DE102015212331A1

DE102015212331A1 - Hochleistungsschaltaufwärtswandler mit reduzierter Induktorstromwelligkeit

Info

Publication number: DE102015212331A1
Application number: DE102015212331.6A
Authority: DE
Inventors: Holger Petersen
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2015-07-01
Filing date: 2015-07-01
Publication date: 2017-01-05
Also published as: US20170149337A1; US9559589B2; US20170005576A1; US10230302B2

Abstract

Das vorliegende Dokument beschreibt einen spannungs- oder stromgeregelten Leistungswandler. Der Leistungswandler ist konfiguriert zum Ableiten von elektrischer Leistung mit einer Ausgangsspannung Vout an einem Ausgang des Leistungswandlers von elektrischer Leistung mit einer Eingangsspannung Vin an einem Eingang des Leistungswandlers, wobei die Ausgangsspannung Vout größer oder gleich zu der Eingangsspannung Vin ist. Der Leistungswandler weist einen Induktor (L), eine Vielzahl von Kondensatoren (C1, C2, C3, Cout) und eine Vielzahl von Schaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7) auf, die in einer Eingangseinheit und einer Ausgangseinheit des Leistungswandlers angeordnet sind. Die Eingangseinheit und die Ausgangseinheit sind über einen Zwischenpunkt gekoppelt, wobei die Ausgangseinheit eine erste Ausgangsanordnung oder eine zweite Ausgangsanordnung aufweist, und wobei die Eingangseinheit eine erste Eingangsanordnung oder eine zweite Eingangsanordnung aufweist. Weiter weist der Leistungswandler eine Steuervorrichtung auf, die konfiguriert ist zum Steuern der Vielzahl von Schaltern derart, dass ein Kommutierungszyklus des Leistungswandlers eine Vielzahl von verschiedenen Betriebsphasen aufweist.

Description

Technisches Gebiet
Das vorliegende Dokument betrifft Leistungswandler mit geregelter Ausgangsspannung oder geregeltem Ausgangsstrom. Insbesondere betrifft das vorliegende Dokument Schaltleistungswandler für LED-Hintergrundbeleuchtungs-Anwendungen.
Hintergrund
Die Effizienz eines herkömmlichen Schaltleistungswandlers, wie eines Buck- oder Abwärtswandlers, wird durch die Verluste in den Schaltern (zum Beispiel Feldeffekttransistoren FETs (field effect transistors)) und dem Induktor des Leistungswandlers dominiert. Wenn der Leistungswandler eine relativ hohe Ausgangsspannung V_out vorsieht, zeigt der Leistungswandler typischerweise eine reduzierte Umwandlungseffizienz, da die Schalter in Hochspannungstechnologie implementiert werden müssen, und somit haben die Schalter einen erhöhten Schaltbereich und erhöhte Sperrverzögerungsverluste. Relativ große FETs verursachen typischerweise relativ hohe Schaltverluste aufgrund einer erhöhten Gate-Ladung und LX-Kapazität.
Die Spannung, die an den Induktor eines Aufwärtswandlers 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 Stromvariationen dl/dt und somit eine erhöhte Schaltfrequenz (zum Erzielen einer vorgegebenen Stromwelligkeit) und/oder eine erhöhte Stromwelligkeit (für eine gegebene Schaltfrequenz). In beiden Fällen führt dies zu erhöhten Induktorkernverlusten und zu einer erhöhten Verlustleistung.
Ein Beibehalten von niedrigen Stromvariationen dl_L/dt bei erhöhten Eingangs- und Ausgangsspannungen erfordert typischerweise Induktoren (d. h. Spulen) mit einer erhöhten Induktanz L aufgrund der Beziehung dl_L/dt = V_L/L. Jedoch haben Spulen mit einer erhöhten Induktanz L eine erhöhte Anzahl von Windungen. Damit Induktoren ihren DC-Widerstand (DCR – Direct Current Resistance) beibehalten, auch mit einer erhöhten Anzahl von Windungen, muss jede Windung einen Draht mit einer größeren Dicke verwenden, um die Impedanzerhöhung zu kompensieren. Somit nimmt die Größe des Induktors doppelt zu mit einer erhöhten Induktanz L (aufgrund der erhöhten Anzahl von Windungen und aufgrund der erhöhten Drahtdicke). Andererseits, wenn die Dimensionen des Induktors nicht größer sind, führt eine erhöhte Induktanz L zu dem Effekt, dass der DCR des Induktors doppelt wächst aufgrund der zusätzlichen Anzahl von Windungen und aufgrund der Verwendung eines dünneren Drahts.
Über die letzten Jahre zeigten batteriebetriebene Anwendungen, wie Smartphones und Tablets, eine höhere LCD-Auflösung und -Größe, weshalb eine LED-Hintergrundbeleuchtung mit höherer Helligkeit und Größe erforderlich ist. Als ein Ergebnis dieser Entwicklung ist die Energie gestiegen, die für eine LED-Hintergrundbeleuchtung erforderlich ist, obwohl die LEDs eine verbesserte Effizienz haben. Da eine LED-Helligkeit proportional ist zu ihrem Strom, kann eine gleichmäßige Helligkeit einer LED-Hintergrundbeleuchtung durch Verbinden mehrerer LEDs in Serie (typischerweise 6–7 LEDs) erzielt werden. Ein Aufwärtswandler kann verwendet werden, um derartige LED-Ketten anzusteuern, da die typische Versorgungsspannung für derartige LED-Stränge (16–20 V) wesentlich höher ist als die Ausgangsspannung eines Li-Ionen-Batteriepacks (~3,7 V).
Da eine Hintergrundbeleuchtungsleistung die meiste Zeit für eine aktive Anwendung erforderlich ist, trägt die Effizienz des Aufwärtswandlers signifikant zu der Gesamtmobilitätszeit einer tragbaren Anwendung bei. Smartphones sind in Raum und Höhe beschränkt (insbesondere in Bezug auf die Induktoren, die für Schaltwandler verwendet werden). Folglich kann der Aufwärtswandler keine Spulen mit hoher Induktanz L verwenden. Als Ergebnis muss entweder der DCR der Spule oder die Schaltfrequenz erhöht werden. Beide Maßnahmen führen zu einer reduzierten Effizienz.
Das vorliegende Dokument betrifft insbesondere die Spannungsaufwärts(step-up)umwandlung für einen LED-Hintergrundbeleuchtungs-Treiber. Es sollte jedoch angemerkt werden, dass die in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Prinzipien im Allgemeinen auf alle Anwendungen anwendbar sind, die eine DC/DC-Aufwärtsumwandlung mit hoher Effizienz erfordern, insbesondere wenn aus Platzgründen niedrige Schaltfrequenzen nicht durch hohe Induktionsspulen erreicht werden können (wie zum Beispiel für den Aufwärtswandler eines verstärkten Klasse-D-Audioverstärkers).
Das vorliegende Dokument adressiert das technische Problem eines Vorsehens eines energieeffizienten und kompakten Aufwärtsleistungswandlers. Insbesondere betrifft das vorliegende Dokument ein Erhöhen einer LED-Hintergrundbeleuchtungs-Aufwärtswandlungseffizienz auf mehr als 93%, um eine Batteriemobilitätszeit zu erhöhen. Gleichzeitig soll der Leistungswandler eine reduzierte Materialliste (BOM – bill of material) zeigen und in den räumlichen Beschränkungen einer gegebenen Zielanwendung arbeiten. Somit soll der Leistungswandler die Verwendung von relativ kleinen Induktoren ermöglichen.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt wird ein spannungs- oder stromgesteuerter Leistungswandler beschrieben. Der Leistungswandler ist konfiguriert zum Ableiten von elektrischer Leistung mit einer Ausgangsspannung V_out an einem Ausgang des Leistungswandlers von elektrischer Leistung mit einer Eingangsspannung V_in an einem Eingang des Leistungswandlers. Insbesondere ist der Leistungswandler konfiguriert zum Ableiten von elektrischer Leistung mit einer Ausgangsspannung derart, dass die Ausgangsspannung V_out höher oder gleich der Eingangsspannung V_in ist. Die Ausgangsspannung kann verwendet werden zum Beispiel zum Versorgen einer seriellen Anordnung aus einer Vielzahl von SSL(Solid State Lighting)-Vorrichtungen (wie lichtemittierende Dioden (LED – light emitting diodes)). Die Leistung an dem Eingang des Leistungswandlers kann durch eine Batterie einer elektronischen Vorrichtung vorgesehen werden.
Der Leistungswandler weist einen Induktor, eine Vielzahl von Kondensatoren und eine Vielzahl von Schaltern auf. Ein Schalter der Vielzahl von Schaltern kann einen Metalloxid-Halbleiter(MOS – metaloxide semiconductor)-Transistor, zum Beispiel ein MOS-Feldeffekttransistor (MOSFET – MOS field effect transistor), aufweisen. Die oben angeführten Komponenten des Leistungswandlers können in einer Eingangseinheit und einer Ausgangseinheit des Leistungswandlers angeordnet sein oder diese bilden. Die Eingangseinheit und die Ausgangseinheit können über einen Zwischenpunkt (direkt) miteinander gekoppelt sein. Die Eingangseinheit kann (direkt) mit dem Eingang des Leistungswandlers gekoppelt sein und die Ausgangseinheit kann (direkt) mit dem Ausgang des Leistungswandlers gekoppelt sein. Somit können die Eingangseinheit und die Ausgangseinheit zusammen den Leistungswandler bilden. Die Ausgangseinheit weist (entweder) eine erste Ausgangsanordnung oder eine zweite Ausgangsanordnung auf. Weiter weist die Eingangseinheit (entweder) eine erste Eingangsanordnung oder eine zweite Eingangsanordnung auf.
Weiter weist der Leistungswandler eine Steuervorrichtung auf, die konfiguriert ist zum Steuern der Vielzahl von Schaltern derart, dass ein Kommutierungszyklus des Leistungswandlers eine Vielzahl oder eine Sequenz von verschiedenen Betriebsphasen aufweist. Die verschiedenen Betriebsphasen können verschiedene Konfigurationen des Induktors und der Vielzahl von Kondensatoren des Leistungswandlers aufweisen. Diese verschiedenen Konfigurationen können durch verschiedene Einstellungen (geschlossen oder offen) eines oder mehrerer Schalter(s) der Vielzahl von Schaltern erreicht werden. Die Sequenz der Betriebsphasen kann derart sein, dass während eines Kommutierungszyklus Leistung von dem Eingang des Leistungswandlers an den Ausgang des Leistungswandlers übertragen wird.
Die Steuervorrichtung kann konfiguriert sein zum Setzen der Dauer für jede der Vielzahl von Betriebsphasen derart, dass die Ausgangsspannung auf eine vorgegebene Referenzspannung geregelt wird, oder derart, dass der Ausgangsstrom an dem Ausgang des Leistungswandlers auf einen vorgegebenen Referenzstrom geregelt wird. Die Summe der Dauern einer Sequenz von Betriebsphasen eines Kommutierungszyklus entspricht der Dauer des Kommutierungszyklus und definiert somit die Betriebsfrequenz des Leistungswandlers.
Die vorgegebene Referenzspannung kann ein ganzzahliges Vielfaches der Eingangsspannung sein, wobei das ganzzahlige Vielfache typischerweise von der Anzahl von Kondensatoren des Leistungswandlers abhängt. Durch Betrieb des Leistungswandlers mit einem Wandlungsverhältnis, das eine Ganzzahl ist, kann eine optimale Effizienz erzielt werden.
Die erste Ausgangsanordnung kann einen zweiten Kondensator C2 und einen dritten Kondensator C3 aufweisen, die in Serie angeordnet sind. Die serielle Anordnung des zweiten Kondensators C2 und des dritten Kondensators C3 kann parallel zu einem positiven Kontakt und einem negativen Kontakt des Ausgangs des Leistungswandlers angeordnet sein. Die erste Ausgangsanordnung weist weiter einen Schalter S5 (als fünfter Schalter der Vielzahl von Schaltern bezeichnet) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des Zwischenpunkts mit dem positiven Kontakt des Ausgangs des Leistungswandlers. Weiter weist die erste Ausgangsanordnung einen Schalter S4 (als vierter Schalter der Vielzahl von Schaltern bezeichnet) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des Zwischenpunkts mit einem Mittelpunkt zwischen dem zweiten Kondensator und dem dritten Kondensator. Zusätzlich weist die erste Ausgangsanordnung einen Schalter S7 (als siebter Schalter der Vielzahl von Schaltern bezeichnet) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des Mittelpunkts zwischen dem zweiten Kondensator und dem dritten Kondensator mit Masse. Die erste Ausgangsanordnung weist weiter einen Schalter S6 (als sechster Schalter der Vielzahl von Schaltern bezeichnet) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des negativen Kontakts des Ausgangs des Leistungswandlers mit Masse. Somit kann die erste Ausgangsanordnung eine Ausgangsspannung vorsehen, die ein variierendes Referenzpotential (verschieden von Masse) zeigen kann.
Die zweite Ausgangsanordnung kann einen Ausgangskondensator C_out aufweisen, der parallel zwischen einem positiven Kontakt und einem negativen Kontakt des Ausgangs des Leistungswandlers angeordnet ist. Weiter kann die zweite Ausgangsanordnung einen zweiten Kondensator C2 aufweisen. Die zweite Ausgangsanordnung weist einen Schalter S6 (als sechster Schalter der Vielzahl von Schaltern bezeichnet) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln eines positiven Kontakts des Ausgangs des Leistungswandlers mit einem ersten Ende des zweiten Kondensators C2. Weiter weist die zweite Ausgangsanordnung einen Schalter S7 (als siebter Schalter der Vielzahl von Schaltern bezeichnet) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln eines zweiten Endes des zweiten Kondensators C2 mit Masse. In der zweiten Ausgangsanordnung kann ein negativer Kontakt des Ausgangs des Leistungswandlers (ständig) mit Masse gekoppelt sein. Somit kann die zweite Ausgangsanordnung eine Ausgangsspannung vorsehen, die ein festes Referenzpotential (d. h. Masse) zeigt.
Die zweite Ausgangsanordnung weist weiter einen Schalter S5 (als fünfter Schalter der Vielzahl von Schaltern bezeichnet) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des Zwischenpunkts mit dem ersten Ende des zweiten Kondensators. Weiter weist die zweite Ausgangsanordnung einen Schalter S4 (als vierter Schalter der Vielzahl von Schaltern bezeichnet) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des Zwischenpunkts mit dem zweiten Ende des zweiten Kondensators.
Auf der anderen Seite kann die erste Eingangsanordnung einen ersten Kondensator C1 und den Induktor L aufweisen. Zusätzlich weist die erste Eingangsanordnung einen Schalter S1 (als erster Schalter der Vielzahl von Schaltern bezeichnet) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln eines zweiten Endes des Induktors mit dem Zwischenpunkt. Ein erstes Ende des Induktors ist mit einem positiven Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers (direkt) gekoppelt und ein erstes Ende des ersten Kondensators ist mit dem Zwischenpunkt (direkt) gekoppelt. Durch Anordnen des Induktors direkt an dem Eingang des Leistungswandlers kann das Wandlungsverhältnis des Leistungswandlers erhöht werden (zum Beispiel maximiert).
Die erste Eingangsanordnung weist weiter einen Schalter S2 (als zweiter Schalter der Vielzahl von Schaltern bezeichnet) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des zweiten Endes des Induktors mit dem zweiten Ende des ersten Kondensators. Weiter weist die erste Eingangsanordnung einen Schalter S3 (als dritter Schalter der Vielzahl von Schaltern bezeichnet) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln eines zweiten Endes des ersten Kondensators mit Masse. Ein negativer Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers kann (direkt) mit Masse gekoppelt sein.
Die zweite Eingangsanordnung kann einen ersten Kondensator C1 und den Induktor L aufweisen. Die zweite Eingangsanordnung kann weiter einen Schalter S1 (als erster Schalter der Vielzahl von Schaltern bezeichnet) aufweisen, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln eines ersten Endes des Induktors mit einem positiven Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers. Ein zweites Ende des Induktors ist (direkt) gekoppelt mit dem Zwischenpunkt und ein erstes Ende des ersten Kondensators ist (direkt) gekoppelt mit einem ersten Ende des Induktors. Somit kann der Induktor zwischen dem ersten Kondensator und dem Zwischenpunkt angeordnet sein. Auf diese Weise kann eine optimale Effizienz bei reduzierten Wandlungsverhältnissen vorgesehen werden.
Weiter weist die zweite Eingangsanordnung einen Schalter S2 (als zweiter Schalter der Vielzahl von Schaltern bezeichnet) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des zweiten Endes des ersten Kondensators mit dem positiven Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers. Zusätzlich weist die zweite Eingangsanordnung einen Schalter S3 (als dritter Schalter der Vielzahl von Schaltern bezeichnet) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln eines zweiten Endes des ersten Kondensators mit Masse. Ein negativer Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers kann (direkt) mit Masse gekoppelt sein.
Der oben angeführte Leistungswandler ist konfiguriert zum Durchführen einer Aufwärtswandlung auf eine energieeffiziente Weise (insbesondere für ganzzahlige Wandlungsverhältnisse). Weiter weist der Leistungswandler eine relativ geringe Anzahl von Komponenten auf (insbesondere Schalter und/oder Kondensatoren) und kann mit relativ geringen räumlichen Anforderungen implementiert werden.
Die Sequenz von Betriebsphasen, die für den Betrieb des Leistungswandlers verwendet werden, sind typischerweise abhängig davon, ob die Eingangseinheit die erste Eingangsanordnung oder die zweite Eingangsanordnung aufweist, und/oder davon, ob die Ausgangseinheit die erste Ausgangsanordnung oder die zweite Ausgangsanordnung aufweist.
Die Vielzahl oder Sequenz von Betriebsphasen kann eine erste Phase aufweisen, während der der Induktor parallel zwischen dem positiven Kontakt und dem negativen Kontakt des Eingangs angeordnet ist. Die erste Phase kann verwendet werden zum Magnetisieren des Induktors, wodurch Energie oder Leistung in dem Induktor gespeichert wird. Weiter kann die Vielzahl oder Sequenz von Betriebsphasen eine zweite Phase aufweisen, während der eine serielle Anordnung des Induktors und des ersten Kondensators parallel zwischen dem positiven Kontakt und dem negativen Kontakt des Eingangs angeordnet ist. Die zweite Phase kann verwendet werden zum Übertragen von Energie oder Leistung von dem Induktor an den ersten Kondensator, wodurch der erste Kondensator geladen wird (zum Beispiel auf V_in oder mehr).
Die Vielzahl oder Sequenz von Betriebsphasen kann eine dritte Phase aufweisen, während der der eine oder mehrere Kondensator(en) der Ausgangseinheit parallel oder in Serie mit einer seriellen Anordnung des Induktors und des ersten Kondensators angeordnet ist/sind. Auf diese Weise kann Leistung von dem Induktor und/oder von dem ersten Kondensator an den einen oder mehrere Kondensator(en) der Ausgangseinheit übertragen werden (zum Beispiel an den zweiten oder dritten Kondensator und/oder an den Ausgangskondensator). Somit kann eine Leistungswandlung unter Verwendung einer Sequenz von Betriebsphasen erreicht werden, die die erste, zweite und dritte Betriebsphase umfassen.
Die Ausrichtung des ersten Kondensators kann derart sein, dass während der zweiten Phase der erste Kondensator eine Ausrichtung in Bezug auf den Induktor hat, die im Vergleich zu einer Ausrichtung des ersten Kondensators während der dritten Phase umgekehrt ist. Auf diese Weise kann ein Wandlungsverhältnis des Leistungswandlers erhöht werden. Insbesondere kann die umgekehrte Ausrichtung des ersten Kondensators eine Ausgangsspannung ermöglichen, die vier Mal höher als die Eingangsspannung ist.
Die Vielzahl von Betriebsphasen kann eine vierte Phase aufweisen, während der der eine oder die mehreren Kondensator(en) der Ausgangseinheit in Serie (nur) mit dem Induktor angeordnet ist/sind. Gleichzeitig kann der erste Kondensator von dem Eingang und dem Ausgang des Leistungswandlers entkoppelt werden. Durch Vorsehen einer Betriebsphase, die den ersten Kondensator nicht involviert, können Anteils(d. h. nicht-ganzzahlige)-Wandlungsverhältnisse vorgesehen werden, während eine hohe Effizienz des Leistungswandlers beibehalten wird.
Die Sequenz oder Vielzahl von Betriebsphasen kann derart sein, dass vor einer (zum Beispiel vor jeder) Betriebsphase, während der der Induktor mit der Ausgangseinheit gekoppelt ist, der Leistungswandler in einer Betriebsphase (zum Beispiel in der ersten Betriebsphase) betrieben wird, während der der Induktor magnetisiert wird (oder entmagnetisiert, abhängig von dem Verhältnis von V_out zu V_in). Auf diese Weise kann die Ausgangsspannungswelligkeit reduziert werden.
Die Sequenz oder Vielzahl von Betriebsphasen kann derart sein, dass vor einer (zum Beispiel vor jeder) Betriebsphase, während der der Induktor in Serie mit dem ersten Kondensator angeordnet ist, der Leistungswandler in einer Betriebsphase betrieben wird, während der der Induktor magnetisiert wird (oder entmagnetisiert, abhängig von dem Verhältnis von V_out zu V_in). Auf diese Weise kann die Ausgangsspannungswelligkeit reduziert werden.
Die Eingangseinheit kann eine Vielzahl von ersten Eingangsanordnungen oder eine Vielzahl von zweiten Eingangsanordnungen aufweisen. Die Vielzahl von ersten Eingangsanordnungen oder die Vielzahl von zweiten Eingangsanordnungen kann parallel zueinander angeordnet sein, zum Beispiel parallel zwischen dem Eingang des Leistungswandlers und dem Zwischenknoten. Die Steuervorrichtung kann konfiguriert sein zum Betreiben der Vielzahl von ersten und/oder zweiten Eingangsanordnungen in einer verschachtelten bzw. verschränkten (interleaved) Weise. Durch Verwendung einer Vielzahl von (parallelen) Eingangsanordnungen und durch Durchführen eines verschachtelten Betriebs kann die Ausgangsspannung/Ausgangsstromwelligkeit reduziert werden.
Die Vielzahl von ersten Eingangsanordnungen und/oder die Vielzahl von zweiten Eingangsanordnungen kann jeweils nur einen gemeinsamen einzelnen Induktor aufweisen. Auf diese Weise kann die Anzahl von Komponenten und die Kosten/Größe des Leistungswandlers reduziert werden.
Die Ausgangseinheit kann die zweite Ausgangsanordnung aufweisen, wobei die zweite Ausgangsanordnung weiter einen dritten Kondensator und einen achten Schalter aufweist. Der achte Schalter kann konfiguriert sein zum Koppeln eines ersten Endes des dritten Kondensators mit dem zweiten Ende des zweiten Kondensators. Ein zweites Ende des dritten Kondensators kann mit Masse gekoppelt sein. Die Steuervorrichtung kann konfiguriert sein zum Betreiben des Leistungswandlers in einer Phase, während der der zweite Kondensator und der dritte Kondensator in Serie angeordnet sind und parallel zu dem Ausgangskondensator. Während einer derartigen Phase kann Leistung von dem zweiten und dritten Kondensator an den Ausgangskondensator und/oder an den Ausgang des Leistungswandlers übertragen werden. Weiter kann die Steuervorrichtung konfiguriert sein zum Betreiben des Leistungswandlers in einer Phase, während der der zweite Kondensator und der dritte Kondensator parallel zueinander angeordnet sind und jeweils in Serie mit einer seriellen Anordnung des Induktors und des ersten Kondensators. Während einer solchen Phase kann Leistung von der Eingangseinheit zu dem zweiten und dem dritten Kondensator übertragen werden. Durch Verwendung eines dritten Kondensators in der zweiten Ausgangsanordnung kann die Ausgangsspannungswelligkeit reduziert werden.
Die Eingangseinheit kann eine Vielzahl von zweiten Eingangsanordnungen aufweisen. Weiter kann die Ausgangseinheit eine Vielzahl von zweiten Ausgangsanordnungen aufweisen. Die Steuervorrichtung kann konfiguriert sein zum Betreiben der Vielzahl von zweiten Eingangsanordnungen und/oder der Vielzahl von zweiten Ausgangsanordnungen auf eine verschachtelte bzw. verschränkte (interleaved) Weise. Das Vorsehen von verschachtelten Eingangs/Ausgangsanordnungen kann zu einer reduzierten Ausgangsspannungswelligkeit führen.
Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Betreiben einer Steuervorrichtung gemäß dem vorliegenden Dokument beschrieben.
Es sollte angemerkt werden, dass die Verfahren und Systeme, einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele, wie in dem vorliegenden Dokument dargelegt, eigenständig oder in Kombination mit den anderen Verfahren und Systemen verwendet werden können, die in diesem Dokument offenbart werden. Darüber hinaus sind die Merkmale, die in dem Kontext eines Systems dargelegt werden, auch auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Weiter können alle Aspekte der Verfahren und Systeme, die in dem vorliegenden Dokument dargelegt werden, beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche untereinander in beliebiger Weise kombiniert werden.
In dem vorliegenden Dokument bezeichnet der Begriff „koppeln” oder „gekoppelt” Elemente, die in elektrischer Verbindung miteinander sind, entweder direkt verbunden, zum Beispiel über Leitungen, oder auf andere Weise.
Kurze Beschreibung der Figuren
Die Erfindung wird im Folgenden auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei
1, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F, 1G, 1H beispielhafte Aufwärtsleistungswandler darstellen;
2 ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Erzeugen einer Ausgangsspannung aus einer Eingangsspannung zeigt;
3A bis 3J beispielhafte Betriebsphasen des Leistungswandlers von 1 zeigen;
4A bis 4H beispielhafte Betriebsphasen des Leistungswandlers von 1B zeigen;
5A bis 5D beispielhafte Betriebsphasen des Leistungswandlers von 1D zeigen;
6A bis 6L beispielhafte Betriebsphasen des Leistungswandlers von 1E zeigen.
Detaillierte Beschreibung
Wie oben dargelegt, betrifft das vorliegende Dokument ein Vorsehen eines kompakten Aufwärtsleistungswandlers mit einer höheren Wandlungseffizienz. Die Effizienz eines Aufwärtswandlers kann durch Verwendung eines mehrstufigen Aufwärtswandlers verbessert werden.
Alternativ oder zusätzlich können Aufwärtswandler kaskadiert sein, aber die Effizienzen von kaskadierten Stufen werden typischerweise multipliziert, was zu einer reduzierten Gesamteffizienz führt (zusätzlich zu einem Kosten- und Flächenbedarf). Die Nachteile von kaskadierten Wandlern können durch Verwendung einer nicht-regulierten geschalteten Kondensatorspannungsmultiplikation in zumindest einer der Stufen reduziert werden. Dies kann möglich sein, da Kondensatoren typischerweise viel kleiner sind als Induktoren mit ähnlichen Energiespeicherkapazität. Die resultierende Wandlungseffizienz einer kapazitiven Schaltstufe kann bis zu 98–99% sein.
Ein mehrstufiger Aufwärtswandler erfordert typischerweise eine höhere Anzahl (zum Beispiel zweimal) von Schaltern im Vergleich zu einem Standard-Aufwärtswandler. Jedoch sind zumindest die unteren und mittleren Schalter eines derartigen Wandlers nicht Spannungen von mehr als V_out/2 ausgesetzt, was die Verwendung von FETs mit reduzierten Betriebsspannungen ermöglicht, wodurch geringere Ein-Widerstände R_dson bei ähnlicher parasitärer Kapazität und reduziertem Sperrverzögerungsverlust vorgesehen werden. Im Folgenden werden mehrstufige Aufwärtswandler mit einer reduzierten Anzahl von Schaltern beschrieben.
1 zeigt ein Blockdiagramm eines beispielhaften mehrstufigen Aufwärtswandlers (in dem Kontext eines LED-Hintergrundbeleuchtungs-Szenarios). Der Wandler von 1 liefert eine optimale Wandlungseffizienz bei D = V_out/V_in ~ 4:1. Eine ähnliche optimale Wandlungseffizienz kann auch für D = 2:1 und D = 1:1 erzielt werden. Die verschiedenen möglichen Betriebsphasen des Wandlers von 1 werden in den 3A bis 3H dargestellt. Der Wandler von 1 ermöglicht eine hohe Effizienz (größer als 93%) bei den oben angeführten Wandlungsverhältnissen. Weiter erfordert der Wandler von 1 eine relativ geringe Anzahl von Schaltern S1 bis S7 sowie eine relativ geringe Anzahl von Kondensatoren C1, C2 und C3. Insbesondere der Wandler von 1 ermöglicht eine relativ niedrige Stromwelligkeit ohne eine Verwendung von zugeordneten Eingangs- und/oder Ausgangskondensatoren, die jeweils parallel zu dem Eingang und/oder dem Ausgang des Leistungswandlers angeordnet sind. Tatsächlich sehen die Kondensatoren C2 und C3 gemeinsam die Funktion eines Ausgangskondensators des Leistungswandlers vor, bei gleichzeitiger Beteiligung an Leistungswandleroperationen. Ein weiterer Vorteil des Wandlers von 1 ist, dass der Wandler nie Kondensatoren parallel verbindet und dadurch Einschaltströme und Verlust aus einer nicht-adiabatischen Ladungsumverteilung vermeidet.
Der Wandler von 1 kann in eine Eingangseinheit und eine Ausgangseinheit geteilt sein, wobei die Eingangseinheit und die Ausgangseinheit an einem Zwischenpunkt gekoppelt sind, der dem Mittelpunkt zwischen den Schaltern S1 und S5 entspricht.
Der Wandler von 1 kann unter Verwendung der in den 3A bis 3H gezeigten Betriebsphasen betrieben werden. Insbesondere können zumindest einige der Betriebsphasen von der Phase von 3A zu der Phase von 3H und zurück zu der Phase von 3A ausgeführt werden (während eines bestimmten Kommutierungszyklus).
Die in den 3C und 3G gezeigten Phasen sind optional und können verwendet werden, um eine Induktorstromwelligkeit zu reduzieren. Die Phasen der 3E und 3F sind ebenfalls optional. Daher kann der Wandler mit den vier Phasen betrieben werden, die in den 3A, 3B, 3D und 3H gezeigt werden.
Wie in den 3A bis 3H gezeigt, werden die Schalter S4–S7 nur einmal pro Zyklus hin- und hergeschaltet, wobei die Schalter S1–S3 mit der doppelten Frequenz geschaltet werden (wenn die Phase der 3F enthalten ist). Nur die Phasen von 3D und 3H liefern Strom in die Kondensatoren C2 oder C3. Bei einem Überspringen der Phase von 3F, sollte der Wert des Kondensators C1 typischerweise 2 × der Wert des Kondensators C2 ausgewählt werden.
Der Wert des Kondensators C2 ist typischerweise gleich dem Wert des Kondensators C3. Während aller anderen Phasen als die Phasen von 3D und 3H werden die Kondensatoren C2 und C3 von Last oder Ausgangsstrom entladen, wodurch eine Welligkeit auf der Ausgangsspannung auslöst wird. Die Phase von 3A (3C, 3E und 3F) erhöht den Induktorstrom, ohne die Ladung der Kondensatoren zu beeinflussen, und regelt dadurch den Ausgangsstrom/die Ausgangsspannung. Somit kann die Phase von 3A (3C, 3E und 3F), die hier auch als die erste Betriebsphase bezeichnet wird, zur Regelung der Ausgangsspannung des Leistungswandlers verwendet werden.
Bei einem Wandlungsverhältnis von weniger als D = V_out/V_in ~ 4 können modifizierte Betriebsphasen, wie in 3I und/oder 3J gezeigt, die die Phasen ersetzen, wie in 3A (3C, 3E und 3G) gezeigt, verwendet werden. Diese Betriebsphasen ermöglichen eine Ausgangsstrom/spannungssteuerung, die von einem Ausgleichen der Ladung von C1 unabhängig ist.
Für eine optimale Effizienz bei D~2 können die Schalter S4, S6 und S7 des Wandlers von 1 in einer offenen Konfiguration eingefroren werden. Wenn D auf ~1 (und darunter) fällt, kann eine optimale Effizienz erreicht werden durch Steuern des Wandlers zum Schalten wie ein Standard-Abwärtswandler (Umschalten zwischen geschlossenen Schaltern S1 mit S5 und S2 mit S3).
Die Dauer der Betriebsphasen der 3B, 3D, 3F und 3H kann derart gesteuert werden, dass die Ladung der Kondensatoren C1 bis C3 nicht über einen vollständige Kommutierungszyklus driftet (Beibehalten von typischerweise V_C2 = V_C3).
1B zeigt ein Blockdiagramm eines Leistungswandlers mit einer weiter reduzierten Ausgangsstrom/spannungswelligkeit. In dem Leistungswandler von 1B werden zwei Kondensatoren C1 und C2 auf abwechselnde Weise verwendet (im Vergleich zu dem Kondensator C1 in 1). Somit weist der Leistungswandler von 1B zwei Eingangsanordnungen auf, die auf verschachtelte Weise betrieben werden. Die Kondensatoren C3 und C4 von 1B entsprechen den Kondensatoren C2 und C3 von 1. Ähnlich zu 1 geht der Strom durch den Induktor nur durch drei serielle Schalter, bis er die Kondensatoren C3/C4 erreicht, und zeigt somit relativ geringe Schaltverluste. Ähnlich wie der Leistungswandler von 1 weist der Wandler von 1B keinen Eingangskondensator C_int auf und zeigt somit keine nicht-adiabatische Ladungsumverteilung.
Ein Vorteil des Leistungswandlers von 1B im Vergleich zu dem Leistungswandler von 1 ist der 2 × höhere Arbeitszyklus einer Stromlieferung an C3/C4. Auf diese Weise kann die Ausgangsstrom/spannungswelligkeit reduziert werden.
Die 4A bis 4H zeigen verschiedene Betriebsphasen, die sequentiell in einem Zyklus verwendet werden können, für einen Betrieb des Leistungswandlers von 1B. Wenn ein Wandlungsverhältnis V_out/V_in in dem Bereich von ~4 (oder 2 oder 1) ist, können die in den 4A (4C, 4E und 4G) gezeigten Betriebsphasen relativ kurz sein, so dass die Ausgangsspannungswelligkeit reduziert werden kann.
Der Strom durch die Schalter (zum Beispiel die FETs) des Leistungswandlers von 1B ist halbiert im Vergleich zu. dem Strom durch die Schalter von 1. Folglich kann die Größe der Schalter auf 50% reduziert werden. Folglich kann die Gesamtgröße des Leistungswandlers reduziert werden (im Vergleich zu dem Wandler von 1). Es sollte angemerkt werden, dass auf eine ähnliche Weise zu dem Leistungswandler von 1 mehrere Betriebsphasen der Phasen von 4A bis 4H optional sind und ausgelassen werden können. Typischerweise ist ein Minimum von 3 Phasen pro Zyklus ausreichend (zum Beispiel die Phasen der 4A, 4B, 4H). Die Reduzierung der Anzahl von Phasen kann verwendet werden, um den Arbeitszyklus einer Ausgangsstromlieferung zu erhöhen.
Wenn eine potentialfreie bzw. Floating-Masse (GND – ground) der Ausgangsspannung V_out (verursacht durch die Schalter S6/S7 in 1 oder durch die Schalter S11/S12 in 1B) nicht wünschenswert ist, kann der in 1C gezeigte Leistungswandler verwendet werden. Zu diesem Zweck unterscheidet sich die Ausgangsanordnung der Ausgangseinheit von 1C von der Ausgangsanordnung der Ausgangseinheit von 1 oder 1B.
Der Wandler von 1C zeigt eine relativ hohe Ausgangsspannungswelligkeit. Insbesondere ist der Wandler derart, dass Strom an den Ausgangskondensator C_out nur in einer Phase aus 3 bis 8 Phasen geliefert wird, wodurch eine bis zu 2 × höhere Ausgangsspannungswelligkeit im Vergleich zu dem Leistungswandler von 1 ausgelöst wird.
Der Leistungswandler von 1D teilt die Schaltkapazität C2 von dem Leistungswandler von 1C in ein paralleles/serielles Kondensatornetzwerk. Insbesondere wird der Schaltkondensator C2 in die Kondensatoren C2 und C3 aufgeteilt. Als Ergebnis davon wird die Anzahl von Phasen, in denen kein Strom von den Kondensatoren C2 und/oder C3 an den Ausgangskondensator C_out geliefert wird, auf eine aus 3 bis 4 Phasen reduziert. Dies ist zu sehen in der Sequenz von Betriebsphasen, die in den 5A bis 5D gezeigt werden. Insbesondere ist zu sehen, dass nur in der Phase von 5D kein Strom an den Ausgangskondensator C_out geliefert wird, während während der Phasen der 5A bis 5C Strom an den Ausgangskondensator C_out geliefert wird. Als Ergebnis davon wird die Ausgangsspannungswelligkeit reduziert.
Der Leistungswandler von 1D verwendet einen zusätzlichen Kondensator und einen weiteren Schalter (im Vergleich zu dem Leistungswandler von 1C). Weiter kann der Leistungswandler von 1D einen Einschaltstrom aus einer nicht-adiabatischen Ladungsumverteilung zwischen dem Ausgangskondensator C_out und der seriellen Anordnung der Kondensatoren C2 und C3 zeigen (siehe Phasen der 5A bis 5C).
Eine reduzierte Spannungswelligkeit ohne nicht-adiabatische Ladungsumverteilung kann durch Hinzufügen eines zweiten verschachtelten Schaltkondensatornetzwerks (Kondensatoren C3, C4) zu dem Leistungswandler von 1C implementiert werden. Ein derartiger Leistungswandler wird in 1E gezeigt. Eine Sequenz von Betriebsphasen des Leistungswandlers von 1E wird in den 6A bis 6L dargestellt.
Wie in den 6A bis 6L gezeigt, kann die Anzahl von Phasen pro Zyklus bis zu 12 Phasen sein (mit einer Minimumanzahl von 6 Phasen bei einem Auslassen der Phasen der 6C, 6E, 6F, 6G, 6I und 6K). Der Ladestrom der Kondensatoren C1 und C2 (der während der Betriebsphasen der 6G zu 6L auftritt) hängt von dem Wandlungsverhältnis D = V_out/V_in ab. Jedoch ist der Ladestrom der Kondensatoren C1 und C2 typischerweise größer als 2 × der mittlere Entladungs- oder Ausgangsstrom I_out (siehe die Betriebsphasen der 6B, 6D und 6F). Dies gilt für die Kondensatoren C3 und C4 auf ähnliche Weise und sollte bei einer Dimensionierung des Bereichs der Schalter S1 bis S12 des in 1E gezeigten Leistungswandlers berücksichtigt werden.
Ein weiterer beispielhafter Leistungswandler wird in 1F gezeigt. Der Leistungswandler von 1F ist ähnlich zu dem Leistungswandler von 1. Jedoch ist das größte Wandlungsverhältnis V_out/V_in mit optimaler Effizienz auf D ~ 3:1 reduziert (mit optimaler Effizienz auch bei ungefähr 2, 1,5 und 1). Dies wird durch Positionieren des Induktors L zwischen dem Kondensator C1 und den Kondensatoren C2 und C3 erreicht. Der Induktor L kann für einen bis zu 50% reduzierten Spitzennennstrom (im Vergleich zu dem Induktor L des Leistungswandlers von 1) gewählt werden, wodurch die Anforderungen und die Kosten für den Induktor reduziert werden.
Eine Variante des Leistungswandlers von 1F wird in 1G gezeigt. Der Leistungswandler von 1G ermöglicht eine feste Masse(GND)-Verbindung zwischen dem Eingang und dem Ausgang des Leistungswandlers. Der Leistungswandler von 1G liefert eine ähnliche Ausgangsstromwelligkeit wie der Leistungswandler von 1C.
Die Ausgangsstromwelligkeit des Leistungswandlers von 1G kann durch Anwenden zusätzlicher Schalter und fliegender Kondensatoren reduziert werden, wie in dem Kontext der Leistungswandler von 1 und 1B beschrieben.
Der in 1H gezeigte beispielhafte Leistungswandler ermöglicht eine optimale Effizienz bei einem Wandlungsverhältnis V_out/V_in ~ 4 und 3 (mit optimaler Effizienz auch bei etwa 2 und 1). Der Leistungswandler von 1H weist keinen Eingangskondensator C_int auf und zeigt keine nicht-adiabatische Ladungsumverteilung.
Der Leistungswandler von 1H wird derart betrieben, dass Strom jede 3. oder 4. Phase an den Ausgang geliefert wird. Als Ergebnis davon sollte der Ausgangskondensator C_out relativ groß sein und/oder die Schaltfrequenz sollte relativ hoch sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Ausgangsspannungswelligkeit durch Hinzufügen eines zweiten verschachtelten Schaltkondensatornetzwerks reduziert werden (ähnlich zu dem verschachtelten Schaltkondensatornetzwerk, das zum Beispiel für die Leistungswandler von 1B und 1E beschrieben wird).
2 zeigt ein Ablaufdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 200 zum Ableiten von elektrischer Leistung mit einer Ausgangsspannung V_out an einem Ausgang eines Leistungswandlers von einer elektrischen Leistung mit einer Eingangsspannung V_in an einem Eingang des Leistungswandlers. Die Ausgangsspannung V_out sollte größer oder gleich der Eingangsspannung V_in sein.
Das Verfahren 200 weist auf ein Vorsehen 201 eines Induktors L, einer Vielzahl von Kondensatoren C1, C2, C3, C_out und einer Vielzahl von Schaltern S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, die in einer Eingangseinheit und einer Ausgangseinheit des Leistungswandlers angeordnet sind. Die Ausgangseinheit weist (entweder) eine erste Ausgangsanordnung oder eine zweite Ausgangsanordnung auf. Die Eingangseinheit weist (entweder) eine erste Eingangsanordnung oder eine zweite Eingangsanordnung auf. Die Eingangseinheit und die Ausgangseinheit sind über einen Zwischenpunkt (direkt) gekoppelt 202. Insbesondere können die Eingangseinheit und die Ausgangseinheit über einen Zwischenpunkt (direkt) miteinander gekoppelt sein bei einem Zwischenpotential und über Masse (Massepotential).
Weiter weist das Verfahren 200 auf ein Steuern 203 der Vielzahl von Schaltern derart, dass ein Kommutierungszyklus des Leistungswandlers eine Vielzahl von verschiedenen Betriebsphasen aufweist. Insbesondere kann die Vielzahl von Schaltern gesteuert werden derart, dass ein Ausgangsstrom oder die Ausgangsspannung auf einen vorgegebenen Referenzstrom und/oder eine Referenzspannung geregelt werden. Auf beispielhafte Weise kann die Referenzspannung ein ganzzahliges Vielfaches der Eingangsspannung sein.
Die erste Ausgangsanordnung kann einen zweiten Kondensator C2 und einen dritten Kondensator C3 aufweisen, die in Serie angeordnet sind. Die serielle Anordnung des zweiten Kondensators C2 und des dritten Kondensators C3 kann parallel zu einem positiven Kontakt und einem negativen Kontakt des Ausgangs des Leistungswandlers angeordnet sein. Die erste Ausgangsanordnung wird zum Beispiel in den 1, 1B und/oder 1F gezeigt. Die erste Ausgangsanordnung weist weiter einen fünften Schalter S5 (der Vielzahl von Schaltern) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des Zwischenpunkts mit dem positiven Kontakt des Ausgangs des Leistungswandlers. Weiter weist die erste Ausgangsanordnung einen vierten Schalter S4 (der Vielzahl von Schaltern) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des Zwischenpunkts mit einem Mittelpunkt zwischen dem zweiten Kondensator und dem dritten Kondensator. Außerdem weist die erste Ausgangsanordnung einen siebten Schalter S7 (der Vielzahl von Schaltern) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des Mittelpunkts zwischen dem zweiten Kondensator und dem dritten Kondensator mit Masse. Die erste Ausgangsanordnung weist weiter einen sechsten Schalter S6 (der Vielzahl von Schaltern) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des negativen Kontakts des Ausgangs des Leistungswandlers mit Masse. Somit kann die erste Ausgangsanordnung eine Ausgangsspannung vorsehen, die ein variierendes Referenzpotential (verschieden von Masse) zeigen kann.
Die zweite Ausgangsanordnung kann einen Ausgangskondensator C_out aufweisen, der parallel zwischen einem positiven Kontakt und einem negativen Kontakt des Ausgangs des Leistungswandlers angeordnet ist. Weiter kann die zweite Ausgangsanordnung einen zweiten Kondensator C2 aufweisen. Die zweite Ausgangsanordnung wird zum Beispiel in den 1C, 1D, 1E, 1G und/oder 1H gezeigt. Die zweite Ausgangsanordnung weist einen sechsten Schalter S6 (der Vielzahl von Schaltern) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln eines positiven Kontakts des Ausgangs des Leistungswandlers mit einem ersten Ende des zweiten Kondensators C2. Weiter weist die zweite Ausgangsanordnung einen siebten Schalter S7 (der Vielzahl von Schaltern) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln eines zweiten Endes des zweiten Kondensators C2 mit Masse. In der zweiten Ausgangsanordnung kann ein negativer Kontakt des Ausgangs des Leistungswandlers (konstant) mit Masse gekoppelt sein. Somit kann die erste Ausgangsanordnung eine Ausgangsspannung vorsehen, die ein festes Referenzpotential (zum Beispiel Masse) zeigt.
Die zweite Ausgangsanordnung weist weiter einen fünften Schalter S5 (der Vielzahl von Schaltern) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des Zwischenpunkts mit dem ersten Ende des zweiten Kondensators. Weiter weist die zweite Ausgangsanordnung einen vierten Schalter S4 auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des Zwischenpunkts mit dem zweiten Ende des zweiten Kondensators.
Andererseits kann die erste Eingangsanordnung einen ersten Kondensator C1 und den Induktor L aufweisen. Die erste Eingangsanordnung wird zum Beispiel in den 1, 1B, 1C, 1D, 1E und/oder 1H gezeigt. Zusätzlich weist die erste Eingangsanordnung einen ersten Schalter S1 (der Vielzahl von Schaltern) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln eines zweiten Endes des Induktors mit dem Zwischenpunkt. Ein erstes Ende des Induktors ist (direkt) mit einem positiven Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers gekoppelt und ein erstes Ende des ersten Kondensators ist (direkt) mit dem Zwischenpunkt gekoppelt. Durch Anordnen des Induktors direkt an dem Eingang des Leistungswandlers kann das Wandlungsverhältnis des Leistungswandlers erhöht werden (zum Beispiel maximiert).
Die erste Eingangsanordnung weist weiter einen zweiten Schalter S2 (der Vielzahl von Schaltern) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des zweiten Endes des Induktors mit dem zweiten Ende des ersten Kondensators. Weiter weist die erste Eingangsanordnung einen dritten Schalter S3 (der Vielzahl von Schaltern) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln eines zweiten Endes des ersten Kondensators mit Masse. Ein negativer Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers kann (direkt) mit Masse gekoppelt sein.
Die zweite Eingangsanordnung kann einen ersten Kondensator C1 und den Induktor L aufweisen. Die zweite Eingangsanordnung wird zum Beispiel in den 1F und/oder 1G gezeigt. Die zweite Eingangsanordnung weist weiter einen ersten Schalter S1 (der Vielzahl von Schaltern) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln eines ersten Endes des Induktors mit einem positiven Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers. Ein zweites Ende des Induktors ist (direkt) mit dem Zwischenpunkt gekoppelt und ein erstes Ende des ersten Kondensators ist (direkt) mit einem ersten Ende des Induktors gekoppelt. Somit kann der Induktor zwischen dem ersten Kondensator und dem Zwischenpunkt angeordnet sein. Auf diese Weise können reduzierte Wandlungsverhältnisse vorgesehen werden.
Weiter weist die zweite Eingangsanordnung einen zweiten Schalter S2 (der Vielzahl von Schaltern) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln des zweiten Endes des ersten Kondensators mit dem positiven Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers. Zusätzlich weist die zweite Eingangsanordnung einen dritten Schalter S3 (der Vielzahl von Schaltern) auf, der konfiguriert ist zum (direkten) Koppeln eines zweiten Endes des ersten Kondensators mit Masse. Ein negativer Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers kann (direkt) mit Masse gekoppelt sein.
Somit wird die Verwendung von mehrstufigen Aufwärtswandlern mit niedrigem Betriebsfrequenzschalten als hocheffiziente Spannungsaufwärtswandler beschrieben, insbesondere in dem Kontext von LCD-Hintergrundbeleuchtungstreibern für serielle LED-Ketten. Die BOM von solchen Wandlern kann reduziert sein und/oder die Größe der Ausgangskondensatoren (für reduzierte Ausgangsspannungswelligkeit) kann unter Verwendung der beschriebenen Topologien einer geschalteten kapazitiven Multipliziererschaltung in Kombination mit einer mehrstufigen Schaltzelle reduziert werden.
Insbesondere beschreibt das vorliegende Dokument die Verwendung von mehrstufigen Niederfrequenz-Aufwärtswandlern in Kombination mit Spulen niedriger Induktanz, insbesondere für eine LED-Hintergrundbeleuchtungs-Aufwärtswandlung. Die beschriebenen Leistungswandler weisen eine relativ geringe Anzahl von Schaltkondensatoren auf, um einen mehrstufigen Niederfrequenz-Schalt-Aufwärtswandler mit einem relativ hohen V_out/V_in Wandlungsverhältnis in Kombination mit einem kleinen einzelnen Induktor und/oder einer niedrigen Ausgangskapazität vorzusehen.
Die Verwendung von mehrstufigen Schaltzellen für die Aufwärtswandlung von Hintergrundbeleuchtungsaufwärtsreglern ermöglicht eine reduzierte Induktorwelligkeit und dadurch niedrige Schaltfrequenzen oder Betriebsfrequenzen in Kombination mit geringer Induktanz (d. h. kleine Spulen). Die niedrige Schaltfrequenz und das reduzierte DCR (von geringer Induktanz) erhöht eine Wandlungseffizienz (d. h. eine Verlustleistung wird reduziert). Unter Verwendung einer optimierten Anordnung von Schaltzellen kann die Anzahl von Schaltkondensatoren reduziert werden (wie zum Beispiel in dem Kontext der 1, 1C, 1D, 1F und/oder 1G gezeigt). Weiter kann eine Ausgangsstromwelligkeit und damit der Umfang der Kapazität (C3 & C4 oder C_out) reduziert werden (zum Beispiel unter Verwendung der Leistungswandler von 1B, 1D und/oder 1E).
Es sollte angemerkt werden, 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, obwohl hier nicht explizit beschrieben oder dargestellt, die Prinzipien der Erfindung darstellen und in ihrem Sinn und Umfang enthalten sind. Darüber hinaus sind alle Beispiele und Ausführungsbeispiele, die in dem vorliegenden Dokument dargelegt werden, hauptsächlich ausdrücklich nur zu Zwecken einer Erläuterung vorgesehen, um den Leser bei einem Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu unterstützen. Weiter sollen alle hier gemachten Aussagen, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung vorsehen, sowie spezifische Beispiele davon, deren Äquivalente umfassen.

Claims

Ein spannungs- oder stromgeregelter Leistungswandler, wobei – der Leistungswandler konfiguriert ist zum Ableiten von elektrischer Leistung mit einer Ausgangsspannung V_out an einem Ausgang des Leistungswandlers von elektrischer Leistung mit einer Eingangsspannung V_in an einem Eingang des Leistungswandlers; – die Ausgangsspannung V_out größer oder gleich zu der Eingangsspannung V_in ist; – der Leistungswandler einen Induktor (L), eine Vielzahl von Kondensatoren (C1, C2, C3, C_out) und eine Vielzahl von Schaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7) aufweist, die in einer Eingangseinheit und einer Ausgangseinheit des Leistungswandlers angeordnet sind; – die Eingangseinheit und die Ausgangseinheit über einen Zwischenpunkt gekoppelt sind; – die Ausgangseinheit eine erste Ausgangsanordnung oder eine zweite Ausgangsanordnung aufweist; – die Eingangseinheit eine erste Eingangsanordnung oder eine zweite Eingangsanordnung aufweist; – der Leistungswandler eine Steuervorrichtung aufweist, die konfiguriert ist zum Steuern der Vielzahl von Schaltern derart, dass ein Kommutierungszyklus des Leistungswandlers eine Vielzahl von verschiedenen Betriebsphasen aufweist; – die erste Ausgangsanordnung aufweist – einen zweiten Kondensator (C2) und einen dritten Kondensator (C3), die in Serie angeordnet sind, wobei die serielle Anordnung des zweiten und des dritten Kondensators parallel zu einem positiven und einem negativen Kontakt des Ausgangs des Leistungswandlers angeordnet ist; – einen fünften Schalter (S5), der konfiguriert ist zum Koppeln des Zwischenpunkts mit dem positiven Kontakt des Ausgangs; – einen vierten Schalter (S4), der konfiguriert ist zum Koppeln des Zwischenpunkts mit einem Mittelpunkt zwischen dem zweiten Kondensator und dem dritten Kondensator; – einen siebten Schalter (S7), der konfiguriert ist zum Koppeln des Mittelpunkts mit Masse; und – einen sechsten Schalter (S6), der konfiguriert ist zum Koppeln des negativen Kontakts des Ausgangs mit Masse; – die zweite Ausgangsanordnung aufweist – einen Ausgangskondensator (C_out), der parallel zwischen einem positiven Kontakt und einem negativen Kontakt des Ausgangs des Leistungswandlers angeordnet ist; – einen zweiten Kondensator (C2); – einen sechsten Schalter (S6), der konfiguriert ist zum Koppeln eines positiven Kontakts des Ausgangs des Leistungswandlers mit einem ersten Ende des zweiten Kondensators; – einen siebten Schalter (S7), der konfiguriert ist zum Koppeln eines zweiten Endes des zweiten Kondensators mit Masse; wobei ein negativer Kontakt des Ausgangs des Leistungswandlers mit Masse gekoppelt ist; – einen fünften Schalter (S5), der konfiguriert ist zum Koppeln des Zwischenpunkts mit dem ersten Ende des zweiten Kondensators; und – einen vierten Schalter (S4), der konfiguriert ist zum Koppeln des Zwischenpunkts mit dem zweiten Ende des zweiten Kondensators; – die erste Eingangsanordnung aufweist – einen ersten Kondensator (C1) und den Induktor (L); – einen ersten Schalter (S1), der konfiguriert ist zum Koppeln eines zweiten Endes des Induktors mit dem Zwischenpunkt; wobei ein erstes Ende des Induktors mit einem positiven Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers gekoppelt ist; wobei ein erstes Ende des ersten Kondensators mit dem Zwischenpunkt gekoppelt ist; – einen zweiten Schalter (S2), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Endes des Induktors mit dem zweiten Ende des ersten Kondensators; und – einen dritten Schalter (S3), der konfiguriert ist zum Koppeln eines zweiten Endes des ersten Kondensators mit Masse; wobei ein negativer Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers mit Masse gekoppelt ist; und – die zweite Eingangsanordnung aufweist – einen ersten Kondensator (C1) und den Induktor (L); – einen ersten Schalter (S1), der konfiguriert ist zum Koppeln eines ersten Endes des Induktors mit einem positiven Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers; wobei ein zweites Ende des Induktors mit dem Zwischenpunkt gekoppelt ist; wobei ein erstes Ende des ersten Kondensators mit einem ersten Ende des Induktors gekoppelt ist; – einen zweiten Schalter (S2), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Endes des ersten Kondensators mit dem positiven Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers; und – einen dritten Schalter (S3), der konfiguriert ist zum Koppeln eines zweiten Endes des ersten Kondensators mit Masse; wobei ein negativer Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers mit Masse gekoppelt ist.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei die Vielzahl von Betriebsphasen aufweist – eine erste Phase, während der der Induktor parallel zwischen dem positiven Kontakt und dem negativen Kontakt des Eingangs angeordnet ist; und – eine zweite Phase, während der eine serielle Anordnung des Induktors und des ersten Kondensators parallel zwischen dem positiven Kontakt und dem negativen Kontakt des Eingangs angeordnet ist.
Der Leistungswandler gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vielzahl von Betriebsphasen eine dritte Phase aufweist, während der ein oder mehrere Kondensator(en) der Ausgangseinheit parallel zu einer seriellen Anordnung des Induktors und des ersten Kondensators angeordnet ist/sind.
Der Leistungswandler gemäß Anspruch 3 unter Rückbezug auf Anspruch 2, wobei während der zweiten Phase der erste Kondensator eine Ausrichtung in Bezug auf den Induktor hat, die im Vergleich zu einer Ausrichtung während der dritten Phase umgekehrt ist.
Der Leistungswandler gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vielzahl von Betriebsphasen eine vierte Phase aufweist, während der – der eine oder die mehreren Kondensator(en) der Ausgangseinheit in Serie mit dem Induktor angeordnet ist/sind; und – der erste Kondensator von dem Eingang und dem Ausgang des Leistungswandlers entkoppelt ist.
Der Leistungswandler gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vielzahl von Betriebsphasen derart ist, dass vor einer Betriebsphase, während der der Induktor mit der Ausgangseinheit gekoppelt ist, der Leistungswandler in einer Betriebsphase betrieben wird, während der der Induktor magnetisiert oder entmagnetisiert ist, abhängig von dem Verhältnis der Ausgangsspannung V_out zu der Eingangsspannung V_in.
Der Leistungswandler gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Vielzahl von Betriebsphasen derart ist, dass vor einer Betriebsphase, während der der Induktor in Serie mit dem ersten Kondensator gekoppelt ist, der Leistungswandler in einer Betriebsphase betrieben wird, während der der Induktor magnetisiert oder entmagnetisiert ist, abhängig von dem Verhältnis der Ausgangsspannung V_out zu der Eingangsspannung V_in.
Der Leistungswandler gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei – die Eingangseinheit eine Vielzahl von ersten Eingangsanordnungen oder eine Vielzahl von zweiten Eingangsanordnungen aufweist; und – die Steuervorrichtung konfiguriert ist, die Vielzahl von ersten und/oder zweiten Eingangsanordnungen in einer verschachtelten bzw. verschränkten (interleaved) Weise zu betreiben.
Der Leistungswandler gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei – die Eingangseinheit eine Vielzahl von ersten Eingangsanordnungen oder eine Vielzahl von zweiten Eingangsanordnungen aufweist; und – die Vielzahl von ersten Eingangsanordnungen und/oder die Vielzahl von zweiten Eingangsanordnungen jeweils einen gemeinsamen einzelnen Induktor aufweisen.
Der Leistungswandler gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei – die Ausgangseinheit die zweite Ausgangsanordnung aufweist; – die zweite Ausgangsanordnung einen dritten Kondensator und einen achten Schalter aufweist; – der achte Schalter konfiguriert ist zum Koppeln eines ersten Endes des dritten Kondensators mit dem zweiten Ende des zweiten Kondensators; – ein zweites Ende des dritten Kondensators mit Masse gekoppelt ist; und – die Steuervorrichtung konfiguriert ist zum Betreiben des Leistungswandlers in – einer Phase, während der der zweite Kondensator und der dritte Kondensator in Serie angeordnet sind und parallel zu dem Ausgangskondensator; und – einer Phase während der der zweite Kondensator und der dritte Kondensator parallel zueinander und jeweils in Serie mit einer seriellen Anordnung des Induktors und des ersten Kondensators angeordnet sind.
Der Leistungswandler gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei – die Eingangseinheit eine Vielzahl von zweiten Eingangsanordnungen aufweist; – die Ausgangseinheit eine Vielzahl von zweiten Ausgangsanordnungen aufweist; – die Steuervorrichtung konfiguriert ist zum Betreiben der Vielzahl von zweiten Eingangsanordnungen und/oder der Vielzahl von zweiten Ausgangsanordnungen auf eine verschachtelte Weise.
Der Leistungswandler gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei ein Schalter einen Metalloxid-Halbleiter-Transistor aufweist.
Der Leistungswandler gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei die Steuervorrichtung konfiguriert ist zum Setzen der Dauer von jeder der Vielzahl von Betriebsphasen derart, dass die Ausgangsspannung auf eine vorgegebene Referenzspannung geregelt wird; wobei die vorgegebene Referenzspannung ein ganzzahliges Vielfaches der Eingangsspannung ist.
Der Leistungswandler gemäß einem vorhergehenden Anspruch, wobei der Ausgang des Leistungswandlers mit einer seriellen Anordnung einer Vielzahl von SSL(solid state lightning)-Vorrichtungen gekoppelt ist.
Ein Verfahren (200) zum Ableiten von elektrischer Leistung mit einer Ausgangsspannung V_out an einem Ausgang eines Leistungswandlers von elektrischer Leistung mit einer Eingangsspannung V_in an einem Eingang des Leistungswandlers, wobei die Ausgangsspannung V_out größer oder gleich zu der Eingangsspannung V_in ist; wobei das Verfahren (200) aufweist – Vorsehen (201) eines Induktors (L), einer Vielzahl von Kondensatoren (C1, C2, C3, C_out) und einer Vielzahl von Schaltern (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7), die in einer Eingangseinheit und einer Ausgangseinheit angeordnet sind; wobei die Ausgangseinheit eine erste Ausgangsanordnung oder eine zweite Ausgangsanordnung aufweist; und wobei die Eingangseinheit eine erste Eingangsanordnung oder eine zweite Eingangsanordnung aufweist; – Koppeln (202) der Eingangseinheit und der Ausgangseinheit über einen Zwischenpunkt; – Steuern (203) der Vielzahl von Schaltern derart, dass ein Kommutierungszyklus des Leistungswandlers eine Vielzahl von verschiedenen Betriebsphasen aufweist; wobei – die erste Ausgangsanordnung aufweist – einen zweiten Kondensator (C2) und einen dritten Kondensator (C3), die in Serie angeordnet sind, wobei die serielle Anordnung des zweiten und des dritten Kondensators parallel zu einem positiven und einem negativen Kontakt des Ausgangs des Leistungswandlers angeordnet ist; – einen fünften Schalter (S5), der konfiguriert ist zum Koppeln des Zwischenpunkts mit dem positiven Kontakt des Ausgangs; – einen vierten Schalter (S4), der konfiguriert ist zum Koppeln des Zwischenpunkts mit einem Mittelpunkt zwischen dem zweiten Kondensator und dem dritten Kondensator; – einen siebten Schalter (S7), der konfiguriert ist zum Koppeln des Mittelpunkts mit Masse; und – einen sechsten Schalter (S6), der konfiguriert ist zum Koppeln des negativen Kontakts des Ausgangs mit Masse; – die zweite Ausgangsanordnung aufweist – einen Ausgangskondensator (C_out), der parallel zwischen einem positiven Kontakt und einem negativen Kontakt des Ausgangs des Leistungswandlers angeordnet ist; – einen zweiten Kondensator (C2); – einen sechsten Schalter (S6), der konfiguriert ist zum Koppeln eines positiven Kontakts des Ausgangs des Leistungswandlers mit einem ersten Ende des zweiten Kondensators; – einen siebten Schalter (S7), der konfiguriert ist zum Koppeln eines zweiten Endes des zweiten Kondensators mit Masse; wobei ein negativer Kontakt des Ausgangs des Leistungswandlers mit Masse gekoppelt ist; – einen fünften Schalter (S5), der konfiguriert ist zum Koppeln des Zwischenpunkts mit dem ersten Ende des zweiten Kondensators; und – einen vierten Schalter (S4), der konfiguriert ist zum Koppeln des Zwischenpunkts mit dem zweiten Ende des zweiten Kondensators; – die erste Eingangsanordnung aufweist – einen ersten Kondensator (C1) und den Induktor (L); – einen ersten Schalter (S1), der konfiguriert ist zum Koppeln eines zweiten Endes des Induktors mit dem Zwischenpunkt; wobei ein erstes Ende des Induktors mit einem positiven Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers gekoppelt ist; wobei ein erstes Ende des ersten Kondensators mit dem Zwischenpunkt gekoppelt ist; – einen zweiten Schalter (S2), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Endes des Induktors mit dem zweiten Ende des ersten Kondensators; und – einen dritten Schalter (S3), der konfiguriert ist zum Koppeln eines zweiten Endes des ersten Kondensators mit Masse; wobei ein negativer Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers mit Masse gekoppelt ist; und – die zweite Eingangsanordnung aufweist – einen ersten Kondensator (C1) und den Induktor (L); – einen ersten Schalter (S1), der konfiguriert ist zum Koppeln eines ersten Endes des Induktors mit einem positiven Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers; wobei ein zweites Ende des Induktors mit dem Zwischenpunkt gekoppelt ist; wobei ein erstes Ende des ersten Kondensators mit einem ersten Ende des Induktors gekoppelt ist; – einen zweiten Schalter (S2), der konfiguriert ist zum Koppeln des zweiten Endes des ersten Kondensators mit dem positiven Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers; und – einen dritten Schalter (S3), der konfiguriert ist zum Koppeln eines zweiten Endes des ersten Kondensators mit Masse; wobei ein negativer Kontakt des Eingangs des Leistungswandlers mit Masse gekoppelt ist.