DE102014106417A1

DE102014106417A1 - Systeme und Verfahren zum Eliminieren von Übergangsverlusten in DC-DC-Wandlern

Info

Publication number: DE102014106417A1
Application number: DE102014106417.8A
Authority: DE
Inventors: James Jason LoCascio
Original assignee: Maxim Integrated Products Inc
Current assignee: Maxim Integrated Products Inc
Priority date: 2013-05-09
Filing date: 2014-05-08
Publication date: 2014-11-13
Also published as: US20150022167A1; US9608517B2; CN104143909B; CN104143909A

Abstract

Verschiedene Ausführungsformen der Erfindung reduzieren Schaltverluste, die mit bestehendem Schalten bei von Null verschiedener Spannung und von Null verschiedenem Strom in DC-DC-Wandlern verknüpft sind, ohne die Notwendigkeit einer Resonanzauslegung. Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung sehen verbesserten Wirkungsgrad vor durch Reduzieren von Schaltverlusten, die auf gleichzeitiges Vorhandensein von Strom und Spannung über Schaltbauteilen für hohe Leistung zurückzuführen sind. In bestimmten Ausführungsformen wird dies erreicht durch Einfügen einer relativ kleinen Induktivität und zweier Schaltelemente in verschiedene Schaltregler-Topologien. Die in der Induktivität gespeicherte Energie wird für den Übergang des Ausgangs des Schaltwandlers verwendet, um Nullspannungsschalten und Nullstromschalten zu erreichen.

Description

Hintergrund
A. Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft induktive Schaltwandler und genauer Systeme, Vorrichtungen und Verfahren zum Verwenden von Nullstrom- und Nullspannungsschalten, um Übergangsverluste bei DC-DC-Wandlern zu reduzieren.
B. Hintergrund der Erfindung
Die Elektronikindustrie forderte ständig höhere Schaltregler-Wirkungsgrade. Schaltregler übertragen Energie von einem bestimmten Eingangsspannungspegel auf einen höheren oder niedrigeren Ausgangsspannungspegel zum Abgeben an eine Last. Induktive Schaltwandler nutzen eine wichtige physikalische Eigenschaft von Induktivitäten, den Widerstand gegen alle Änderungen an dem Strom, der durch die Induktivität fließt, um eine Eingangsspannung in eine gewünschte Ausgangsspannung umzuwandeln. Der Pegel der Ausgangsspannung wird durch Steuern des Betriebs aktiver Schaltelemente im Schaltregler eingestellt.
Typische Wirkungsgrade von DC-DC-Wandlern erreichten ungefähr 96%, sodass eine Reduzierung der Leistungsverluste um ein oder zwei zusätzliche Prozent bestehende Leistungsverluste um bis zu 50% reduzieren kann. Neben Leitungsverlusten in den eingeschalteten aktiven Bauteilen, die typischerweise Transistor-Leistungsschalter sind, besteht eine Hauptquelle der Verlustleistung bei Schaltreglern aus Übergangsverlusten. Es gibt zwei Arten von Übergangsverlusten, die während des Schaltvorgangs auftreten; die erste Art ist kapazitiver Verlust, der vom Laden und Entladen einer parasitären Kapazität am Schaltknoten des Wandlers herrührt. Die zweite Art von Übergangsverlust ist Leitungsverlust, der mit Einschalten eines Leistungsschalters verknüpft ist, wenn gleichzeitig eine hohe Spannung und ein von Null verschiedener Induktivitätsstrom vorhanden sind. Diese zweite Art von Übergangsverlust wird verschlimmert durch Erholungs-Rückwärtsstrom im Leistungsschalter, weil die Bodydiode im Schalter in Durchlassrichtung gepolt ist.
Einige bestehende Ansätze reduzieren Schalt-Leistungsverluste durch Vermeiden von Übergängen von einer niedrigen Spannung zu einer hohen Spannung durch Anwenden von Verfahren des Zero Voltage Switching (ZVS, Nullspannungsschalten) oder Zero Current Switching (ZCS, Nullstromschalten). Um ZVS durchzuführen, muss definitionsgemäß die Spannung über einem Schalter zu dem Zeitpunkt, da der Schalter eingeschaltet wird, bei oder nahe einem Wert Null liegen. Jedoch weisen bestehende ZVS- oder ZCS-Topologien größere Nachteile auf. Beispielsweise erfordern ZVS- oder ZCS-Abwärtswandler-Topologien (verlustbehafteten) diskontinuierlichen Strommodus-Betrieb mit mittleren Induktivitäts-Stromwerten, die ungefähr zweimal größer sein müssen als der Ausgangsstrom, da die Induktivität Null erreichen muss, damit der Schaltregler tatsächlich ZVS oder ZCS durchführt. Ein Ausgangsstrom von 10 A erfordert beispielsweise typischerweise einen Spitzenstrom von 20 A. Bestehende ZVS- oder ZCS-Topologien erfordern definitionsgemäß einen Induktivitätsstrom, der sich Null nähert; somit sind Leitungsverluste typischerweise mehr als doppelt so hoch wie bei kontinuierlichen Abwärtswandlern, die sehr niedrigen Welligkeitsgehalt aufweisen. Alternative Ansätze gehen dieses Problem an, indem sie Topologien entweder mit Resonanz oder kritischer Leitung verwenden. Jedoch schaffen diese Ansätze mehr Probleme als sie lösen und führen aufgrund erhöhter Leitungsverluste, die mit Topologien mit Resonanz oder kritischer Leitung verknüpft sind, nicht zu höherem Systemwirkungsgrad bei höheren Welligkeitsströmen. Benötigt werden Werkzeuge für Schaltregler-Entwickler, um die oben beschriebenen Beschränkungen zu überwinden.
Zusammenfassung der Erfindung
Ausführungsformen der Erfindung beseitigen wirksam Verluste, die mit hartem Schalten von Leistungs-MOSFETs in verschiedenen Schaltregler-Topologien verknüpft sind, die kontinuierliches Stromwandler-Schalten verwenden. Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung schaffen reduzierte Übergangsverluste durch Verwenden eines neuartigen ZVS-Verfahrens, das ermöglicht, dass beide Spannungsübergänge ohne Aktivieren des MOSFET-Leistungsschalters erfolgen; einer neuartigen Art von ZCS-Schalten, die ermöglicht, dass der Strom in einem MOSFET-Leistungsschalter nahe bei Null liegt, bevor der Schalter aktiviert wird, wodurch der Stromverlustfaktor im Schalter beim Übergang beseitigt ist, wenn Spannung über dem Schalter ansteht; und einer neuartigen Art von Schalten, die hier als Negative Current Switching (NCS, Negativstromschalten) bezeichnet ist; diese Terminologie ist Fachleuten nicht geläufig. NCS ermöglicht weitere Reduktion von Schaltverlusten durch Schalten zu einem Zeitpunkt, wenn der Strom in derselben Richtung fließt, in die der Schalter einen mit dem Schalter gekoppelten Spannungsknoten zu bewegen versucht.
Bestimmte Ausführungsformen der Erfindung ermöglichen es, Verluste zu eliminieren, die mit Bodydioden-Rück-Erholungsstrom in Leistungs-MOSFET-Bodydioden verknüpft sind, und beseitigen dadurch die Notwendigkeit zusätzlicher, recht komplexer Schaltungen zum Minimieren von Bodydioden-Rück-Erholungsströmen.
Insbesondere wird in bestimmten Ausführungsformen Nullspannungsschalten und Nullstromschalten erreicht durch Einfügen einer Induktivität relativ niedrigen Werts in Reihe mit einer Induktivität höheren Werts in einem Schaltregler; Einfügen zweier Schaltbauteile in den Ausgangspfad; und zeitliches Abstimmen aller Schaltbauteile derart, dass sie die in der Induktivität niedrigen Werts gespeicherte Energie veranlassen, ZCS, NCS oder Übergang des Ausgangsknotens von einer Spannung zu einer anderen Spannung ohne Leistungsverluste zu ermöglichen, die sonst mit widerstandsbehafteten Schaltern verknüpft sind. In einigen Ausführungsformen wird ein High-Side-Schalter betrieben, ZVS durchzuführen, während ein zweiter High-Side-Schalter betrieben wird, selektiv eins aus ZVS, NCS oder ZCS durchzuführen.
Bestimmte Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung wurden hier allgemein beschrieben; zusätzliche, hier vorgestellte Eigenschaften, Vorteile und Ausführungsformen werden jedoch einem gewöhnlichen Fachmann angesichts der Zeichnung, der Beschreibung und der Ansprüche davon offensichtlich. Demgemäß sollte verstanden werden, dass der Umfang der Erfindung nicht durch die in diesem zusammenfassenden Abschnitt offenbarten besonderen Ausführungsformen eingeschränkt sein soll.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nun ist Bezug auf Ausführungsformen der Erfindung genommen, von denen Beispiele in den begleitenden Figuren dargestellt sein können. Es ist beabsichtigt, dass diese Figuren nur veranschaulichend, nicht einschränkend sind. Obwohl die Erfindung allgemein im Kontext dieser Ausführungsformen beschrieben ist, versteht es sich, dass nicht beabsichtigt ist, den Umfang der Erfindung auf diese besonderen Ausführungsformen zu beschränken.
1A ist ein Schaltbild eines Abwärtswandlers nach dem Stand der Technik.
1B stellt ein typisches Zeitdiagramm nach dem Stand der Technik für den Abwärtswandler nach dem Stand der Technik von 1A dar.
2 ist ein Schaltbild einer veranschaulichenden Abwärtswandlerschaltung, die Nullstromschalten oder Negativstromschalten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet.
3 stellt eine idealisierte Version eines typischen Zeitdiagramms für die Abwärtswandlerschaltung in 2 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar.
4A bis 4E stellen beispielhafte Stromverteilungen zwischen zwei Reiheninduktivitäten der Abwärtswandlerschaltung in 2 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar.
5 zeigt eine Teilansicht des Zeitdiagramms in 3.
6 ist ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Ablaufs für Nullspannungsschalten, Nullstromschalten oder Negativstromschalten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung.
7 ist ein Schaltbild einer veranschaulichenden Aufwärtswandlerschaltung, die Nullspannungsschalten, Nullstromschalten oder Negativstromschalten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet.
8 stellt ein typisches Zeitdiagramm für die Aufwärtswandlerschaltung in 7 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar.
9 ist ein Schaltbild einer veranschaulichenden Ab-/Aufwärtswandlerschaltung, die Nullspannungsschalten, Nullstromschalten oder Negativstromschalten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet.
10 stellt ein typisches Zeitdiagramm für die Ab-/Aufwärtswandlerschaltung in 9 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar.
11 stellt ein typisches Zeitdiagramm für die Abwärtswandlerschaltung in 2 dar, die Nullspannungsschalten und Nullstromschalten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet.
Genaue Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
In der folgenden Beschreibung sind zum Zweck der Erläuterung besondere Einzelheiten dargelegt, um ein Verständnis der Erfindung zu gewährleisten. Einem Fachmann wird jedoch offensichtlich sein, dass die Erfindung ohne diese Einzelheiten umgesetzt werden kann. Ein Fachmann wird anerkennen, dass unten beschriebene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in einer Vielfalt von Weisen und unter Verwendung einer Vielfalt von Mitteln durchgeführt werden können. Fachleute werden auch anerkennen, dass zusätzliche Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsformen in ihrem Umfang liegen, ebenso zusätzliche Gebiete, auf denen die Erfindung Nützlichkeit vorsehen kann. Demgemäß sind die unten beschriebenen Ausführungsformen erläuternd für bestimmte Ausführungsformen der Erfindung und sind dazu gedacht, Verschleiern der Erfindung zu vermeiden.
Bezugnahme in der Beschreibung auf „eine Ausführungsform” bedeutet, dass ein in Verbindung mit der Ausführungsform beschriebenes bestimmtes Merkmal, ein Aufbau, eine Eigenschaft oder Funktion in mindestens einer Ausführungsform der Erfindung enthalten ist. Das Erscheinen des Ausdrucks „in einer Ausführungsform” oder dergleichen an verschiedenen Stellen in der Beschreibung muss sich nicht unbedingt immer auf dieselbe Ausführungsform beziehen.
Weiter sind Verbindungen zwischen Bauteilen oder zwischen Verfahrensschritten in den Figuren nicht auf Verbindungen beschränkt, die direkt betroffen sind. Stattdessen können in den Figuren dargestellte Verbindungen zwischen Bauteilen oder Verfahrensschritten abgeändert oder anderweitig durch Hinzufügen von Zwischen-Bauteilen oder -Verfahrensschritten verändert werden, ohne von den Lehren der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
In diesem Dokument bezieht sich der Begriff „Induktivität” auf ein beliebiges induktives Element, das in der Lage ist, magnetische Energie zu speichern; der Begriff „Kondensator” bezieht sich auf ein beliebiges kapazitives Element, das in der Lage ist, elektrische Energie zu speichern, wie es von einem Fachmann anerkannt ist, und der Begriff „Schalter” bezieht sich auf eine beliebige Art von Schaltvorrichtung, wie sie von einem Fachmann anerkannt ist. Es ist anzumerken, dass Zeitdiagramme hier nicht maßstabsgerecht gezeichnet sind, und dass Gate-Spannungen bezüglich Gate-Source-Spannungen gezeichnet sind und nur qualitative Übergänge zwischen Ein- und Ausschaltzuständen darstellen. Schalter und ihre Gate-Potentiale sind manchmal als untereinander austauschbar bezeichnet. Obwohl eine ausgewählte Anzahl von Schaltungsentwürfen gezeigt und beschrieben ist, ist vorgesehen, dass sich die Erfindung gleichermaßen auf andere Schaltregler-Topologien bezieht, wie etwa Durchflusswandler, Zwei-Schalter-H-Brücken, Vier-Schalter-Durchflusswandler usw. Es ist weiter anzumerken, dass alle Bezugnahmen auf ZCS gleichermaßen auf NCS anwendbar sind.
1A ist ein Schaltbild eines Abwärtswandlers nach dem Stand der Technik. Der Abwärtswandler 100 ist ein Abwärtswandler, der gewöhnlich immer dann verwendet ist, wenn die Eingangsspannung höher ist als eine gewünschte Lastspannung. Der Abwärtswandler 100 umfasst einen Spannungseingangsanschluss 102, einen High-Side-Schalter DH 104, einen Low-Side-Schalter DL 106, eine Induktivität 110 und einen Ausgangskondensator C_OUT 114. Der High-Side-Schalter DH 104, der Low-Side-Schalter DL 106 und die Induktivität 110 sind miteinander über den Spannungsknoten LX 108 gekoppelt. Da Schaltvorgänge im Abwärtswandler 100 unerwünschte Wechselspannungs-Welligkeitsstörungen erzeugen, ist der Ausgangskondensator C_OUT 114 an den Ausgang gesetzt, sodass der Ausgangskondensator C_OUT 114 und die Induktivität 110 ein Tiefpassfilter bilden, das so wirkt, dass es die Störungen vom Ausgangsanschluss V_OUT 112 des Abwärtswandlers 100 beseitigt, um eine Gleichspannung an der Last zu erhalten, die an den Ausgangsanschluss V_OUT 112 gekoppelt ist. Der Induktivitätswert der Induktivität L 110 und der Kapazitätswert C_OUT des Ausgangskondensators C_OUT 114 sind so gewählt, dass sie die Welligkeit auf V_OUT 112 auf einen akzeptablen Bereich begrenzen, der durch die Anforderungen der Last und die Rückkopplung des Abwärtsreglers 100 bestimmt ist.
Ein Steuerschaltkreis (nicht gezeigt) steuert den Strom, der durch die Induktivität 110 fließt, indem er die Ein- und Ausschaltzeiten der Schalter 104, 106 steuert, beispielsweise über einen PWM-Regler. Das Signal am Ausgangsanschluss V_OUT 112 ist typischerweise zu einem Eingang des PWM-Reglers zurückgeführt, um die V_OUT demgemäß einzustellen.
Wie als Nächstes erläutert ist, gibt der Schalter 104 während Schaltvorgängen Leistung ab, weil während der gesamten Zeit, in der die Spannung am Knoten LX 108 von einem Massepotential zur Versorgungsspannung V_IN 102 ansteigt, Strom hindurchfließt und Spannung darüber ansteht. Außerdem verursacht ein Erholungs-Rückwärtsstrom der Low-Side-Bodydiode Verluste in einer inneren Diode im Schalter 104 und große Versorgungsstromspitzen aufgrund der Abfolge, in der die Schalter 104 und 106 im kontinuierlichen Modus ein- und ausgeschaltet werden. Daher gibt der Abwärtswandler 100 zusätzlich zu der durch Schalten verursachten Wärme in der Diode selbst Wärme ab.
1B stellt ein typisches Zeitdiagramm nach dem Stand der Technik für den Abwärtswandler nach dem Stand der Technik von 1A dar. In solchen herkömmlichen Abwärtswandlern schaltet sich der High-Side-Schalter 156 zum Zeitpunkt t1 160 aus, was die Spannung am Knoten LX 154 veranlasst, sich Richtung Null zu verringern, und den Induktivitätsstrom I_L 152, sich relativ langsam zu verringern. Eine kurze Zeit, nachdem die Spannung am Knoten LX 154 Null erreicht hat, wird zum Zeitpunkt t2 170 der Low-Side-Schalter 158 eingeschaltet. Da die Spannung am Knoten LX 154 bereits nahe Null ist, schaltet der Low-Side-Schalter 158 aufgrund der Natur des Abwärtswandlers mit Spannung Null.
Jedoch am Ende der „Ausschaltzeit” des High-Side-Schalters 156, zum Zeitpunkt t4 190, wenn der Ausgangsknoten des Schaltreglers von einem niedrigen Zustand in einen hohen Zustand schaltet, schaltet sich der High-Side-Schalter 156 mit einem positiven Strom I_DH 151 ein, der gleich dem Induktivitätsstrom I_L 152 ist, während sich der Knoten LX 154 noch auf Massepotential befindet. Während dieses Übergangs, bei dem sich der High-Side-Schalter 156 einschaltet, fließt der Strom I_DH 151 (typischerweise der durchschnittliche Ausgangsstrom) zwischen t4 190 und dem Zeitpunkt t5 192 durch die Induktivität und den High-Side-Schalter 156. Als Ergebnis gibt der Schalter 156 Leistung ab, weil gleichzeitig darüber Strom fließt und Spannung ansteht. Dies verursacht unnötigerweise Verlustleistung im Schalter 156. Um den Wirkungsgrad zu erhöhen und Schaltverluste zu vermeiden, die mit hartem Schalten von High-Side-Leistungs-MOSFETs verknüpft sind, wäre es daher wünschenswert, wenn Übergänge aufträten, ohne dass Spannung und Strom bei Leistungs-MOSFET-Schaltern gleichzeitig vorhanden sind.
2 ist ein Schaltbild einer veranschaulichenden Abwärtswandlerschaltung, die Nullspannungsschalten, Nullstromschalten oder Negativstromschalten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet. Der Abwärtswandler 200 umfasst High-Side-Schalter DHA 204 und DHB 206, Low-Side-Schalter DLA 204 und DLB 208, eine Induktivität 210, eine Induktivität 232, einen Spannungseingangsanschluss 216 und einen Ausgangskondensator C_OUT 234. Der High-Side-Schalter DHA 202 und der Low-Side-Schalter DLA 204 sind am Spannungsknoten LXA 230 miteinander gekoppelt, während der High-Side-Schalter DHB 206 und der Low-Side-Schalter DLB 208 am Spannungsknoten LXB 220 miteinander gekoppelt sind. Die Induktivität L1 232 und die Induktivität L2 210 sind in einer Reihenanordnung gekoppelt und umfassen hier einen gemeinsamen Spannungsknoten LXA 230. Der Ausgangskondensator C_OUT 234 ist mit dem Ausgangsanschluss 240 und der Induktivität L1 232 gekoppelt.
In einer Ausführungsform ist die Induktivität 210 ein induktives Element, das einen Induktivitätswert aufweist, der ausreichend niedrig ist, um im Stanzgitter oder einer Leiterplattenbahn ausgeführt zu sein, die mit dem Abwärtswandler 200 gekoppelt ist. Dies reduziert die Komplexität des Induktivitätsentwurfs sowie Kosten. Der Induktivitätswert der Induktivität 210 kann 20 nH oder beispielsweise 10% des Induktivitätswerts der Induktivität 232 betragen. Die Schalter DHA 202 und DLA 204 können mit 1/10 der Größe der Schaltbauteile DHB 206 bzw. DLB 208 ausgelegt sein. In einer Ausführungsform können die Low-Side-Schalter DLA 204 und DLB 208 als Schottky-Dioden ausgeführt sein. Als Nächstes ist erläutert, wie der Abwärtswandler 200 so betrieben wird, dass die in der Induktivität 210 gespeicherte Energie verwendet werden kann, um Nullstromschalten oder Nullspannungsschalten von LXA 230 und LXB 220 zu ermöglichen.
3 stellt eine idealisierte Version eines typischen Zeitdiagramms für die in 2 gezeigte Abwärtswandlerschaltung dar. Das Zeitdiagramm 300 zeigt beispielhafte Induktivitätsströme I_L1 302, I_L2 304 und Knotenspannungen LXB 306 und LXA 308 sowie Logikpegel der Gates 310 bis 316. In einer Ausführungsform sind, wie im Beispiel in 3 gezeigt, zum Zeitpunkt t1 320 die Ströme I_L1 302 und I_L2 304 durch die Induktivitäten L1 bzw. L2 (nicht gezeigt) ungefähr gleich (z. B. 15 A). Der High-Side-Schalter DHB 312 am Knoten LXB 306 wird zuerst ausgeschaltet, und dann werden die Low-Side-Schalter DLA 314 und DLB 316 eingeschaltet, und der High-Side-Schalter DHA 310 am Knoten LXA 308 bleibt ausgeschaltet. Als Ergebnis schließen die Schalter DLA 314 und DLB 316 beide Anschlüsse der I_L2 304 führenden Induktivität nach Masse kurz und verursachen, dass im Wesentlichen konstante kreisende Ströme in der Induktivität L2 fließen, da die Spannung über der Induktivität L2 und somit di/dt gleich Null sind. Mit anderen Worten bewirkt während der Ausschaltzeit des High-Side-Schalters DHA 314 das Kurzschließen nach Masse beider Seiten der kleineren Induktivität, dass sich der Strom in der kleineren Induktivität nur relativ leicht verringert (z. B. von 15 A auf 14,5 A), während die Spannung über der Induktivität ungefähr gleich Null ist.
Da dagegen nur ein Knoten der Induktivität L1 an Masse liegt, erlaubt dies dem Strom I_L1 302, sich kontinuierlich um einen Betrag zu verringern, der repräsentativ für die Systemwelligkeit ist (z. B. von 15 A auf 12 A), sodass zum Ende der Ausschaltzeit des High-Side-Schalters DHA 310 hin, zum Zeitpunkt t2 330, die kleinere Induktivität L2 einen größeren Strom I_L2 304 (z. B. 14,5 A) führt als die größere Induktivität L1 (z. B. 12 A). Sobald der gemeinsame Knoten LXA 308 zwischen den beiden Induktivitäten durch Ausschalten des Low-Side-Schalters DLA 314 freigegeben ist, steigt automatisch die Spannung am Knoten LXA 308 aufgrund der in der kleineren Induktivität gespeicherten Energie beispielsweise auf eine höchste Spannung, d. h. die an den Abwärtswandler angelegte Versorgungsspannung. Mit anderen Worten, durch Öffnen des Schalters DLA 314 zwingt der Strom I_L2 304 in der Induktivität L2 die Spannung am Knoten LXA 308 zu steigen.
Wenn die Spannung am Spannungsknoten LXA 308 die höchste Spannung, hier V_IN, erreicht, wird der High-Side-Schalter DHA 310 eingeschaltet, ohne dass irgendeine Spannung darüber anliegt, d. h. mit Nullspannungsschalten. Da die Spannung am Knoten LXA 308 die höchste Spannung erreicht, ohne irgendeinen Schalter einzuschalten, an dem Spannung und Strom gleichzeitig vorhanden sind, ist Nullspannungsschalten erreicht, und Schaltverluste sind vermieden. Nach dem Zeitpunkt t2 330 verringert sich der Strom I_L2 304 in der Induktivität L2 schnell auf 0 A oder darunter.
In einer Ausführungsform ändert sich, sobald der Strom I_L2 304 zum Zeitpunkt t4 350 Null erreicht, der Status des Schalters DLB 316 von geschlossen auf offen. Dies koppelt die Eingangsspannung über die Induktivität L1 232 mit der Ausgangsspannung, was dem Knoten LXB 306 ermöglicht, zu steigen und zum Zeitpunkt t5 360 einen Wert gleich der höchsten Spannung zu erreichen. Da die Spannung am Knoten LXB 306 steigt, bevor der Schalter DHB 312 zum Zeitpunkt t5 360 eingeschaltet wird, geschieht der Übergang des Schalters DHB 312, ohne dass irgendein Spannungsabfall oder Strom vorhanden ist. Als Ergebnis ist auch am Schalter DHB 312 Nullspannungsschalten erreicht, und Schaltverluste sind vermieden. Nachdem der Schalter DHB 312 eingeschaltet ist, wird der Schalter DHA 310 ausgeschaltet, was dem Knoten LXA 308 aufgrund des Ungleichgewichts der Ströme in den beiden Induktivitäten ermöglicht zu fallen. In einer Ausführungsform bestünde vor dem Anstieg von LXB 306 ein weiteres Verfahren der Umsetzung dieser Erfindung darin, DHB 312 einzuschalten, während sich LXB nahe Masse befindet, und ZCS oder NCS zu erzwingen.
Zum Zeitpunkt t6 370 erhöht sich, sobald der Strom I_L2 304 denselben Wert erreicht wie der Strom I_L1 302 (z. B. 12,5 A), die Spannung am Knoten LXA 308 auf einen Wert, der etwas niedriger ist als die Spannung am Knoten LXB 306. Zu diesem Zeitpunkt liegen die beiden Induktivitäten in Reihe mit dem Ausgang, und der durch beide Induktivitäten fließende Strom steigt an, während steigender Strom zum Ausgang geliefert wird. Zum Zeitpunkt t7 380 schaltet sich der Schalter DHB 312 aus und öffnet den direkten Strompfad vom Eingang des Abwärtswandlers durch die Reiheninduktivitäten zum Ausgang. Einschalten der Low-Side-Schalter DLA 314 und DLB 316 ermöglicht beiden Knotenspannungen LXA 308 und LXB 306, auf Masse zu fallen.
Nachdem LXB 306 unter Massepotential gefallen ist und dann die Bodydiode des Schalters DLB 316 vorwärts spannt, schalten sich DLB 316 und DLA 314 ein und schließen die Induktivität L2 kurz. Der Strom I_L2 304 bleibt relativ konstant, während sich der Strom I_L1 302 zu verringern beginnt, sodass beide Ströme wieder auseinander zu driften beginnen und der Zyklus neu beginnt.
In einer Ausführungsform, in 3 nicht gezeigt, geht LXB 306 nach oben, wenn sich DHB 312 einschaltet und ZCS statt ZVS verwendet. Zum Zeitpunkt t4 340 wird der Schalter DHB 312 eingeschaltet, und das Schalten des Knotens LXB 306 verwendet ZCS, da die Summe der Ströme in beiden Induktivitäten größer als oder gleich Null ist. In diesem ZCS-Beispiel ist das Schalten NCS, da die Summe der Ströme negativ ist (z. B. 12 A–14,5 A = –2,5 A). NCS sieht die Vorteile von ZCS vor, sogar wenn Schalten nicht genau bei einem Strom gleich Null geschieht. Der Schalter DHB 312 lädt eine innere parasitäre Kapazität mit einem parasitären Strom und führt während des Übergangs den Laststrom I_L1 302. Der negative Strom I_L2 304 subtrahiert sich von dem mit dem Laden und Entladen parasitärer Kapazitäten verknüpften parasitären Strom. Jedoch sind die Gesamt-Systemverluste durch die zusätzliche Reduktion von Verlusten im Schalter unter Verwendung von NCS nicht unbedingt reduziert, da der Strom I_L2 304 und der parasitäre Strom einander nicht vollständig aufheben, weil der zum Ermöglichen von Negativstromschalten zum negativ Machen des parasitären Stroms erforderliche Energiebetrag gleich der Reduktion von Verlusten ist, die durch Laden oder Entladen der parasitären Kapazität gewonnen ist. Daher sind die Reduktionen an Verlusten bei Verwendung von NCS und ZCS im Wesentlichen gleich.
Anzumerken ist, dass aus 3 und anderen Zeitdiagrammen hier alle Pegelverschiebungsspannungen ausgeschlossen wurden. Die Gate-Spannungen 310 bis 316 stellen qualitative Übergänge zwischen dem Einschalt- und Ausschaltzustand jedes Schalters dar. Da das Zeitdiagramm nicht maßstabsgerecht gezeichnet ist, erscheinen die Ströme I_L1 302 und I_L2 304 zwischen den Zeitpunkten t6 370 und t8 390 unterschiedlich, sind jedoch tatsächlich gleich. In der Praxis kann der Strom I_L2 304 zu einem relativ großen negativen Wert übergehen. Beispielsweise kann der Strom 304 einen negativen Wert erreichen, der eine Amplitude gleich seiner positiven Amplitude aufweist. Der Strom I_L2 304 kann jeden Wert annehmen, der geeignet ist, den Spannungsknoten LXB 306 ansteigen zu lassen.
Ein gewöhnlicher Fachmann wird einsehen, dass Absolutwerte manipuliert werden können, beispielsweise über Pegelverschiebungsvorrichtungen. Es versteht sich, dass zusätzliche Schaltkreisbauteile, wie etwa Störungsunterdrückungselemente, oder Steuerungen, wie etwa Tastverhältnisregler, verwendet sind, um den Betrieb der Erfindung zu unterstützen. Ein Fachmann wird auch einsehen, dass eine Regelung die Ausgangsspannung mit verschiedenen Verfahren steuern kann, einschließlich Tastverhältnissteuerung und Frequenzsteuerung der High-Side-Schalter und Low-Side-Schalter.
4A bis 4E stellen beispielhafte Stromverteilungen zwischen zwei Reiheninduktivitäten der Abwärtswandlerschaltung in 2 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar. Die Schaltbilder zeigen verschiedene Zustände, die der Abwärtswandler 402 annimmt. Die Pfeile 410 geben an, wie die Zustände zum Zeitdiagramm in 5 ausgerichtet sind. 5 zeigt eine Teilansicht des Zeitdiagramms in 3. Zur Deutlichkeit sind in 5 nur die Zeitereignisse für die Ströme und Gate-Spannungen gezeigt.
6 ist ein Flussdiagramm eines veranschaulichenden Ablaufs zum Durchführen von Nullspannungsschalten, Nullstromschalten oder Negativstromschalten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung. Der Ablauf beginnt bei Schritt 601, wenn zwei Induktivitäten L1 und L2 vorgesehen sind, die in einer Reihenanordnung gekoppelt sind. Jede Induktivität umfasst einen Induktivitätswert, der typischerweise von dem anderen abweicht.
In Schritt 602 wird ein zweiter High-Side-Schalter eingeschaltet, um in beiden Induktivitäten einen relativ gleichen Strom einzurichten.
In Schritt 603 wird der zweite High-Side-Schalter ausgeschaltet, beispielsweise als Reaktion auf eine Regelschleife, die die Ausgangsspannung regelt.
In Schritt 604 werden beide Low-Side-Schalter eingeschaltet; dies bewirkt, dass die Induktivität L2, beispielsweise über Masse, kurzgeschlossen wird, um einen relativ konstanten Stromfluss durch die Induktivität L2 beizubehalten.
In Schritt 606 wird ein erster Low-Side-Schalter ausgeschaltet, beispielsweise als Reaktion auf eine Regelschleife, die eine Ausgangsspannung regelt.
In Schritt 608 wird ein erster High-Side-Schalter eingeschaltet, beispielsweise als Reaktion darauf, dass eine Spannung an einem Anschluss des ersten High-Side-Schalters eine Eingangsspannung erreicht; dadurch ist der Schaltvorgang zu einem Nullspannungsschalten gemacht.
Schließlich wird in Schritt 610 ein zweiter Low-Side-Schalter ausgeschaltet, wodurch Nullstrom- oder Nullspannungsschalten ermöglicht ist, und dann setzt sich die Schleife durch Rücksprung auf Schritt 602 fort.
Fachleute werden einsehen, dass weniger oder zusätzliche Schritte zu den hier dargestellten Schritten eingefügt werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Keine besondere Reihenfolge ist hier durch die Anordnung von Blöcken im Flussdiagramm oder der Beschreibung unterstellt.
7 ist ein Schaltbild einer veranschaulichenden Aufwärtswandlerschaltung, die Nullspannungsschalten, Nullstromschalten oder Negativstromschalten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet. Der Aufwärtswandler 700 ist ein Aufwärtswandler, der üblicherweise immer dann verwendet ist, wenn die Eingangsspannung niedriger ist als eine gewünschte Lastspannung. Der Aufwärtswandler 700 umfasst High-Side-Schalter DHA 706 und DHB 702, Low-Side-Schalter DLA 708 und DLB 704, eine Induktivität 710, einen Eingangsanschluss 716, einen Ausgangsanschluss 740 und einen Ausgangskondensator C_OUT 734. Der High-Side-Schalter DHA 706 und der Low-Side-Schalter DLA 708 sind am Spannungsknoten LXA 720 miteinander gekoppelt, während der High-Side-Schalter DHB 702 und der Low-Side-Schalter DLB 704 am Spannungsknoten LXB 730 miteinander gekoppelt sind. Die Induktivität L1 732 ist mit dem Eingangsanschluss 716 gekoppelt. Der Ausgangskondensator C_OUT 734 ist mit dem Ausgangsanschluss 740 gekoppelt. Die Induktivität L1 732 und die Induktivität L2 710 sind in einer Reihenanordnung gekoppelt und umfassen einen gemeinsamen Spannungsknoten LXA 230. In einer Ausführungsform können die High-Side-Schalter DHA 706 und DHB 702 als Schottky-Dioden ausgeführt sein. Ein gewöhnlicher Fachmann wird einsehen, dass im Aufwärtswandler 700 Spannungen an den Knoten LXA 720 und LXB 730 höher sind als die Spannung am Eingangsanschluss 716.
8 stellt ein typisches Zeitdiagramm für die Aufwärtswandlerschaltung in 7 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar. 8 stellt ein realistischeres Zeitdiagramm als das Zeitdiagramm in 3 dar. Das Zeitdiagramm 800 zeigt beispielhafte Induktivitätsströme I_L1 802, I_L2 804 und Knotenspannungen LXB 806 und LXA 808 sowie Gate-Spannungen 810 bis 816. Verschiedene Störimpulse, wie etwa der Störimpuls 818, der auf LXA 808 und LXB 806 unmittelbar vor dem Zeitpunkt t1 820 auftritt, rühren vom Effekt des Ausschaltens eines in einer Induktivität fließenden Stroms mit einem Schalter her. Da die Bodydioden den Strom in der Induktivität hindern, weiter zu fließen, kann der Strom nur eine Bodydioden-Spannung oberhalb der Eingangsspannung V_IN oder eine Bodydioden-Spannung unterhalb Massepotential (typischerweise 0 V) erreichen.
Vor dem Übergang zum Zeitpunkt t1 820 ist der einzige zwischen der Eingangsspannung V_IN und Massepotential aktive Schalter der Schalter DLB 816, sodass die einzige Verbindung zwischen V_IN und Masse aus dem Schalter DLB 816 und den Induktivitäten L1 und L2 (nicht gezeigt) besteht. Die Ströme I_L1 802 und I_L2 804 durch die Induktivitäten L1 und L2 sind im Wesentlichen gleich, wenn zum Zeitpunkt t1 820 der Low-Side-Schalter DLB 816 am Knoten LXB 806 ausgeschaltet wird, beide High-Side-Schalter DHA 810 und DHB 812 gleichzeitig eingeschaltet werden und der High-Side-Schalter DHA 810 am Knoten LXA 808 ausgeschaltet bleibt. Als Ergebnis schließen die Schalter DHA 810 und DHB 812 die I_L2 804 führende Induktivität kurz und veranlassen, dass im Wesentlichen konstante kreisende Ströme in der Induktivität L2 fließen, während sich I_L1 802 relativ schnell verringert. Zu beachten ist, dass 802 wie zuvor nur ein Welligkeitsstrom ist und nicht im selben Maßstab gezeichnet ist wie I_L2 804.
Als Nächstes wird zum Zeitpunkt t2 830 der Schalter DHA 810 ausgeschaltet, d. h. der Knoten LXA 808 zwischen den beiden Induktivitäten L1 und L2 wird ausgeschaltet. Da der Strom I_L2 804 in der kleineren Induktivität größer ist als der Strom I_L1 802 in der größeren Induktivität L1, überträgt die Induktivität L2 die in der kleineren Induktivität gespeicherte Energie in die parasitäre Kapazität am Knoten LXB und zwingt die Spannung am Knoten LXA 808 unterhalb Masse. Wenn die Spannung am Spannungsknoten LXA 808 Null erreicht, wird der Low-Side-Schalter DLA 814 zum Zeitpunkt t3 840 eingeschaltet, ohne dass irgendeine Spannung darüber anliegt, d. h. mit Nullspannungsschalten. Da die Spannung am Knoten LXA 808 den Abfall auf Null erreicht, ohne irgendeinen Schalter einzuschalten, an dem entweder eine Spannung oder ein Strom gleichzeitig vorhanden sind, ist Nullspannungsschalten erreicht, und Schaltverluste sind erfolgreich vermieden.
In einer Ausführungsform wird, wenn der Schalter DHA 810 zum Zeitpunkt t5 860 eingeschaltet wird, ZCS oder NCS verwendet, da der Strom in den beiden Induktivitäten veranlasst, dass I_L2 804 gleich oder kleiner als Null ist.
ZCS und NCS sehen vergleichbare Wirkungsgradeinsparungen vor, verglichen mit ZVS, weil der sich aus NCS ergebende Leistungsverlust in der Induktivität L1 ähnlich dem sich aus dem Übergang mit ZCS ergebenden Leistungsverlust ist.
Wie bei der Abwärtswandler-Anordnung verringert sich nach dem Zeitpunkt t2 830 der Strom I_L2 804 in der Induktivität L2 schnell auf 0 A oder darunter. Sobald der Strom I_L2 804 zum Zeitpunkt t4 850 Null erreicht, wird zugelassen, dass sich der Status des Schalters DHB 812 von geschlossen auf offen ändert, wonach die Spannung an LXB 806 relativ wenig abfällt, bis sich zum Zeitpunkt t5 860 der Schalter DLB 816 einschaltet und LXB 808 mit Massepotential verbindet. An diesem Punkt fällt die Spannung an LXB 806 schnell Richtung Null und verwendet ZCS oder NCS an DHA 810, weil der Strom I_L2' 804 gleich oder kleiner als Null ist.
Zwischen t6 870 und t7 880 ist DLA 814 eingeschaltet. Sobald DLA 814 zum Zeitpunkt t7 880 ausgeschaltet wird, dürfen sich die Ströme in I_L1 1002 und I_L2 1004 angleichen. In den Induktivitäten vorhandene Streukapazitäten können einen zeitweiligen Überschwingeffekt 872 verursachen, der relativ schnell abklingt, wie in 8 gezeigt, bis sich die Knotenspannung LXA 808 auf eine gemeinsame Spannung 874 beruhigt, die etwas niedriger ist als die Spannung 862, weil die Knotenspannung LXA 808 an keinen der beiden Schalter DHA 1010 oder DLA 1014 gebunden ist, sondern zwischen zwei Reiheninduktivitäten L1 und L2 schwimmt. Die Amplitude der Spannung 874, d. h. der Wert unterhalb der Versorgungsspannung V_IN, auf den sich der Spannungsknoten LXA 808 einstellt, ist durch das Verhältnis der Induktivitätswerte von L1 und L2 bestimmt. Wenn beispielsweise das Verhältnis 10:1 betrüge, würde sich die Knotenspannung LXA 808 um 10% bezüglich Masse erhöhen. Wenn die Induktivitäten L1 und L2 gleiche Induktivitätswerte hätten, betrüge die Erhöhung 50% usw. Wenn dann zum Zeitpunkt t8 890 die Ströme I_L1 802 und I_L2 804 im Wesentlichen wieder gleich sind, wiederholt sich der Zyklus.
9 ist ein Schaltbild einer veranschaulichenden Ab-/Aufwärtswandlerschaltung, die Nullspannungsschalten, Nullstromschalten oder Negativstromschalten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet. Der Ab-/Aufwärtswandler 900 umfasst High-Side-Schalter DHA 902 und DHB 906, Low-Side-Schalter DLA 904 und DLB 908, eine Induktivität 910, einen Spannungseingangsanschluss 916 und einen Ausgangskondensator C_OUT 934. Der High-Side-Schalter DHA 902 und der Low-Side-Schalter DLA 904 sind am Spannungsknoten LXA 930 miteinander gekoppelt, während der High-Side-Schalter DHB 906 und der Low-Side-Schalter DLB 908 am Spannungsknoten LXB 920 miteinander gekoppelt sind. Die Induktivität L1 932 und die Induktivität L2 910 sind in einer Reihenanordnung gekoppelt und umfassen einen gemeinsamen Spannungsknoten LXA 930. Der Ausgangskondensator C_OUT 934 ist mit dem Ausgangsanschluss 940 des Ausgangskondensators 934 gekoppelt. Im Beispiel in 9 arbeitet der Ab-/Aufwärtswandler 900 als invertierender Wandler.
10 stellt ein typisches Zeitdiagramm für die Ab-/Aufwärtswandlerschaltung in 9 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung dar. Ähnlich dem Abwärtswandler-Zeitdiagramm in 3 zeigt das Zeitdiagramm 1000 in 10 beispielhafte Induktivitätsströme I_L1 1002, I_L2 1004 sowie Gate-Spannungen 1006 bis 1016. Im Beispiel in 10 ist vor dem Zeitpunkt t1 1020 der einzige Schalter, der aktiv ist, Schalter DHB 1012, sodass die einzige Verbindung zwischen V_IN und Masse aus Schalter DHB 1012 in Reihe mit den Induktivitäten L2 und L1 besteht. Als Ergebnis fließt der Strom von V_IN durch beide Induktivitäten, sodass der Strom durch beide Induktivitäten gleich ist.
Zum Zeitpunkt t1 1020 sind die Ströme I_L1 1002 und I_L2 1004 durch die Induktivitäten L1 und L2 ungefähr gleich. Nach einem Störimpuls 1018 von ungefähr einer Diodenspannung unterhalb Masse sowohl in LXA 1006 als auch in LXB 1008 wird der High-Side-Schalter DHB 1012 ausgeschaltet, und die Low-Side-Schalter DLA 1014 und DLB 1016 werden eingeschaltet. Als Ergebnis wird der Strom I_L2 1004 kurzgeschlossen und kreist durch die Induktivität L2 mit relativ konstanter Amplitude, wie in 10 gezeigt. Wie bei der Abwärtswandler-Anordnung in 2 fällt der Strom I_L1 1002, da nur ein Knoten der Induktivität L1 an Masse liegt, kontinuierlich mit einer relativ schnelleren Rate ab als I_L2 1004, sodass zum Zeitpunkt t2 1030 die Induktivität L2 einen größeren Strom I_L2 1004 führt als die Induktivität L1.
Wenn der gemeinsame Knoten LXA 1008 zwischen den beiden Induktivitäten durch Öffnen des Low-Side-Schalters DLA 1014 freigegeben wird, veranlasst zum Zeitpunkt t2 1030 die in der kleineren Induktivität L2 gespeicherte Energie die Spannung am Knoten LXA 1008, auf V_IN zu steigen, während sich der Strom I_L2 1004 in der Induktivität L2 schnell auf 0 A oder darunter verringert. Übergang der Energie von der Induktivität L2 lässt zu, dass der Knoten LXA 1008 zur höchsten Spannung hin steigt. Als Ergebnis schaltet sich zum Zeitpunkt t3 1040, nach einem kurzen Störimpuls auf ungefähr eine Diodenspannung oberhalb V_IN, der Schalter DHA 1010 mit Nullspannungsschalten ein, ohne Schaltverluste zu erleiden. In einer Ausführungsform wird DHA 1010 kurz nach dem Zeitpunkt t2 1030 eingeschaltet, um NCS zu verwenden, da der Knoten LXA 1008 zum Zeitpunkt t2 1030 negativen Strom aufweist.
Als Nächstes wird zum Zeitpunkt t4 1040, wenn der Strom I_L2 1004 Null erreicht, der Schalter DLB 1030 ausgeschaltet. Dies ermöglicht, dass der Spannungsknoten LXB 1006 auf V_IN steigt, was zulässt, dass DHB 1012 mit Nullspannungsschalten kurz nach t5 1060 umschaltet, wenn LXA 1008 unter Massepotential fällt. Mit anderen Worten, jeder High-Side-Schalter DHA 1010 und DHB 1012 schaltet mit Nullspannungsschalten an seinem jeweiligen Spannungsknoten um.
Wenn DHA 1010 bei t7 1080 ausgeschaltet wird, können sich die Ströme 1002 und I_L2 1004 in L1 und L2 angleichen. Zu den Induktivitäten L1 und L2 gehörige Streukapazitäten können ein zeitweiliges Überschwingen 1074 verursachen, bis sich die Spannung am Knoten LXA 1008 auf eine gemeinsame Spannung 1074 beruhigt. Die gemeinsame Spannung 1074 ist etwas niedriger als vor Zeitpunkt t7 1080, da die Knotenspannung LXA 1008 an keinen der beiden Schalter DHA 1010 oder DLA 1014 gebunden ist, sondern zwischen zwei Reiheninduktivitäten L1 und L2 schwimmt. Ähnlich dem Aufwärtswandler in 7 ist der Wert unterhalb der Versorgungsspannung V_IN, auf den sich der Spannungsknoten LXA 1008 einstellt, durch das Verhältnis der Induktivitätswerte von L1 und L2 bestimmt. Schließlich, wenn dann zum Zeitpunkt t8 1090 die Ströme I_L1 1002 und I_L2 1004 im Wesentlichen wieder gleich sind, wiederholt sich der Zyklus.
11 stellt ein typisches Zeitdiagramm für die Abwärtswandlerschaltung in 2 dar, die Nullspannungsschalten und Nullstromschalten gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung verwendet. Der Schaltzeitraum von t1 1118 bis zum Zeitpunkt t6 1123 verwendet ZVS. Während dieser Phase gehen die Schalter DHA 1110 und DHB 1112 zum Zeitpunkt t2 1130 bzw. t4 1121 in einen hochohmigen Zustand über, wenn die Spannung über dem jeweiligen Schalter nahe oder gleich Null ist. Der Schaltzeitraum von Zeitpunkt t7 1124 bis zum Zeitpunkt t10 1127 verwendet NCS und ZCS. Während dieser Phase wird der Schalter DHA 1110 hochohmig, wenn der durch den Schalter fließende Strom aufgrund der Differenz der Induktivitätsströme I_L1 1102 und I_L2 1104 negativ ist. Wie in 11 dargestellt, wird DHB 1112 mit ZCS zum Zeitpunkt t8 1125 hochohmig, wenn der Strom I_L2 1104 in dem Schalter durch Null geht. Der Systemwirkungsgrad dieser beiden verschiedenen Arten von Schalten weist ähnliche Wirkungsgrade auf, die bestehende Schaltschemata übertreffen.
Es ist einzusehen, dass die vorstehenden Beispiele und Ausführungsformen beispielhaft sind und zu Zwecken der Deutlichkeit und des Verständnisses und nicht zum Einschränken des Umfangs der vorliegenden Erfindung dienen. Es ist beabsichtigt, dass alle Permutationen, Ergänzungen, Äquivalente, Kombinationen und Verbesserungen daran, die Fachleuten beim Lesen der Beschreibung und Studium der Zeichnung erkennbar sind, im Umfang der vorliegenden Erfindung enthalten sind. Es ist daher beabsichtigt, dass die Ansprüche alle solche Modifikationen, Permutationen und Äquivalente umfassen, die in den wahren Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung fallen.

Claims

Schaltregler, umfassend: eine erste Induktivität, umfassend einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss, wobei die erste Induktivität eingerichtet ist; eine zweite Induktivität, gekoppelt mit der ersten Induktivität in einer Reihenanordnung, um einen Ausgangsstrom für eine Last vorzusehen; einen ersten Low-Side-Schalter, gekoppelt mit dem ersten Anschluss; einen ersten High-Side-Schalter, gekoppelt mit dem ersten Anschluss; einen zweiten Low-Side-Schalter, gekoppelt mit dem zweiten Anschluss; einen zweiten High-Side-Schalter, gekoppelt mit dem zweiten Anschluss; und einen ersten Spannungsknoten, gekoppelt mit der zweiten Induktivität, wobei die zweite Induktivität Energie zum ersten Spannungsknoten freigibt, um Nullspannungsschalten zu ermöglichen.
Schaltregler nach Anspruch 1, weiter umfassend einen zweiten Spannungsknoten, gekoppelt mit der zweiten Induktivität, wobei der erste und der zweite Low-Side-Schalter und der erste und der zweite High-Side-Schalter so gesteuert sind, dass Nullspannungsschalten am ersten Spannungsknoten und eins aus Nullspannungsschalten und Nullstromschalten am zweiten Spannungsknoten ermöglicht sind.
Schaltregler nach Anspruch 1, wobei der erste Low-Side-Schalter zwischen der ersten Induktivität und einem Massepotential gekoppelt ist und der erste Low-Side-Schalter ausgeschaltet wird als Reaktion darauf, dass ein erster Strom in der ersten Induktivität unterhalb eines zweiten Stroms fällt, der in der zweiten Induktivität fließt.
Schaltregler nach Anspruch 1, wobei der erste High-Side-Schalter zwischen der ersten Induktivität und einer Eingangsspannung gekoppelt ist und der erste High-Side-Schalter eingeschaltet wird als Reaktion darauf, dass eine erste Spannung an einem ersten Anschluss des ersten High-Side-Schalters die Eingangsspannung erreicht.
Schaltregler nach Anspruch 1, wobei die erste Induktivität, der erste Low-Side-Schalter und der erste High-Side-Schalter in einer aus einer Abwärtswandler-, Aufwärtswandler- oder Ab-/Aufwärtswandler-Anordnung gekoppelt sind.
Schaltregler nach Anspruch 1, wobei mindestens einer aus dem ersten Low-Side-Schalter, dem zweiten Low-Side-Schalter, dem ersten High-Side-Schalter und dem zweiten High-Side-Schalter eine Schottky-Diode ist.
Verfahren zum Durchführen übergangsverlustfreien Schaltens, wobei das Verfahren umfasst: Umwandeln einer ersten Spannung in eine zweite Spannung über eine erste Induktivität; Speichern von Energie in einer zweiten Induktivität durch Kurzschließen der zweiten Induktivität, um einen im Wesentlichen konstanten Stromfluss durch die zweite Induktivität aufrecht zu erhalten; und Freigeben der Energie aus der zweiten Induktivität zu einem Spannungsknoten, der mit der zweiten Induktivität gekoppelt ist, um Nullspannungsschalten an dem Spannungsknoten zu ermöglichen.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Spannungsknoten zwischen der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei Betreiben des einen oder der mehreren Schalter als Reaktion darauf erfolgt, dass der Spannungsknoten von einer niedrigen Spannung zu einer hohen Spannung übergeht.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei Betreiben des einen oder der mehreren Schalter als Reaktion darauf erfolgt, dass ein durch den einen oder die mehreren Schalter fließender Strom gleich oder kleiner als Null ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei Betreiben des einen oder der mehreren Schalter umfasst: Ausschalten eines ersten Low-Side-Schalters; Einschalten eines ersten High-Side-Schalters, um die zweite Induktivität anzusteuern; Ausschalten eines zweiten Low-Side-Schalters; und Einschalten eines zweiten High-Side-Schalters, um die erste Induktivität anzusteuern.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Ausschalten des zweiten Low-Side-Schalters als Reaktion darauf erfolgt, dass ein zweiter, in der zweiten Induktivität fließender Strom im Wesentlichen gleich Null ist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Ausschalten des ersten Low-Side-Schalters als Reaktion darauf erfolgt, dass ein erster, durch die erste Induktivität fließender Strom unterhalb eines zweiten, durch die zweite Induktivität fließenden Stroms fällt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Einschalten des ersten High-Side-Schalters als Reaktion darauf erfolgt, dass eine erste Spannung an einem ersten Anschluss des ersten High-Side-Schalters eine erste Eingangsspannung erreicht.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Einschalten des zweiten High-Side-Schalters als Reaktion darauf erfolgt, dass eine zweite Spannung an einem zweiten Anschluss des zweiten High-Side-Schalters eine zweite Eingangsspannung erreicht.
Schaltreglersystem zum Durchführen übergangsverlustfreien Schaltens, wobei das System umfasst: eine erste Induktivität, umfassend einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss; eine zweite Induktivität, gekoppelt mit der ersten Induktivität in einer Reihenanordnung; einen ersten Low-Side-Schalter, gekoppelt mit dem ersten Anschluss; einen ersten High-Side-Schalter, gekoppelt mit dem ersten Anschluss; einen zweiten Low-Side-Schalter, gekoppelt mit dem zweiten Anschluss; einen zweiten High-Side-Schalter, gekoppelt mit dem zweiten Anschluss, wobei jeder aus dem ersten Low-Side-Schalter, dem ersten High-Side-Schalter, dem zweiten Low-Side-Schalter und dem zweiten High-Side-Schalter ein Gate umfasst; einen ersten Spannungsknoten, gekoppelt mit der zweiten Induktivität, wobei die zweite Induktivität Energie zum ersten Spannungsknoten freigibt, um Nullspannungsschalten zu ermöglichen; eine Spannungsquelle, gekoppelt, um eine Spannung für mindestens eine aus der ersten Induktivität und der zweiten Induktivität bereitzustellen; eine Schaltersteuerung zum Steuern mindestens eines der Gates des ersten Low-Side-Schalters, des ersten High-Side-Schalters, des zweiten Low-Side-Schalters und des zweiten High-Side-Schalters, und einen Fühler, gekoppelt mit dem ersten Spannungsknoten, wobei der Fühler eins aus einer Spannung und einem Strom erfasst.
Schaltreglersystem nach Anspruch 16, wobei der Fühler in einer Regelschleife gekoppelt ist, die eine Ausgangsspannung regelt.
Schaltreglersystem nach Anspruch 16, wobei der erste Low-Side-Schalter ausgeschaltet wird als Reaktion darauf, dass der Fühler einen Stromfluss am ersten Spannungsknoten erfasst.
Schaltreglersystem nach Anspruch 16, wobei die erste Induktivität, der erste Low-Side-Schalter und der erste High-Side-Schalter in einer aus einer Abwärtswandler-, Aufwärtswandler- oder Ab-/Aufwärtswandler-Anordnung gekoppelt sind.
Schaltreglersystem nach Anspruch 16, wobei mindestens einer aus dem ersten Low-Side-Schalter, dem ersten High-Side-Schalter, dem zweiten Low-Side-Schalter und dem zweiten High-Side-Schalter ein MOSFET-Bauelement ist.