Spannungsteiler wie etwa einen Dickson-Spannungsteiler, der aus mehreren Kondensatoren besteht, umfasst.
Leistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Induktivität L des Induktors, die in Henry gemessen ist, um mindestens eine oder zwei Größenordnungen kleiner als die Kapazität C des Kondensators, die in Farad gemessen ist, ist.
Kaskadierter Leistungsumsetzer, der umfasst: – den Leistungsumsetzer nach einem der vorhergehenden Ansprüche; – eine kapazitive Spannungsteilerstufe, die dazu ausgelegt ist, die Eingangsspannung für den Leistungsumsetzer aus einer globalen Eingangsspannung abzuleiten; – wobei die globale Eingangsspannung größer als die Eingangsspannung ist; – ein Kommutierungszyklus der kapazitiven Spannungsteilerstufe mit einem Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers synchronisiert ist; und – eine Frequenz des Kommutierungszyklus der kapazitiven Spannungsteilerstufe k-mal kleiner als eine Frequenz des Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers ist, wobei k eine ganze Zahl ist.
Verfahren (600) zum Steuern eines Leistungsumsetzers (110, 150), wobei der Leistungsumsetzer dazu ausgelegt ist, elektrische Leistung bei einer Ausgangsspannung V_out aus elektrischer Leistung bei einer Eingangsspannung V_in abzuleiten, wobei der Leistungsumsetzer (110, 150) einen Induktor (L), eine Kondensatorzelle (C1, C2) und mehrere Schalter (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8) umfasst, wobei das Verfahren (600) umfasst – Steuern (601) der mehreren Schalter derart, dass ein Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers eine erste Phase umfasst, während der die Kondensatorzelle und der Induktor in Reihe geschaltet sind und während der eine Spannung über der Reihenschaltung der Kondensatorzelle und des Induktors V_in – V_out entspricht; – Steuern (602) der mehreren Schalter derart, dass der Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers eine zweite Phase umfasst, während der die Kondensatorzelle und der Induktor in Reihe geschaltet sind und während der die Spannung über der Reihenschaltung der Kondensatorzelle und des Induktors –V_out entspricht; und – Steuern (603) der mehreren Schalter derart, dass der Kommutierungszyklus des Leistungsumsetzers eine dritte Phase umfasst, während der die Kondensatorzelle von der Ausgangsspannung V_out entkoppelt ist und während der die Spannung über dem Induktor V_in – V_out oder –V_out entspricht.