DE102019200112A1 - Mehrstufiger Abwärtswandler mit Rückwärtsladefähigkeit - Google Patents

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Abstract

Es werden Leistungswandler und ein Verfahren mit Rückwärtsladefähigkeit vorgestellt. Ein Leistungswandler arbeitet entweder in einem Abwärts-Modus zum Übertragen von elektrischer Leistung von einem ersten Anschluss des Leistungswandlers zu einem zweiten Anschluss des Leistungswandlers oder in einem Aufwärts-Modus zum Übertragen von elektrischer Leistung von dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers zu dem ersten Anschluss des Leistungswandlers. Der Leistungswandler hat mehrere Schaltelemente, einen fliegenden Kondensator, einen Induktor und eine Steuereinheit. Die Schaltelemente koppeln den ersten Anschluss des Leistungswandlers und des fliegenden Kondensators, koppeln den ersten Anschluss des fliegenden Kondensators und einen ersten Anschluss des Induktors, koppeln den ersten Anschluss des Induktors und einen zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators und koppeln den zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators und ein Referenzpotential. Die Steuereinheit steuert die Schaltelemente.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Das vorliegende Dokument betrifft Leistungswandler. Insbesondere betrifft das vorliegende Dokument Leistungswandler, die in der Lage sind, in einem ersten Modus elektrische Leistung von einem ersten Anschluss des Leistungswandlers zu einem zweiten Anschluss des Leistungswandlers zu übertragen und in einem zweiten Modus elektrische Leistung von dem zweiten Anschluss zu dem ersten Anschluss zu übertragen.
  • Hintergrund
  • Systemebenespezifikationen für Leistungswandler sind in den letzten Jahren immer strenger geworden. Dies gilt insbesondere in Bezug auf Leistungswandler, die in tragbaren elektronischen Geräten verwendet werden. Einerseits ist eine Betriebseffizienz eines Leistungswandlers entscheidend, da sie einen direkten Einfluss auf die Batterielebensdauer sowie die Leistungsdichte und den zugehörigen Formfaktor des tragbaren elektronischen Geräts hat. Andererseits muss der Leistungswandler nicht nur eine Betriebsleistung für das Gerät vorsehen, sondern auch einen geregelten Ausgang zur Verwaltung von Batterieladefunktionen vorsehen.
  • Darüber hinaus müssen moderne Leistungswandler auch bidirektional sein, d.h. solche Leistungswandler können nicht nur Leistung von einem Wandadapter zu einer Batterie eines elektronischen Geräts in einer Vorwärtsrichtung umwandeln. Abhängig von den Umständen kann auch erforderlich sein, dass solche Leistungswandler in der Lage sind, elektrische Leistung auch in die entgegengesetzte Richtung umzuwandeln, d.h. von der Batterie des elektronischen Geräts zu einer externen USB(Universal Serial Bus)-Vorrichtung. Diese Funktionalität ist auch als USB On-The-Go (OTG) bekannt.
  • Zusammenfassung
  • Die mehrstufige Leistungswandlertopologie, wie z.B. der mehrstufige Abwärtswandler, ist ein vielversprechender Ansatz, um viele der Mängel von herkömmlichen Leistungswandlertopologien zu beheben. In einem mehrstufigen Abwärtswandler ersetzen zum Beispiel zwei hochseitige Schalter, die in Serie verbunden sind, den einzelnen hochseitigen Schalter des herkömmlichen Abwärtswandlers. Darüber hinaus ersetzen zwei niedrigseitige Schalter, die in Serie verbunden sind, den einzelnen niedrigseitigen Schalter des herkömmlichen Abwärtswandlers, und ein sogenannter fliegender Kondensator ist parallel zu der Serienverbindung des unteren hochseitigen Schalters und des oberen niedrigseitigen Schalters verbunden.
  • Ein Hauptvorteil des mehrstufigen Abwärtswandlers besteht darin, dass die „quadratischer Mittelwert (RMS - root mean square)“-Spannung an dem Induktorknoten nur 50% der entsprechenden Spannung eines herkömmlichen Abwärtswandlers beträgt. Zusätzlich zu einem Reduzieren der RMS-Spannung über und des RMS-Stroms durch den Induktor werden auch die Spannungen über die Schaltkondensatoren reduziert, wodurch Schaltverluste verringert werden. Darüber hinaus haben Transistoren mit niedrigeren Durchbruchspannungswerten typischerweise niedrigere Drain-Source-Widerstände Rds, was zu reduzierten Leitungsverlusten führt.
  • Das vorliegende Dokument befasst sich mit den oben erwähnten technischen Problemen und bezieht sich auf neue Wege zum Implementieren und Steuern eines bidirektionalen Leistungswandlers, der in der Lage ist zum Übertragen, in einem ersten Modus, von elektrischer Leistung in einer Vorwärtsrichtung von einem ersten Anschluss des Leistungswandlers zu einem zweiten Anschluss des Leistungswandlers und zum Übertragen, in einem zweiten Modus, von elektrischer Leistung in einer Rückwärtsrichtung von dem zweiten Anschluss zu dem ersten Anschluss. Insbesondere ist es eine Aufgabe des vorliegenden Dokuments, einen verbesserten bidirektionalen Leistungswandler mit einem Überstromschutzmechanismus vorzusehen.
  • Gemäß einem Aspekt wird ein Leistungswandler vorgestellt, der konfiguriert ist für einen Betrieb entweder in einem Abwärts- bzw. Buck-Modus zum Übertragen von elektrischer Leistung von einem ersten Anschluss des Leistungswandlers zu einem zweiten Anschluss des Leistungswandlers oder in einem Aufwärts- bzw. Boost-Modus zum Übertragen von elektrischer Leistung von dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers zu dem ersten Anschluss des Leistungswandlers. Der Leistungswandler kann ein erstes Schaltelement, ein zweites Schaltelement, ein drittes Schaltelement, ein viertes Schaltelement, einen fliegenden Kondensator, einen Induktor und eine Steuereinheit aufweisen. Das erste Schaltelement kann zwischen dem ersten Anschluss des Leistungswandlers und einem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators gekoppelt sein. Das zweite Schaltelement kann zwischen dem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors gekoppelt sein. Das dritte Schaltelement kann zwischen dem ersten Anschluss des Induktors und einem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators geschaltet sein. Das vierte Schaltelement kann zwischen dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators und einem Referenzpotential gekoppelt sein. Schließlich kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Steuern der Schaltelemente.
  • Jedes der vier Schaltelemente kann mit einer geeigneten Vorrichtung implementiert werden, wie zum Beispiel einem Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET - metal-oxide-semiconductor field effect transistor), einem Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT - insulated-gate bipolar transistor), einem MOS-Gate-Thyristor oder anderen geeigneten Leistungsvorrichtungen. Jedes Schaltelement kann ein Gate haben, an das eine jeweilige Ansteuerspannung oder ein Steuersignal angelegt werden kann, um das Schaltelement einzuschalten (d.h. das Schaltelement zu schließen) oder um das Schaltelement auszuschalten (d.h. das Schaltelement zu öffnen).
  • In diesem Dokument wird der Begriff „Referenzpotenzial“ in seinem weitest möglichen Sinn verstanden. Insbesondere ist das Referenzpotential nicht auf Masse beschränkt, d.h. ein Referenzpotential mit einer direkten physikalischen Verbindung zu Erde. Der Begriff „Referenzpotential“ kann sich vielmehr auf jeden Referenzpunkt beziehen, zu dem und von dem elektrische Ströme fließen können oder von dem Spannungen gemessen werden können. Darüber hinaus sollte angemerkt werden, dass sich die in diesem Dokument erwähnten Referenzpotentiale nicht unbedingt auf denselben physikalischen Kontakt beziehen müssen. Stattdessen können sich die in diesem Dokument erwähnten Referenzpotentiale auf verschiedene physikalische Kontakte beziehen, obwohl zur Vereinfachung der Darstellung auf „das“ Referenzpotential Bezug genommen wird.
  • In dem Abwärts-Modus kann der Leistungswandler konfiguriert sein zum Umwandeln einer höheren Eingangsspannung an dem ersten Anschluss des Leistungswandlers in eine niedrigere Ausgangsspannung an dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers. Das heißt, der Leistungswandler kann als ein regulärer Abwärtsleistungswandler in einer Vorwärtsrichtung arbeiten. Zum Beispiel kann der Leistungswandler in einer tragbaren elektronischen Vorrichtung verwendet werden und die höhere Eingangsspannung an seinem ersten Anschluss empfangen, z.B. von einem externen Reiseadapter, der eine AC/DC-Wandlung durchführt. Der Leistungswandler kann dann eine (niedrigere) geregelte Ausgangsspannung oder einen (niedrigeren) geregelten Ausgangsstrom an seinem zweiten Anschluss vorsehen, z.B. zum Laden einer internen Batterie der tragbaren elektronischen Vorrichtung oder zum Liefern einer stabilen Versorgungsspannung an die tragbare elektronische Vorrichtung.
  • Umgekehrt kann der Leistungswandler in dem Aufwärts-Modus konfiguriert sein zum Umwandeln einer niedrigeren Eingangsspannung an dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers in eine höhere Ausgangsspannung an dem ersten Anschluss des Leistungswandlers. Das heißt, der Leistungswandler kann als regulärer Aufwärtsleistungswandler in Rückwärtsrichtung arbeiten. In die oben beschriebene tragbare elektronische Vorrichtung integriert, kann der gleiche Leistungswandler z.B. die niedrigere Eingangsspannung an dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers von einer internen Batterie der tragbaren elektronischen Vorrichtung empfangen und eine (höhere) geregelten Ausgangsspannung oder einen (höheren) geregelten Ausgangsstrom an eine externe Vorrichtung vorsehen, wie z.B. eine externe USB(Universal Serial Bus)-Vorrichtung. Die beschriebene Rückwärts- oder Rückladefähigkeit wird allgemein als USB-On-The-Go(OTG)-Boost bezeichnet. Ein Vorteil des vorgestellten Leistungswandlers ist somit, dass sowohl der Abwärts-Modus als auch der Aufwärts-Modus in einem einzigen Leistungswandler implementiert werden können.
  • Als weiterer Vorteil wird eine mehrstufige Leistungswandlerarchitektur zum Implementieren eines Leistungswandlers mit Rückwärtsladefähigkeit vorgeschlagen. Dabei bezieht sich der Begriff „mehrstufig“ auf die Tatsache, dass die vier Schaltelemente in der Lage sind zum Erzeugen von zumindest zwei Spannungspegeln, die sich von der Spannung an dem Referenzpotential an dem ersten Anschluss des Induktors unterscheiden. Dieser erste Anschluss des Induktors wird manchmal auch als Schaltknoten des Leistungswandlers bezeichnet. Im Vergleich zu einem herkömmlichen Abwärtswandler mit einem einzelnen hochseitigen Schaltelement und einem einzelnen niedrigseitigen Schaltelement zeigt der vorgestellte mehrstufige Leistungswandler mit vier Schaltelementen die Vorteile wesentlich reduzierter Schaltverluste sowie wesentlich reduzierter Leitungsverluste.
  • Ein zweiter Anschluss des Induktors kann mit dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers gekoppelt sein. Der Leistungswandler kann einen ersten Kondensator aufweisen, der zwischen dem ersten Anschluss des Leistungswandlers und dem Referenzpotential gekoppelt ist. Dieser erste Kondensator kann als Ausgangskondensator zur Stabilisierung der Ausgangsspannung an dem ersten Anschluss des Leistungswandlers in dem Aufwärts-Modus dienen. Der erste Kondensator kann auch als Eingangskondensator zum Stabilisieren der Eingangsspannung an dem ersten Anschluss des Leistungswandlers in dem Abwärts-Modus dienen. Der Leistungswandler kann einen zweiten Kondensator aufweisen, der zwischen dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers und dem Referenzpotential gekoppelt ist. Dieser zweite Kondensator kann als Ausgangskondensator zur Stabilisierung der Ausgangsspannung an dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers in dem Abwärts-Modus dienen.
  • Einerseits kann der Leistungswandler eine Abwärtsrückkopplungsschaltung zum Koppeln der Steuereinheit mit dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers aufweisen, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum Regeln, wenn der Leistungswandler in dem Abwärts-Modus arbeitet, einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms an dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers in dem Abwärts-Modus. Die Abwärtsrückkopplungsschaltung kann z.B. einen Fehlerverstärker aufweisen, der konfiguriert ist zum Erzeugen eines Fehlersignals basierend auf einem Referenzwert und einem Ausgangssignal, das die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom an dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers angibt. Weiter kann die Abwärtsrückkopplungsschaltung z.B. eine Pulsbreitenmodulation(PWM - pulse width modulation)-Einheit oder eine Pulsfrequenzmodulation(PFM - pulse frequency modulation)-Einheit aufweisen zum Übersetzen des erzeugten Fehlersignals in eine Sequenz von Pulsen mit entsprechender Dauer und/oder Frequenz zum Steuern der Schaltelemente.
  • Zum Beispiel kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Regeln der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms an dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers durch Steuern aller vier Schaltelemente derart, dass jedes Schaltelement gemäß einem vorgegebenen Zeitplan ein- und ausgeschaltet wird. Alternativ kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Regeln der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms durch Ein- und Ausschalten des zweiten Schaltelements und durch Ein- und Ausschalten des dritten Schaltelements. Spezifischer kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Regeln der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms durch Ein- und Ausschalten nur des zweiten und dritten Schaltelements. Gleichzeitig kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Einschalten des ersten Schaltelements und des vierten Schaltelements, wenn der Leistungswandler in dem Abwärts-Modus arbeitet. In anderen Worten kann die Steuerschaltung konfiguriert sein, während des Abwärts-Modus, zum permanenten Einschalten des ersten und des vierten Schaltelements, während die Steuerschaltung gleichzeitig konfiguriert sein kann zum Ein- und Ausschalten des zweiten und dritten Schaltelements, um die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom zu regeln. Auf diese Weise ist der fliegende Kondensator permanent zwischen dem ersten Anschluss des Leistungswandlers und dem Referenzpotential gekoppelt. In anderen Worten, der fliegende Kondensator ist parallel zu dem ersten Kondensator gekoppelt, wodurch die effektive Kapazität des ersten Kondensators erhöht wird und letztendlich die Fähigkeit des Leistungswandlers verbessert wird, die Eingangsspannung an seinem ersten Anschluss in dem Abwärts-Modus zu stabilisieren. In anderen Worten, der fliegende Kondensator des mehrstufigen Leistungswandlers kann als Eingangskondensator in dem Abwärts-Modus verwendet werden.
  • Zusammenfassend kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum temporären Einschalten sowohl des ersten als auch des vierten Schaltelements, so dass der fliegende Kondensator als (zusätzlicher) Eingangskondensator und/oder als (zusätzlicher) Ausgangskondensator des Leistungswandlers verfügbar wird.
  • Andererseits kann der Leistungswandler eine Aufwärtsrückkopplungsschaltung zum Koppeln der Steuereinheit mit dem ersten Anschluss des Leistungswandlers aufweisen, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum Regeln einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms an dem ersten Anschluss des Leistungswandlers, wenn der Leistungswandler in dem Aufwärts-Modus arbeitet. Die Aufwärtsrückkopplungsschaltung kann z.B. einen Fehlerverstärker aufweisen, der konfiguriert ist zum Erzeugen eines Fehlersignals basierend auf einem Referenzwert und einem Ausgangssignal, das die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom an dem ersten Anschluss des Leistungswandlers in dem Aufwärts-Modus angibt. Weiter kann die Aufwärtsrückkopplungsschaltung z.B. eine Pulsbreitenmodulation(PWM)-Einheit oder eine Pulsfrequenzmodulation(PFM)-Einheit zum Übersetzen des erzeugten Fehlersignals in eine Sequenz von Pulsen mit entsprechender Dauer und/oder Frequenz zum Steuern der Schaltelemente aufweisen.
  • Zum Beispiel kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Regeln der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms an dem ersten Anschluss des Leistungswandlers durch Steuern aller vier Schaltelemente derart, dass jedes Schaltelement gemäß einem vordefinierten Zeitplan ein- und ausgeschaltet wird. Alternativ kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Regeln der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms durch Ein- und Ausschalten des zweiten Schaltelements und durch Ein- und Ausschalten des dritten Schaltelements. Insbesondere kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Regeln der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms durch Ein- und Ausschalten nur des zweiten und dritten Schaltelements. Gleichzeitig kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Einschalten des ersten Schaltelements und des vierten Schaltelements, wenn der Leistungswandler in dem Aufwärts-Modus arbeitet.
  • In anderen Worten kann die Steuerschaltung konfiguriert sein, während des Aufwärts-Modus, zum permanenten Einschalten des ersten und vierten Schaltelements, während die Steuerschaltung gleichzeitig konfiguriert sein kann zum Ein- und Ausschalten des zweiten und dritten Schaltelements, um die Ausgangsspannung oder den Ausgangsstrom zu regeln. Auf diese Weise ist der fliegende Kondensator permanent zwischen dem ersten Anschluss des Leistungswandlers und dem Referenzpotential gekoppelt. In anderen Worten, der fliegende Kondensator ist parallel zu dem ersten Kondensator gekoppelt, wodurch die effektive Kapazität des ersten Kondensators erhöht wird und letztendlich die Fähigkeit des Leistungswandlers verbessert wird, die Ausgangsspannung an seinem ersten Anschluss in dem Aufwärts-Modus zu stabilisieren. In anderen Worten, der fliegende Kondensator des mehrstufigen Leistungswandlers kann als Ausgangskondensator in dem Aufwärts-Modus verwendet werden.
  • Der Leistungswandler kann eine Stromerfassungseinrichtung aufweisen, die auf einem Strompfad zwischen dem ersten Anschluss des Leistungswandlers und dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers angeordnet ist. Insbesondere kann die Stromerfassungseinrichtung auf einem Strompfad zwischen dem ersten Anschluss des Leistungswandlers und dem ersten Anschluss des Induktors angeordnet sein. Als erstes Beispiel kann die Stromerfassungseinrichtung einen Widerstand aufweisen. Zum Beispiel kann der Widerstand ein Nebenschlusswiderstand sein, der auf einem Strompfad zwischen dem ersten Anschluss des Leistungswandlers und dem ersten Schaltelement angeordnet ist. Eine Verwendung eines einfachen Widerstands zum Messen eines Stroms durch den Leistungswandler ist eine effiziente und verlustarme Weise zum Implementieren einer Strommessung, um einen Überstromschutz zu implementieren. Der Widerstand kann aus den Metallschichten der integrierten Schaltung (IC - integrated circuit) konstruiert sein und kann daher einen sehr niedrigen Widerstandswert und sehr geringe Leistungsverluste im Vergleich zu alternativen Lösungen haben, die z.B. einen Transistor erfordern, um einen entsprechenden Strom zu messen. Darüber hinaus kann die für einen Widerstand erforderliche Fläche im Vergleich zu Lösungen basierend auf Transistoren reduziert sein.
  • Als ein zweites Beispiel kann die Stromerfassungseinrichtung das erste Schaltelement sein. Da das erste Schaltelement permanent eingeschaltet sein kann, so dass der fliegende Kondensator als Eingangskondensator oder Ausgangskondensator verwendet werden kann (abhängig von dem Strommodus des Leistungswandlers), kann der Strom durch das erste Schaltelement mit hoher Genauigkeit gemessen werden, da die Menge an Rauschen im Vergleich zu Lösungen, bei denen Strommessungen von einem Schaltelement erhalten werden, das wiederholt ein- und ausgeschaltet wird, wesentlich reduziert ist.
  • Wie bereits angeführt, kann die Steuereinheit konfiguriert sein zum Erfassen, basierend auf einem von der Stromerfassungseinrichtung erzeugten Erfassungssignal, einer Kurzschlusssituation und, in Reaktion auf diese Erfassung, zum Ausschalten des zweiten Schaltelements. Auf diese Weise ist der erste Anschluss des Leistungswandlers von dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers isoliert, z.B. um eine Beschädigung einer mit dem zweiten Anschluss verbundenen Batterie in dem Fall eines Überstroms an dem ersten Anschluss zu verhindern.
  • Darüber hinaus kann das zweite Schaltelement einen Feldeffekttransistor (FET - field-effect transistor) und einen Back-Body- bzw. Rück-Körper-Schalter aufweisen, konfiguriert zum Verbinden eines Back-Body des FETs mit einem Referenzpotential, wenn die Kurzschlusssituation erfasst wird. Insbesondere kann die Steuerschaltung konfiguriert sein zum Steuern des Back-Body-Schalters derart, dass er den Back-Body des FETs mit dem Referenzpotential verbindet, wenn die Kurzschlusssituation erfasst wird. Wenn keine Kurzschlusssituation erfasst wird, kann der Back-Body-Schalter konfiguriert sein zum Verbinden des Back-Body des FETs mit einem Source-Anschluss des FETs. Der Back-Body des Transistors, der das zweite Schaltelement implementiert, kann auch als Körper, Basis, Masse oder Substrat bezeichnet werden. Durch Koppeln des Back-Body des zweiten Schaltelements mit dem Referenzpotential (z.B. Masse) kann ein Strom, der über die Körperdiode des zweiten Schaltelements fließt, wesentlich reduziert werden. Infolgedessen wird es möglich, das zweite Schaltelement als Mittel zum Unterbrechen eines Stromflusses durch den Leistungswandler in einer Überstromsituation zu verwenden. Folglich wird es möglich, den oben beschriebenen einfachen Widerstand als eine effiziente Stromerfassungseinrichtung zu verwenden, im Gegensatz zu Back-to-Back-FETs (siehe 4 S3 und S4), die die Siliziumfläche signifikant vergrößern. Der fliegende Kondensator dient daher als Eingangskapazität in dem Abwärts-Modus oder Ausgangskapazität in dem Aufwärts-Modus, ohne dass die FETs S3 und S4 erforderlich sind und die „USB Power Delivery 3.0“-Standards weiterhin eingehalten werden.
  • Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren für einen Betrieb eines Leistungswandlers beschrieben. Das Verfahren kann Schritte aufweisen, die den Merkmalen des in dem vorliegenden Dokument beschriebenen Leistungswandlers entsprechen. Insbesondere kann das Verfahren ein Vorsehen eines ersten Schaltelements, eines zweiten Schaltelements, eines dritten Schaltelements, eines vierten Schaltelements, eines fliegenden Kondensators, eines Induktors und einer Steuereinheit in dem Leistungswandler aufweisen. Das Verfahren kann ein Betreiben des Leistungswandlers in einem Abwärts-Modus zum Übertragen von elektrischer Leistung von einem ersten Anschluss des Leistungswandlers zu einem zweiten Anschluss des Leistungswandlers oder das Betreiben des Leistungswandlers in einem Aufwärts-Modus zum Übertragen von elektrischer Leistung von dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers zu dem ersten Anschluss des Leistungswandlers aufweisen. Zusätzlich kann das Verfahren weiter ein Koppeln des ersten Schaltelements zwischen dem ersten Anschluss des Leistungswandlers und einem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators und ein Koppeln des zweiten Schaltelements zwischen dem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors aufweisen. Das Verfahren kann weiter ein Koppeln des dritten Schaltelements zwischen dem ersten Anschluss des Induktors und einem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators, ein Koppeln des vierten Schaltelements zwischen dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators und einem Referenzpotential und ein Steuern der Schaltelemente durch die Steuereinheit aufweisen.
  • Das Verfahren kann weiter ein Koppeln der Steuereinheit mit dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers unter Verwendung einer Abwärtsrückkopplungsschaltung und ein Regeln einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms an dem zweiten Anschluss der Leistung aufweisen, wenn der Leistungswandler in dem Abwärts-Modus arbeitet. Das Verfahren kann weiter ein Regeln der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms durch Ein- und Ausschalten des zweiten Schaltelements und durch Ein- und Ausschalten des dritten Schaltelements aufweisen. Das Verfahren kann weiter ein Einschalten des ersten Schaltelements und des vierten Schaltelements aufweisen, wenn der Leistungswandler in dem Abwärts-Modus arbeitet.
  • Das Verfahren kann weiter ein Koppeln der Steuereinheit mit dem ersten Anschluss des Leistungswandlers unter Verwendung einer Aufwärtsrückkopplungsschaltung und ein Regeln einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms an dem ersten Anschluss des Leistungswandlers aufweisen, wenn der Leistungswandler in dem Aufwärts-Modus arbeitet. Das Verfahren kann weiter ein Regeln der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms durch Ein- und Ausschalten des zweiten Schaltelements und durch Ein- und Ausschalten des dritten Schaltelements aufweisen. Das Verfahren kann weiter ein Einschalten des ersten Schaltelements und des vierten Schaltelements aufweisen, wenn der Leistungswandler in dem Aufwärts-Modus arbeitet.
  • Das Verfahren kann weiter ein Vorsehen einer Stromerfassungseinrichtung aufweisen, die auf einem Strompfad zwischen dem ersten Anschluss des Leistungswandlers und dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers angeordnet ist. Dabei kann die Stromerfassungseinrichtung einen Widerstand aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Stromerfassungsmittel das erste Schaltelement sein.
  • Das Verfahren kann weiter ein Erfassen einer Kurzschlusssituation basierend auf einem von der Stromerfassungseinrichtung erzeugten Erfassungssignal aufweisen und, in Reaktion auf die Erfassung, das zweite Schaltelement ausschalten. Das zweite Schaltelement kann einen Feldeffekttransistor (FET) und einen Back-Body-Schalter aufweisen. Das Verfahren kann weiter ein Verbinden, durch den Back-Body-Schalter, eines Back-Body des FET mit dem Referenzpotential aufweisen, wenn die Kurzschlusssituation erfasst wird.
  • 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 in diesem Dokument offenbarten Verfahren und Systemen verwendet werden können. Darüber hinaus sind die im Kontext eines Systems dargelegten Merkmale auch auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Darüber hinaus können alle in diesem Dokument beschriebenen Aspekte der Verfahren und Systeme beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche beliebig miteinander kombiniert werden.
  • In dem vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff „koppeln“ oder „gekoppelt“ auf Elemente, die in elektrischer Kommunikation miteinander sind, entweder direkt verbunden, zum Beispiel über Drähte, oder auf eine andere Weise.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Erfindung wird auf beispielhafte Weise und nicht einschränkend in den Figuren der beigefügten Zeichnungen dargestellt, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf ähnliche oder identische Elemente beziehen, und in denen
    • 1A und 1B einen Abwärtswandler und seinen Graphen zeigen;
    • 2A, 2B und 2C einen mehrstufigen Abwärtswandler und seine Graphen zeigen;
    • 3A, 3B, 3C und 3D unterschiedliche Schaltzustände eines mehrstufigen Abwärtswandlers zeigen;
    • 4 einen Leistungswandler mit USB-OTG-Fähigkeit in dem Abwärts-Modus zeigt;
    • 5 einen Leistungswandler mit USB-OTG-Fähigkeit in dem Aufwärts-Modus zeigt;
    • 6 einen mehrstufigen Leistungswandler mit USB-OTG-Fähigkeit in dem Abwärts-Modus zeigt; und
    • 7 einen mehrstufigen Leistungswandler mit USB-OTG-Fähigkeit in dem Aufwärts-Modus zeigt.
  • Beschreibung
  • 1A zeigt einen Abwärtswandler 11, der aus dem Stand der Technik bekannt ist. In der Vergangenheit wurde die Abwärtswandler-Topologie häufig für batteriebetriebene Vorrichtungen eingesetzt, bei denen die Eingangsspannungsquelle von einem Adapter des USB(universal serial bus)-Typs vorgesehen wird. Ein hochseitiger Schalter 111 ist zwischen einem Induktoreingangsknoten des Induktors 113 und einer Eingangsspannung angeordnet. Ein niedrigseitiger Schalter 112 ist zwischen dem Induktoreingangsknoten und Masse angeordnet. Schließlich ist ein Ausgangskondensator 114 zwischen einem Induktorausgangsknoten des Induktors 113 und Masse angeordnet. Zusätzlich zeigt das Diagramm 12 in 1B die Spannung Vsw an dem Induktoreingangsknoten des Induktors 113 über die Zeit. Während eines ersten Zeitintervalls ist der hochseitige Schalter 111 eingeschaltet und während eines zweiten Zeitintervalls ist der niedrigseitige Schalter 112 eingeschaltet. Die zwei Schalter werden in alternierenden Zyklen in den EIN-Zustand versetzt, und der Arbeitszyklus jedes Zyklus liefert die erforderliche Ausgangsspannungsregelung.
  • Um die Betriebseffizienz des Abwärtswandlers zu erhöhen, wurden große Anstrengungen unternommen, um den EIN-Zeit-Widerstand der Schalter (d.h. Drain-Source-Widerstand Rds-on) zu reduzieren, um Verluste zu reduzieren. Jedoch führt ein Reduzieren des Drain-Source-Widerstands Rds-on zu einer größeren parasitären Kapazität, sobald das Ausgangs-Feldeffekttransistor(FET)-Gate-Übersteuern maximiert ist, was zu einem Kompromiss zwischen Leitungsverlusten und Schaltverlusten führt.
  • Ein weiteres Problem in Bezug auf Standard-Abwärtswandler, wie in 1 hervorgehoben, ist, dass die Spannung Vsw an dem Induktoreingangsknoten des Induktors 113 zwischen der Eingangsspannung Vin (wenn der hochseitige Schalter EIN ist) und Masse (wenn der niedrigseitige Schalter EIN ist) schwankt. Dies führt zu erheblichen Schaltverlusten des Leistungswandlers und einem Kernverlust, der durch den Induktor dissipiert wird, aufgrund der hohen RMS(root mean square)-Spannung über den Induktor.
  • Eine Topologie, die vielversprechend ist, um viele der Mängel des Abwärtswandlers zu beseitigen, ist der mehrstufige Abwärtswandler 2, wie in 2A gezeigt. Der dargestellte beispielhafte mehrstufige Abwärtswandler 2 weist ein erstes Schaltelement 21, ein zweites Schaltelement 22, ein drittes Schaltelement 23, ein viertes Schaltelement 24, einen Induktor 26, einen fliegenden Kondensator 25 und einen optionalen Ausgangskondensator 27 auf. Ein erster Anschluss des Induktors 26 kann mit einem Schaltanschluss verbunden sein, der das zweite Schaltelement 22 und das dritte Schaltelement 23 verbindet. Ein erster Anschluss des fliegenden Kondensators 25 kann mit einem Anschluss verbunden sein, der das erste Schaltelement 21 und das zweite Schaltelement 22 verbindet, und ein zweiter Anschluss des fliegenden Kondensators 25 kann mit einem Anschluss verbunden sein, der das dritte Schaltelement 23 und das vierte Schaltelement 24 verbindet.
  • Die Spannung Vsw an dem ersten Anschluss des Induktors 26 kann zwischen V_IN und V_IN/2 schalten, wenn V_IN > V_OUT > V_IN/2, und kann zwischen V_IN/2 und Masse schalten, wenn V_IN/2 > V_OUT > Masse, wobei V_IN die Eingangsspannung bezeichnet und V_OUT die Ausgangsspannung bezeichnet. Die Diagramme 28 in 2B und 29 in 2C zeigen die Spannung Vsw an dem ersten Anschluss des Induktors 26 über die Zeit für die zwei unterschiedlichen Arbeitszyklen.
  • Ein Hauptaspekt der mehrstufigen Buck- bzw. Abwärts-Topologie ist, dass die RMS-Spannung an dem ersten Anschluss des Induktors 26 50% der entsprechenden Spannung eines herkömmlichen Abwärts-Wandlers beträgt. Zusätzlich zu einem Reduzieren der RMS-Spannung und des RMS-Stroms über und durch den Induktor wird auch die Spannung über den Schaltelementen reduziert, wodurch Schaltverluste verringert werden. Darüber hinaus haben Transistoren mit niedrigeren Durchschlagspannungswerten typischerweise niedrigere Rds-On-Eigenschaften, wodurch Leitungsverluste reduziert werden.
  • Die 3A, 3B, 3C und 3D zeigen vier verschiedene Schaltzustände eines mehrstufigen Abwärtswandlers. In dem Schaltzustand D1 in 3A sind das erste und das dritte Schaltelement eingeschaltet, während das zweite und das vierte Schaltelement ausgeschaltet sind. In dem Schaltzustand DV in 3B sind das dritte und das vierte Schaltelement eingeschaltet, während das erste und das zweite Schaltelement ausgeschaltet sind. In dem Schaltzustand D2 in 3C sind das zweite und das vierte Schaltelement eingeschaltet, während das erste und das dritte Schaltelement ausgeschaltet sind. Schließlich sind in dem Schaltzustand DP in 3D das erste und das zweite Schaltelement eingeschaltet, während das dritte und das vierte Schaltelement ausgeschaltet sind. Der mit Isw bezeichnete Pfeil gibt den Stromfluss an, der an den Ausgang des mehrstufigen Abwärtswandlers geliefert wird. Die Spannung über dem fliegenden Kondensator wird als VCF bezeichnet.
  • Einige tragbare Vorrichtungen haben die Fähigkeit einer Verwendung der internen Batterie, um einen geregelten Ausgang an eine externe Vorrichtung vorzusehen. Dies wird allgemein als USB-On-The-Go(OTG)-Boost bezeichnet. Das Batterieverwaltungsmerkmal in einer mobilen Vorrichtung erfordert einen Abwärtswandler zum Laden der internen Batterie und einen Aufwärtswandler zum Vorsehen eines geregelten Ausgangs für eine externe Vorrichtung. Systeme nach dem Stand der Technik verwenden einen einzelnen Leistungswandler, der in mehreren Modi verwendet werden kann.
  • Die 4 und 5 zeigen einen Leistungswandler mit USB-OTG-Fähigkeit. Wie in 4 gezeigt, wenn ein Adapter mit dem Anschluss A (Eingangsspannungsquelle) verbunden ist, arbeitet der Leistungswandler in dem Abwärts-Topologie-Modus. Eine Ausgangsspannungsregelung wird von der Steuervorrichtung U1 vorgesehen, die in dem Abwärts-Topologie-Modus arbeitet, der die EIN- und AUS-Zustände der Leistungsschalter S1 und S2 definiert. Die Steuervorrichtung U1 überwacht den Anschluss B (Ausgangsspannung) über ein Spannungsrückkopplungssignal V_FB.
  • Wenn von einer Eingangsspannungsquelle getrennt, kann die interne Batterie der tragbaren Vorrichtung als eine Leistungsquelle für eine externe Last verwendet werden. Dies ist in 5 dargestellt. In dieser Konfiguration wird der mit der internen Batterie gekoppelte Anschluss B in eine Eingangsquelle umgewandelt und der Anschluss A wird in einen Ausgangsspannungsanschluss für die externe Last umgewandelt. Die Ausgangsspannungsregelung wird von der Steuervorrichtung U1 vorgesehen, die in dem Boost- bzw. Aufwärts-Topologie-Modus arbeitet, der die EIN- und AUS-Zustände der Leistungsschalter S1 und S2 definiert. Die Steuervorrichtung U1 überwacht den Anschluss A (Ausgangsspannung) über ein Spannungsrückkopplungssignal V_FB.
  • Die Eingangsspannung für das Batterieladegerät einer mobilen Vorrichtung kann von einem USB-Host vorgesehen werden. Die Leistungsversorgung(PD - power delivery)-Standards (wie z.B. USB PD 3.0) für einen USB-Host begrenzen den maximalen „Einschalt“-Strom, der geliefert werden kann, wenn eine Last zum ersten Mal verbunden wird. Dieser Standard begrenzt im Wesentlichen den Nennwert der Eingangskapazität für das Ladegerät auf nicht mehr als 10 µF. Daher darf der Kondensator C3, der in den 4 und 5 gezeigt wird, nur 10 µF oder weniger sein, da er sich auf der stromaufwärtigen Seite der Source-gekoppelten Schalter S3 und S4 befindet. Der Kondensator C3 kann viel größer als 10 µF sein, solange S3 und S4 zur Begrenzung des Einschaltstroms verwendet werden. Der Nachteil von S3 und S4 ist, dass der gesamte FET-Ein-Widerstand relativ hoch sein kann, was die Effizienz des Ladegeräts verschlechtert.
  • Bei einem Betrieb in dem Aufwärts-Modus (5) müssen eine Reihe von Faktoren berücksichtigt werden, darunter Überstromerfassung, Kurzschlussschutz und Ausgangsspannungsregelung entsprechend USB-Standards (+/- 5% von 5 V). Ein Aufwärts-Regler benötigt häufig einen großen Ausgangskondensator, um Lasttransienten zu handhaben. Die Gesamtausgangskapazität kann die Summe der Kapazitätswerte der Kondensatoren C2 und C3 sein. Insbesondere kann die Kapazität, die in einem Betrieb in dem Aufwärts-Modus mit Anschluss A verbunden ist, die Summe von C2 und C3 sein, wenn S3 und S4 in dem vollständig eingeschalteten Zustand sind.
  • Während des Rückwärtslademodus muss der Ausgangsstrom zu der externen Vorrichtung erfasst werden, um sichere Betriebsbedingungen zu gewährleisten. Eine übliche Technik, die die Schutz-FETS S3 und S4 verwendet, ist in den 4 und 5 gezeigt.
  • Wie oben angeführt, hat der mehrstufige Abwärtswandler viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Abwärtswandlern für viele Anwendungen, einschließlich der Batterieladefunktion in tragbaren Einrichtungen. Wie oben angeführt, erfordern viele tragbare Vorrichtungen die Fähigkeit, eine geregelte Ausgangsspannungsquelle für eine externe Last über den USB-Anschluss vorzusehen.
  • 6 zeigt einen beispielhaften mehrstufigen Leistungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung in dem Abwärts-Modus. 7 zeigt den gleichen mehrstufigen Leistungswandler gemäß der vorliegenden Erfindung in dem Aufwärts-Modus. Der dargestellte beispielhafte Leistungswandler ist konfiguriert für einen Betrieb entweder in einem Abwärts-Modus zum Übertragen von elektrischer Leistung von einem ersten Anschluss 61 des Leistungswandlers zu einem zweiten Anschluss 62 des Leistungswandlers oder in einem Aufwärts-Modus zum Übertragen von elektrischer Leistung von dem zweiten Anschluss 62 des Leistungswandlers zu dem ersten Anschluss 61 des Leistungswandlers. Der Leistungswandler weist ein erstes Schaltelement 631 (Leistungsschalter A), ein zweites Schaltelement 632 (Leistungsschalter B), ein drittes Schaltelement 633 (Leistungsschalter C), ein viertes Schaltelement 634 (Leistungsschalter D), einen fliegenden Kondensator 642, einen Induktor 68 und eine Steuereinheit 65 auf. Das erste Schaltelement 631 ist zwischen dem ersten Anschluss des Leistungswandlers und einem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators gekoppelt. Das zweite Schaltelement 632 ist zwischen dem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors gekoppelt. Das dritte Schaltelement 633 ist zwischen dem ersten Anschluss des Induktors und einem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators gekoppelt. Das vierte Schaltelement 634 ist zwischen dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators und einem Referenzpotential gekoppelt. Die Steuereinheit 65 ist konfiguriert zum Steuern der Schaltelemente.
  • Wie in den 6 und 7 zu erkennen, ist ein zweiter Anschluss des Induktors 68 mit dem zweiten Anschluss 62 des Leistungswandlers gekoppelt. Der Leistungswandler weist einen ersten Kondensator 641 auf, der zwischen dem ersten Anschluss 61 des Leistungswandlers und dem Referenzpotential gekoppelt ist. Der Leistungswandler weist einen zweiten Kondensator 643 auf, der zwischen dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers und dem Referenzpotential gekoppelt ist.
  • 6 zeigt eine Abwärtsrückkopplungsschleife 66 zum Koppeln der Steuereinheit 65 mit dem zweiten Anschluss 62 des Leistungswandlers, wobei die Steuereinheit 65 konfiguriert ist zum Regeln, bei einem Betrieb des Leistungswandlers in dem Abwärts-Modus, einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms an dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers in dem Abwärts-Modus. 7 zeigt eine Aufwärtsrückkopplungsschaltung 69 zum Koppeln der Steuereinheit 65 mit dem ersten Anschluss 61 des Leistungswandlers, wobei die Steuereinheit 65 konfiguriert ist zum Regeln einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms an dem ersten Anschluss 61 des Leistungswandlers, wenn der Leistungswandler in dem Aufwärts-Modus arbeitet.
  • Darüber hinaus weist der Leistungswandler einen Widerstand 67 als eine Stromerfassungseinrichtung auf. Wie in 7 dargestellt, ist ein Back-Body-Schalter 691 konfiguriert zum Verbinden eines Back-Body 692 des zweiten Schaltelements 632 mit einem Referenzpotential, wenn eine Kurzschlusssituation mit Hilfe des Widerstands 67 erfasst wird. Insbesondere ist die Steuerschaltung 65 konfiguriert zum Steuern des Back-Body-Schalters derart, dass dieser den Back-Body 692 mit dem Referenzpotential verbindet, wenn die Kurzschlusssituation erfasst wird. Wenn keine Kurzschlusssituation erfasst wird, ist der Back-Body-Schalter 692 konfiguriert zum Verbinden des Back-Body 692 mit einem Source-Anschluss des zweiten Schaltelements 632.
  • Die 6 und 7, im Gegensatz zu den 4 und 5, zeigen, wie die vorliegende Erfindung die Beschränkungen des Standard-Abwärtswandlers bei Rückwärts-Boost-Anwendungen überwinden kann. Wie in 4 gezeigt, arbeitet der Leistungswandler in dem mehrstufigen Abwärts-Topologie-Modus, wenn mit Anschluss A (Eingangsspannungsquelle) verbunden. Eine Ausgangsspannungsregelung ist durch die Steuervorrichtung U1 vorgesehen, die in dem mehrstufigen Abwärts-Topologie-Modus arbeitet, der die EIN- und AUS-Zustände der Leistungsschalter A, B, C und D definiert. Die Steuervorrichtung U1 überwacht den Anschluss B (Ausgangsspannung) über ein Spannungsrückkopplungssignal.
  • Wenn von einer Eingangsspannungsquelle getrennt, kann die interne Batterie der tragbaren Vorrichtung als Leistungsquelle für eine externe Lastvorrichtung verwendet werden. Dies ist in 7 dargestellt. In dieser Konfiguration wird der mit der internen Batterie gekoppelte Anschluss B in eine Eingangsquelle umgewandelt und der Anschluss A wird in einen Ausgangsspannungsanschluss für die externe Lastvorrichtung umgewandelt. Die Leistungsschalter A und D werden in den Ein-Zustand gesetzt. Eine Regelung der Ausgangsspannung wird durch die Steuervorrichtung U1 vorgesehen, die in dem Reverse-Boost-Topologie-Modus arbeitet, der den EIN- und AUS-Zustand der Leistungsschalter B und C definiert. Die Steuervorrichtung U1 überwacht Anschluss A (Ausgangsspannung) über ein Spannungsrückkopplungssignal.
  • Weiter zeigt 7, wie der rekonfigurierte mehrstufige Abwärtswandler die Defizite von Reverse-Boost-Lösungen nach dem Stand der Technik in einzigartiger Weise angeht.
  • Wie oben angeführt, ist die erforderliche Kapazität an Anschluss A in dem Aufwärts-Modus groß, um Lasttransienten angemessen zu handhaben und die USB-Standardspezifikationen zu erfüllen. Dies erforderte eine zusätzliche Kapazität, die mit Anschluss A verbunden ist, selbst während eines Betriebs in dem Batterielademodus. Wie in 5 gezeigt, liefert der fliegende Kondensator CF, wenn die Leistungsschalter A und D in den EIN-Zustand gesetzt sind, eine zusätzliche Kapazität von Anschluss A zu GND (über Rds-on der Schalter A und D). Da der typische Wert von CF ausreicht, um eine Ausgangskapazität in dem Aufwärts-Modus vorzusehen, ist möglicherweise keine zusätzliche Kapazität erforderlich. Ein Boost-Start erfolgt mit CF(als Cout)/Bootstrap-Kondensator für ein Laden von Schalter A, was zum Einschalten von Schalter A erforderlich ist, gefolgt von einem Schalter-B-Bootstrap-Kondensator-Laden. Dies erfolgt durch Verwendung einer internen Ladepumpenschaltung. Der Back-Body-geschaltete Schalter B ermöglicht eine Boost-Start-Steuerung ohne Rückkopplung zu dem OTG-Ausgang, wenn die Schalter S3 und S4 nicht vorhanden sind.
  • Wie oben angeführt, muss in der Boost- bzw. Aufwärts-Konfiguration der Ausgangsstrom zu der externen Lastvorrichtung überwacht werden, um Überstromzustände zu vermeiden. Wie in 4 gezeigt, werden die Leistungsschalter A und D in den EIN-Zustand gesetzt, und die Leistungsschalter B und C werden verwendet, um einen Aufwärtswandler in der umgekehrten Richtung zu erzeugen. In dieser Konfiguration wird ein Erfassungswiderstand R1 67 verwendet, um den Ausgangsstrom des Aufwärtswandlers zu überwachen. Wenn der Erfassungswiderstand 67 aus den Metallschichten der IC aufgebaut ist, kann ein sehr niedriger Wert erreicht werden. Ein Erfassungswiderstand dieses Typs führt zu einer kleineren Fläche und einem geringeren Leistungsverlust als die in 4 gezeigten Schutzschalter S3 und S4 sowohl in dem Ladegerät (Abwärts bzw. Buck)-als auch dem OTG(Aufwärts bzw. Boost)-Modus, was zu einem besseren thermischen Ergebnis bei Last führt. Eine Verwendung eines Erfassungswiderstands impliziert jedoch, dass ein anderes Mittel erforderlich ist, um die Batterie von einem Kurzschluss zu Masse an Anschluss A zu trennen. Dieses Mittel wird durch Steuern des Back-Body-Anschlusses von Schalter B erreicht, der ein symmetrischer n-Kanal-FET ist. Wenn zum Beispiel der OTG-Ausgang (Anschluss A) versehentlich gegen Masse kurzgeschlossen wird, muss der Schalter B mit einem modifizierten Gate-Treiber-Schema vollständig ausgeschaltet werden, der Restinduktorstrom muss über die Body-Diode des Schalters B entladen werden, wonach der Back-Body des Schalters B auf Masse bewegt wird (von dem Drain von Schalter C zu Masse), um eine Rückkopplung zwischen der Batterie und dem OTG-Ausgang (Anschluss A) vollständig zu verhindern.
  • Die zusätzliche Herausforderung des OTG-Boost mit dem Erfassungswiderstand ist die Fähigkeit, in eine Last zu starten, wenn die Ausgangsspannung einen bestimmten Pegel erreicht, im Gegensatz zu einem Starten ohne Last, wenn die Schutzschalter S3 und S4 wie im Stand der Technik vorhanden wären.
  • Mit dem obigen Ansatz des Erfassungswiderstands an dem Eingang des Abwärtswandlers für eine Ladeanwendung muss der Eingangskondensator (C3) zumindest 10 µP sein, was durch die Einschalt-USB-Anforderung vorgegeben ist. Jetzt ist der CF vorteilhaft und hilft bei der höheren Ausgangskapazität, die für den Aufwärts-Modus erforderlich ist. Somit wird die Effizienz in der Vorwärts- und Rückwärtsrichtung des Ladegeräts und des OTG erheblich verbessert.
  • Abschließend wird ein neuer Weg vorgestellt, um die Aufwärts-Ausgangskapazität ohne die Erfordernis für zusätzliche Komponenten zu erhöhen. Insbesondere kann der fliegende Kondensator 642 des mehrstufigen Abwärtswandlers als der Aufwärts-Ausgangskondensator verwendet werden. Weiter wird, bei einem Betrieb eines mehrstufigen Abwärtswandlers in dem Aufwärts-Modus, eine verlustarme Art und Weise zum Implementieren einer Ausgangsstromerfassung und zum Vorsehen eines Überstromschutzes vorgestellt, ohne dass zusätzliche Schutzschalter S3 und S4 erforderlich sind, während die Aufwärts-Transiente-Leistung aufgrund begrenzter Ausgangskapazität nicht beeinträchtigt wird und dennoch die USB-Einschaltstrom-Spezifikationen eingehalten werden.
  • Es ist anzumerken, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zeigen. Fachleute auf dem Gebiet werden in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, obwohl hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Sinn und Umfang enthalten sind. Darüber hinaus sollen alle in diesem Dokument beschriebenen Beispiele und Ausführungsbeispiele ausdrücklich nur zu Erläuterungszwecken dienen, um den Leser bei einem Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu unterstützen. Darüber hinaus sollen alle hierin enthaltenen Aussagen, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung vorsehen, sowie spezifische Beispiele davon, Äquivalente davon aufweisen.

Claims (26)

  1. Ein Leistungswandler, der konfiguriert ist für einen Betrieb entweder in - einem Abwärts- bzw. Buck-Modus zum Übertragen von elektrischer Leistung von einem ersten Anschluss des Leistungswandlers zu einem zweiten Anschluss des Leistungswandlers, oder in - einem Aufwärts- bzw. Boost-Modus zum Übertragen von elektrischer Leistung von dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers zu dem ersten Anschluss des Leistungswandlers, wobei der Leistungswandler ein erstes Schaltelement, ein zweites Schaltelement, ein drittes Schaltelement, ein viertes Schaltelement, einen fliegenden Kondensator, einen Induktor und eine Steuereinheit aufweist, wobei - das erste Schaltelement zwischen dem ersten Anschluss des Leistungswandlers und einem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators gekoppelt ist, - das zweite Schaltelement zwischen dem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors gekoppelt ist, - das dritte Schaltelement zwischen dem ersten Anschluss des Induktors und einem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators gekoppelt ist, - das vierte Schaltelement zwischen dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators und einem Referenzpotential gekoppelt ist, - die Steuereinheit zur Steuerung der Schaltelemente konfiguriert ist.
  2. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei ein zweiter Anschluss des Induktors mit dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers gekoppelt ist.
  3. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei der Leistungswandler einen ersten Kondensator aufweist, der zwischen dem ersten Anschluss des Leistungswandlers und dem Referenzpotential gekoppelt ist.
  4. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei der Leistungswandler einen zweiten Kondensator aufweist, der zwischen dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers und dem Referenzpotential gekoppelt ist.
  5. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, der eine Abwärtsrückkopplungsschaltung zum Koppeln der Steuereinheit mit dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers aufweist, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum Regeln, wenn der Leistungswandler in dem Abwärts-Modus arbeitet, einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms an dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers.
  6. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 5, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum Regeln der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms durch Ein- und Ausschalten des zweiten Schaltelements und durch Ein- und Ausschalten des dritten Schaltelements.
  7. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum Einschalten des ersten Schaltelements und des vierten Schaltelements, wenn der Leistungswandler in dem Abwärts-Modus arbeitet.
  8. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, der eine Aufwärtsrückkopplungsschaltung zum Koppeln der Steuereinheit mit dem ersten Anschluss des Leistungswandlers aufweist, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum Regeln einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms an dem ersten Anschluss des Leistungswandlers, wenn der Leistungswandler in dem Aufwärts-Modus arbeitet.
  9. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 8, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum Regeln der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms durch Ein- und Ausschalten des zweiten Schaltelements und durch Ein- und Ausschalten des dritten Schaltelements.
  10. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum Einschalten des ersten Schaltelements und des vierten Schaltelements, wenn der Leistungswandler in dem Aufwärts-Modus arbeitet.
  11. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 1, wobei der Leistungswandler eine Stromerfassungseinrichtung aufweist, die auf einem Strompfad zwischen dem ersten Anschluss des Leistungswandlers und dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers angeordnet ist.
  12. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 11, wobei die Stromerfassungseinrichtung einen Widerstand aufweist.
  13. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 11, wobei die Stromerfassungseinrichtung das erste Schaltelement ist.
  14. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 11, wobei die Steuereinheit konfiguriert ist zum - Erfassen, basierend auf einem von der Stromerfassungseinrichtung erzeugten Erfassungssignal, einer Kurzschlusssituation, und - in Reaktion auf diese Erfassung, Ausschalten des zweiten Schaltelements.
  15. Der Leistungswandler gemäß Anspruch 14, wobei das zweite Schaltelement einen Feldeffekttransistor (FET - field-effect transistor) und einen Back-Body-Schalter aufweist, der konfiguriert ist zum Verbinden eines Back-Body des FET mit dem Referenzpotential, wenn die Kurzschlusssituation erfasst wird.
  16. Ein Verfahren für einen Betrieb eines Leistungswandlers, wobei der Leistungswandler ein erstes Schaltelement, ein zweites Schaltelement, ein drittes Schaltelement, ein viertes Schaltelement, einen fliegenden Kondensator, einen Induktor und eine Steuereinheit zum Steuern der Schaltelemente aufweist, wobei das erste Schaltelement zwischen dem ersten Anschluss des Leistungswandlers und einem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators gekoppelt ist, das zweite Schaltelement zwischen dem ersten Anschluss des fliegenden Kondensators und einem ersten Anschluss des Induktors gekoppelt ist, das dritte Schaltelement zwischen dem ersten Anschluss des Induktors und einem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators gekoppelt ist, das vierte Schaltelement zwischen dem zweiten Anschluss des fliegenden Kondensators und einem Referenzpotential gekoppelt ist, wobei das Verfahren aufweist - Betreiben des Leistungswandlers in einem Abwärts-Modus zum Übertragen von elektrischer Leistung von einem ersten Anschluss des Leistungswandlers zu einem zweiten Anschluss des Leistungswandlers, oder - Betreiben des Leistungswandlers in einem Aufwärts-Modus zum Übertragen von elektrischer Leistung von dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers zu dem ersten Anschluss des Leistungswandlers.
  17. Das Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei die Steuereinheit mit dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers unter Verwendung einer Abwärtsrückkopplungsschaltung gekoppelt ist, wobei das Verfahren weiter aufweist: - Regeln, wenn der Leistungswandler in dem Abwärts-Modus arbeitet, einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms an dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers.
  18. Das Verfahren gemäß Anspruch 17, das weiter aufweist: - Regeln der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms durch Ein- und Ausschalten des zweiten Schaltelements und durch Ein- und Ausschalten des dritten Schaltelements.
  19. Das Verfahren gemäß Anspruch 16, das weiter aufweist: - Einschalten des ersten Schaltelements und des vierten Schaltelements, wenn der Leistungswandler in dem Abwärts-Modus arbeitet.
  20. Das Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei die Steuereinheit mit dem ersten Anschluss des Leistungswandlers unter Verwendung einer Aufwärtsrückkopplungsschaltung gekoppelt ist, wobei das Verfahren weiter aufweist: - Regeln einer Ausgangsspannung oder eines Ausgangsstroms an dem ersten Anschluss des Leistungswandlers, wenn der Leistungswandler in dem Aufwärts-Modus arbeitet.
  21. Das Verfahren gemäß Anspruch 20, das weiter aufweist: - Regeln der Ausgangsspannung oder des Ausgangsstroms durch Ein- und Ausschalten des zweiten Schaltelements und durch Ein- und Ausschalten des dritten Schaltelements.
  22. Das Verfahren gemäß Anspruch 16, das weiter aufweist: - Einschalten des ersten Schaltelements und des vierten Schaltelements, wenn der Leistungswandler in dem Aufwärts-Modus arbeitet.
  23. Das Verfahren gemäß Anspruch 16, das weiter aufweist: - Anordnen einer Stromerfassungseinrichtung auf einem Strompfad zwischen dem ersten Anschluss des Leistungswandlers und dem zweiten Anschluss des Leistungswandlers.
  24. Das Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei die Stromerfassungseinrichtung einen Widerstand aufweist oder wobei die Stromerfassungseinrichtung das erste Schaltelement ist.
  25. Das Verfahren gemäß Anspruch 23, das weiter aufweist: - Erfassen, basierend auf einem von der Stromerfassungseinrichtung erzeugten Erfassungssignal, einer Kurzschlusssituation und - in Reaktion auf diese Erfassung, Ausschalten des zweiten Schaltelements.
  26. Das Verfahren gemäß Anspruch 25, wobei das zweite Schaltelement einen Feldeffekttransistor (FET) und einen Back-Body-Schalter aufweist, wobei das Verfahren weiter aufweist: - Verbinden, durch den Back-Body-Schalter, eines Back-Body des FET mit dem Referenzpotential, wenn die Kurzschlusssituation erfasst wird.
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