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QUERVERWEIS AUF VERWANDTE ANMELDUNG
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Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil des Prioritätsdatums der US-Anmeldung Nr. 13/685,186, eingereicht am 26. November 2012. Der Inhalt der vorstehend genannten Anmeldung wird hier zur Gänze eingeschlossen.
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GEBIET DER OFFENBARUNG
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Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf geschaltete Kondensatorwandler zur Umwandlung zwischen verschiedenen Spannungen.
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HINTERGRUND
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Energiewandler können allgemein Schalter und einen oder mehrere Kondensatoren umfassen. Solche Wandler werden beispielsweise verwendet, um tragbare elektronische Vorrichtungen und Unterhaltungselektronik mit Energie zu versorgen.
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Ein Schaltermodus-Energiewandler ist ein spezifischer Typ eines Energiewandlers, der eine Ausgangsspannung oder einen Strom durch das Schalten von Energiespeicherelementen (d.h. Induktoren und Kondensatoren) in verschiedene elektrische Anordnungen unter Verwendung eines Schalternetzes regelt.
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Ein geschalteter Kondensatorwandler ist ein Typ eines Schaltermodus-Energiewandlers, der primär Kondensatoren verwendet, um Energie zu transportieren. In solchen Wandlern steigt die Anzahl von Kondensatoren und Schaltern mit zunehmendem Transformationsverhältnis.
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Schalter in Schalternetzen sind üblicherweise aktive Vorrichtungen, die mit Transistoren implementiert werden. Das Schalternetz kann auf einem einzelnen Halbleitersubstrat oder auf mehreren monolithischen Halbleitersubstraten integriert sein. Alternativ dazu kann das Schalternetz unter Verwendung diskreter Vorrichtungen gebildet werden. Da ein Schalter normalerweise einen großen Strom trägt, kann er ferner aus zahlreichen kleineren Schaltern parallel bestehen.
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Ein üblicher Typ eines geschalteten Kondensatorwandlers ist ein Kaskadenvervielfachergeschalteter Kondensatorwandler. Zwei Beispiele von Kaskadenvervielfachern 16A sind in 1A–1B gezeigt. Der in 1A veranschaulichte Kaskadenvervielfacher 16A wird häufig als Crockcoft-Walton-Spannungsvervielfacher bezeichnet, während der in 1B veranschaulichte Kaskadenvervielfacher 16A häufig als Dickson-Ladungspumpe bezeichnet wird.
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Der in 1A veranschaulichte Kaskadenvervielfacher 16A empfängt eine Eingangsspannung VIN von einer Spannungsquelle 14 und erzeugt eine Ausgangsspannung VO, die das Vierfache der Eingangsspannung VIN beträgt. Unter der Annahme, dass die Eingangsspannung VIN gleich ein Volt ist, wird der Betrieb des in 1A veranschaulichten Kaskadenvervielfachers 16A wie folgt beschrieben.
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Ein Takt mit einem ersten und einem zweiten Taktintervall generiert eine Spannung an einem Pumpknoten P1 wiederholt mit einer vordefinierten Frequenz. Dieser Takt ist für die Steuerung des Transports einer Ladung von der Spannungsquelle 14 zu einer Last 18 verantwortlich. In diesem Beispiel dauert es drei Iterationen des ersten und des zweiten Taktintervalls, damit die Initialladung von der Spannungsquelle 14 die Last 18 erreicht.
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Während des ersten Taktintervalls ist die Spannung am Pumpknoten P1 Null Volt, und ungerade markierte Dioden D1, D3, D5 leiten Strom. Als Ergebnis wird die Ladung von der Spannungsquelle 14 zu einem ersten Pumpkondensator CA11, von einem ersten GS(Gleichspannungs)-Kondensator CAZ1 zu einem zweiten Pumpkondensator CA12, von einem zweiten GS-Kondensator CAZ2 zu einem dritten Pumpkondensator CA13, und von einem dritten GS-Kondensator CAZ3 zur Last 18 transportiert.
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Während des zweiten Taktintervalls, das auf das erste Taktintervall nachfolgt, ist die Spannung am Pumpknoten P1 ein Volt, und gerade markierte Dioden D2, D4, D6 leiten Strom. Demgemäß wird die Ladung vom ersten Pumpkondensator CA11 zum ersten GS-Kondensator CAZ1, vom zweiten Pumpkondensator CA12 zum zweiten GS-Kondensator CAZ2, und vom dritten Pumpkondensator CA13 zum dritten GS-Kondensator CAZ3 und zur Last 18 transportiert.
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Die Spannung an einem ersten Schalterknoten NA11 wechselt zwischen einem Volt und zwei Volt, die Spannung an einem zweiten Schalterknoten NA12 wechselt zwischen zwei Volt und drei Volt, und die Spannung an einem dritten Schalterknoten NA13 wechselt zwischen drei Volt und vier Volt. Als Ergebnis liegt eine Differenz von einem Volt an jedem der Pumpkondensatoren CA11–CA13 vor. Die Spannung an einem ersten GS-Knoten NAZ1 ist indessen zwei Volt, und die Spannung an einem zweiten GS-Knoten NAZ2 ist drei Volt, was eine Differenz von einem Volt an jedem der GS-Kondensatoren CAZ1–CAZ3 ergibt.
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Im Allgemeinen ist die maximale Spannung an jedem der Pumpkondensatoren CA11–CA13 und GS-Kondensatoren CAZ1–CAZ3 im Kaskadenvervielfacher 16A gleich der Eingangsspannung VIN, unter der Annahme, dass die Spitzenspannung am Pumpknoten P1 die Eingangsspannung VIN ist.
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Ähnlich empfängt der in 1B veranschaulichte Kaskadenvervielfacher 16A eine Eingangsspannung VIN von einer Spannungsquelle 14 und erzeugt eine Ausgangsspannung VO, die das Siebenfache der Eingangsspannung VIN beträgt. Unter der Annahme, dass die Eingangsspannung VIN gleich ein Volt ist, wird der Betrieb des in 1B veranschaulichten Kaskadenvervielfachers 16A wie folgt beschrieben.
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Ein erster Takt generiert eine Spannung an einem ersten Pumpknoten P1, und ein zweiter Takt generiert eine Spannung an einem zweiten Pumpknoten P2. Der erste Takt und der zweite Takt sind einhunderundachtzig Grad außer Phase miteinander, so dass sie ein erstes und ein zweites Taktintervall wiederholt mit einer vordefinierten Frequenz aufweisen. Diese Takte sind für die Steuerung des Transports einer Ladung von der Spannungsquelle 14 zu einer Last 18 verantwortlich. In diesem Beispiel dauert es vier Iterationen des ersten und des zweiten Taktintervalls, damit die Initialladung von der Spannungsquelle 14 die Last 18 erreicht.
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Während des ersten Taktintervalls beträgt die Spannung am ersten Pumpknoten P1 null Volt, die Spannung am zweiten Pumpknoten P2 beträgt ein Volt, und ungerade markierte Dioden D1, D3, D5, D7 leiten Strom. Als Ergebnis wird die Ladung von der Spannungsquelle 14 zu einem ersten Pumpkondensator CA11, von einem zweiten Pumpkondensator CA21 zu einem dritten Pumpkondensator CA12, von einem vierten Pumpkondensator CA22 zu einem fünften Pumpkondensator CA13, und von einem sechsten Pumpkondensator CA23 zur Last 18 transportiert.
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Während des zweiten Taktintervalls, das auf das erste Taktintervall nachfolgt, beträgt die Spannung am ersten Pumpknoten P1 ein Volt, die Spannung am zweiten Pumpknoten P2 beträgt null Volt, und gerade markierte Dioden D2, D4, D6 leiten Strom. Demgemäß wird die Ladung vom ersten Pumpkondensator CA11 zum zweiten Pumpkondensator CA21, vom dritten Pumpkondensator CA12 zum vierten Pumpkondensator CA22, und vom fünften Pumpkondensator CA13 zum sechsten Pumpkondensator CA23 transportiert.
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Die Spannung an einem ersten Schalterknoten NA11 wechselt zwischen einem Volt und zwei Volt, die Spannung an einem zweiten Schalterknoten NA12 wechselt zwischen zwei Volt und vier Volt, und die Spannung an einem dritten Schalterknoten NA13 wechselt zwischen fünf Volt und sechs Volt. Dies führt zu einer Differenz von einem Volt, zwei Volt, drei Volt, vier Volt, fünf Volt bzw. sechs Volt an den Pumpkondensatoren CA11, CA21, CA12, CA22, CA13, CA33. Demgemäß liegt eine verschiedene Spannung an jedem Pumpkondensator vor.
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Es wird angenommen, dass die Spitzenspannung am ersten und zweiten Pumpknoten P1, P2 die Eingangsspannung VIN ist. Die minimale Spannungsbeanspruchung ist an dem ersten Pumpkondensator CA11 und gleich der Eingangsspannung VIN, während die maximale Spannungsbeanspruchung an dem sechsten Pumpkondensator CA23 und gleich dem Sechsfachen der Eingangsspannung VIN ist.
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Häufig ist es für alle Kondensatoren in einem Kaskadenvervielfacher 16A zweckmäßig, dieselbe Spannungsbeanspruchung aufzuweisen, da derselbe Typ eines Kondensators für jeden Kondensator verwendet werden kann. Typischerweise ist es aufgrund einer erhöhten Lieferkettenkomplexität teurer, einen getrennten Typ eines Kondensators für jeden Kondensator auszuwählen. Falls der Kaskadenvervielfacher 16A monolithisch integriert ist, ist es dann ferner oft kosteneffizienter, nur einen Typ eines Kondensators mit einer gegebenen Nennspannung einzubauen.
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Andererseits speichert ein Kondensator mit niedriger Spannung weniger Energie als ein Kondensator mit hoher Spannung. Beispielsweise würde ein Kaskadenvervielfacher 16A mit einer seriengestapelten Pumpkondensatoranordnung, wie in 1A, einen größeren Betrag einer Gesamtkapazität erfordern, um die gleiche Effizienz zu erzielen wie ein Kaskadenvervielfacher 16A mit einer parallelgestapelten Pumpkondensatoranordnung, wie in 1B.
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Daher ist es wünschenswert, die Flexibilität zur Steuerung der Verteilung einer Spannungsbeanspruchung unter den Kondensatoren zusammen mit der maximalen und minimalen Spannungsbeanspruchung an den Kondensatoren zu haben.
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ZUSAMMENFASSUNG
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In einem Aspekt sieht die Erfindung eine Vorrichtung vor, umfassend einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen ersten Kaskadenvervielfacher, der zwischen dem ersten und zweiten Anschluss gekoppelt ist, um zu veranlassen, dass ein elektrisches Potenzial am ersten Anschluss ein Vielfaches eines elektrischen Potenzials am zweiten Anschluss wird. Der erste Kaskadenvervielfacher umfasst einen ersten Satz von Schaltelementen, von denen eines mit dem ersten Anschluss gekoppelt ist und von denen ein anderes mit dem zweiten Anschluss gekoppelt ist. Dieser erste Satz von Schaltelementen umfasst ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement. Das erste Schaltelement, das einen ersten und zweiten Anschluss aufweist, hat einen ersten Zustand, in dem Strom durch dieses fließt, und einen zweiten Zustand, in dem der Stromfluss durch dieses unterdrückt wird. Das zweite Schaltelement hat auch einen ersten und zweiten Zustand. Im ersten Zustand fließt Strom durch das zweite Schaltelement, und im zweiten Zustand wird der Stromfluss durch das zweite Schaltelement unterdrückt. Wie das erste Schaltelement weist das zweite einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf. Der erste Anschluss des zweiten Schaltelements ist mit dem zweiten Anschluss des ersten Schaltelements gekoppelt. Der erste Kaskadenvervielfacher umfasst auch eine erste Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Betriebszustand zum Liefern eines ersten elektrischen Potenzials, und eine zweite Schaltung zum Liefern eines zweiten elektrischen Potenzials, und ein erstes Kondensatornetz. Dieses erste Kondensatornetz ist zwischen der ersten Schaltung und dem ersten Satz von Schaltelementen gekoppelt. Es umfasst einen Satz von Kondensatoren, von denen jeder einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei die ersten Anschlüsse mit entsprechenden von ausgewählten Knoten zwischen Paaren der Schaltelemente gekoppelt sind. Unter den Kondensatoren in diesem Satz von Kondensatoren sind ein erster und ein zweiter Kondensator, deren zweite Anschlüsse mit der ersten Schaltung GS-gekoppelt sind, ein dritter Kondensator, der mit der ersten Schaltung durch den ersten Kondensator gekoppelt ist, und ein zweites Kondensatornetz, das zwischen der zweiten Schaltung und dem ersten Satz von Schaltelementen gekoppelt ist.
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In einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung eine Vorrichtung vor, umfassend einen ersten Anschluss, einen zweiten Anschluss und einen ersten Kaskadenvervielfacher, der zwischen dem ersten und zweiten Anschluss gekoppelt ist, um zu veranlassen, dass ein elektrisches Potenzial am ersten Anschluss ein Vielfaches eines elektrischen Potenzials am zweiten Anschluss wird. Der erste Kaskadenvervielfacher umfasst einen ersten Satz von Schaltelementen, von denen eines mit dem ersten Anschluss gekoppelt ist und von denen ein anderes mit dem zweiten Anschluss gekoppelt ist. Dieser erste Satz von Schaltelementen umfasst ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement. Das erste Schaltelement, das einen ersten und zweiten Anschluss aufweist, hat einen ersten Zustand, in dem Strom durch dieses fließt, und einen zweiten Zustand, in dem der Stromfluss durch dieses unterdrückt wird. Das zweite Schaltelement hat auch einen ersten und zweiten Zustand. Im ersten Zustand fließt Strom durch das zweite Schaltelement, und im zweiten Zustand wird der Stromfluss durch das zweite Schaltelement unterdrückt. Wie das erste Schaltelement weist das zweite Schaltelement einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss auf. Der erste Anschluss des zweiten Schaltelements ist mit dem zweiten Anschluss des ersten Schaltelements gekoppelt. Der erste Kaskadenvervielfacher umfasst auch eine erste Schaltung mit einem ersten und einem zweiten Betriebszustand zum Liefern eines ersten elektrischen Potenzials, und eine zweite Schaltung zum Liefern eines zweiten elektrischen Potenzials, und ein erstes Kondensatornetz. Dieses erste Kondensatornetz ist zwischen der ersten Schaltung und dem ersten Satz von Schaltelementen gekoppelt. Der erste Kaskadenvervielfacher umfasst auch ein zweites Kondensatornetz, das zwischen der zweiten Schaltung und dem ersten Satz von Schaltelementen gekoppelt ist. Wenigstens eines vom ersten und zweiten Kondensatornetz umfasst einen Satz von Kondensatoren, von denen jeder einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei die ersten Anschlüsse mit entsprechenden von ausgewählten Knoten zwischen Paaren der Schaltelemente gekoppelt sind. Unter den Kondensatoren in diesem Satz von Kondensatoren sind ein erster und ein zweiter Kondensator, deren zweite Anschlüsse mit der ersten Schaltung GS-gekoppelt sind, ein dritter Kondensator, der mit der ersten Schaltung durch den ersten Kondensator gekoppelt ist.
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In einigen Ausführungsformen ist das wenigstens eine vom ersten und zweiten Kondensatornetz das erste Kondensatornetz. In anderen ist jedoch das wenigstens eine vom ersten und zweiten Kondensatornetz das zweite Kondensatornetz.
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Einige Ausführungsformen umfassen auch eine Steuereinheit. Die Steuereinheit ist ausgelegt zu bewirken, dass ausgewählte Schaltelemente von der Mehrzahl von Schaltelementen zwischen dem ersten und zweiten Zustand übergehen, um so zu veranlassen, dass eine Spannung am ersten Anschluss ein Vielfaches einer Spannung am zweiten Anschluss wird. Eine solche Anordnung bewirkt eine physikalische Transformation in der Steuereinheit, indem neue Funktionen vorgesehen werden, welche die Steuereinheit bisher nicht vornehmen konnte. Im Fall programmierbarer Steuereinheiten kann diese Anordnung die Neuprogrammierung der Steuereinheit umfassen, wobei so veranlasst wird, dass die Steuereinheit effektiv eine völlig neue Maschine wird.
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Verschiedenste Schaltelemente können in verschiedenen Ausführungsformen verwendet werden. Beispielsweise umfasst in einigen Ausführungsformen das erste Schaltelement eine Diode, die vorwärts vorgespannt wird, um in den ersten Zustand versetzt zu werden, und rückwärts vorgespannt wird, um in den zweiten Zustand versetzt zu werden. In anderen Ausführungsformen umfasst das erste Schaltelement jedoch einen Schalter. Und in noch anderen umfasst dieses erste Schaltelement einen Transistor. Ausführungsformen der Erfindung können auch Schaltelemente umfassen, die aus einer beliebigen Kombination der vorhergehenden ausgewählt werden.
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In einigen Ausführungsformen ist die zweite Schaltung ausgelegt, ein zweites zeitvariierendes elektrisches Potenzialschalten zwischen einem ersten Zustand und einem zweiten Zustand mit einer spezifischen oder vordefinierten Frequenz vorzusehen. Ausführungsformen umfassen verschiedene Phasendifferenzen zwischen dem zweiten zeitvariierenden elektrischen Potenzial und dem ersten. Besondere Ausführungsformen der Erfindung umfassen jedoch jene, in denen das zweite zeitvariierende elektrische Potenzial einhundertundachtzig Grad außer Phase mit dem ersten zeitvariierenden elektrischen Potenzial ist. Unter diesen sind jene Ausführungsformen, in denen das zweite Kondensatornetz einen Satz von Kondensatoren umfasst, wobei jeder Kondensator einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei die ersten Anschlüsse mit entsprechenden von ausgewählten Knoten zwischen Paaren der Schaltelemente gekoppelt sind, wobei der Satz von Kondensatoren einen ersten und einen zweiten Kondensator, deren zweite Anschlüsse mit der zweiten Schaltung GS-gekoppelt sind, und einen dritten Kondensator, der mit der zweiten Schaltung durch den ersten Kondensator gekoppelt ist, umfasst.
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In anderen Ausführungsformen hat die zweite Schaltung jedoch einen und nur einen Zustand.
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In noch weiteren Ausführungsformen umfasst der Kaskadenvervielfacher ferner einen zweiten Satz von Schaltelementen, von denen eines mit dem ersten Anschluss gekoppelt ist und von denen ein anderes mit dem zweiten Anschluss gekoppelt ist. Der zweite Satz von Schaltelementen umfasst ein erstes und ein zweites Schaltelement, von denen beide einen ersten und einen zweiten Anschluss aufweisen. Jedes Schaltelement hat einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand. Im ersten Zustand fließt Strom durch das Schaltelement. Im zweiten Zustand wird der Stromfluss durch das Schaltelement unterdrückt. Der erste Anschluss des zweiten Schaltelements ist mit dem zweiten Anschluss des ersten Schaltelements gekoppelt. Der Kaskadenvervielfacher dieser Ausführungsform umfasst auch eine dritte Schaltung zum Liefern eines dritten elektrischen Potenzials. Dieses dritte elektrische Potenzial ist ein zeitvariierendes elektrisches Potenzial, das zwischen einem ersten Wert und einem zweiten Wert mit der spezifischen Frequenz hin- und hergeht, und ein drittes Kondensatornetz ist zwischen der dritten Schaltung und dem zweiten Satz von Schaltelementen gekoppelt.
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In einigen der vorhergehenden Ausführungsformen umfasst das dritte Kondensatornetz einen Satz von Kondensatoren, von denen jeder einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei die ersten Anschlüsse mit entsprechenden von ausgewählten Knoten zwischen Paaren der Schaltelemente vom zweiten Satz von Schaltelementen gekoppelt sind. Der Satz von Kondensatoren vom dritten Kondensatornetz umfasst einen ersten und einen zweiten Kondensator, deren zweite Anschlüsse mit der dritten Schaltung GS-gekoppelt sind, und einen dritten Kondensator, der mit der dritten Schaltung durch den ersten Kondensator gekoppelt ist.
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Unter den Ausführungsformen sind jene, welche auch eine Steuereinheit umfassen, die ausgelegt ist zu bewirken, dass ausgewählte Schaltelemente vom Satz von Schaltelementen zwischen dem ersten und zweiten Zustand übergehen, um zu veranlassen, dass eine Spannung am ersten Anschluss ein Vielfaches einer Spannung am zweiten Anschluss wird. In einigen Ausführungsformen ist dieses Vielfache eine ganze Zahl. In anderen ist es dies jedoch nicht.
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In einigen Ausführungsformen ist die zweite Schaltung ausgelegt, ein konstantes elektrisches Potenzial zu liefern.
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In anderen ist die zweite Schaltung ausgelegt, ein zweites zeitvariierendes elektrisches Potenzial zu liefern, wobei das zweite zeitvariierende elektrische Potenzial zwischen einem ersten Wert und einem zweiten Wert mit einer spezifischen Frequenz umschaltet. Unter diesen sind Ausführungsformen, in denen das zweite Kondensatornetz einen Satz von Kondensatoren umfasst, wobei jeder Kondensator einen ersten Anschluss und einen zweiten Anschluss aufweist, wobei die ersten Anschlüsse mit entsprechenden von ausgewählten Knoten zwischen Paaren der Schaltelemente gekoppelt sind, wobei der Satz von Kondensatoren einen ersten und einen zweiten Kondensator, deren zweite Anschlüsse mit der zweiten Schaltung GS-gekoppelt sind, und einen dritten Kondensator, der mit der zweiten Schaltung durch den ersten Kondensator gekoppelt ist, umfasst.
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In einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung eine Vorrichtung vor, die einen Kaskadenvervielfacher umfasst. Ein solcher Kaskadenvervielfacher umfasst ein Schalternetz mit Schaltelementen, eine Phasenpumpe und ein Netz von Pumpkondensatoren, die mit der Phasenpumpe und mit dem Schalternetz gekoppelt sind. Das Netz von Pumpkondensatoren umfasst einen ersten und einen zweiten Kondensator, deren zweite Anschlüsse mit der Phasenpumpe GS-gekoppelt sind, und einen dritten Kondensator, der mit der Phasenpumpe durch den ersten Kondensator gekoppelt ist.
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Einige Ausführungsformen umfassen auch eine Steuereinheit, die ausgelegt ist zu bewirken, dass ausgewählte Schaltelemente zwischen einem ersten und einem zweiten Zustand übergehen, um zu veranlassen, dass eine Spannung am ersten Anschluss ein Vielfaches einer Spannung am zweiten Anschluss wird.
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In noch weiteren Ausführungsformen hat die Vorrichtung wenigstens eines von einem Sender/Empfänger, einem Prozessor und einem Speicher, der Energie GS oder WS vom Kaskadenvervielfacher empfängt. Eine solche Vorrichtung könnte ein Mobiltelefon, ein Smartphone, ein Computer, einschließlich eines Tablet-Computers, und eine Spielkonsole sein.
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In einem weiteren Aspekt sieht die Erfindung eine Vorrichtung mit einem Kaskadenvervielfacher vor, wobei der Kaskadenvervielfacher umfasst: ein Schalternetz mit Schaltelementen, eine Phasenpumpe und ein erstes und ein zweites Kondensatornetz, die mit dem Schalternetz gekoppelt sind, wobei wenigstens eines vom ersten und zweiten Netz ein Netz von Pumpkondensatoren umfasst, die mit der Phasenpumpe und mit dem Schalternetz gekoppelt sind, und wobei wenigstens eines vom ersten und zweiten Kondensatornetz einen ersten Kondensator, einen zweiten Kondensator, deren zweite Anschlüsse mit der Phasenpumpe GS-gekoppelt sind, und einen dritten Kondensator umfasst, der mit der Phasenpumpe durch den ersten Kondensator gekoppelt ist.
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In einigen Ausführungsformen ist das erste Kondensatornetz ein Pumpkondensatornetz. In anderen Ausführungsformen ist das erste Kondensatornetz ein GS-Kondensatornetz.
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BESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Die obigen Merkmale der hier beschriebenen Schaltungen und Techniken werden durch die folgende Beschreibung der Figuren besser verständlich, in denen:
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1A–1B zwei bekannte Kaskadenvervielfacher zeigen;
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2A eine Serien-Kondensatornetzanordnung zeigt;
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2B eine parallele Kondensatornetzanordnung zeigt;
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2C eine neue Kondensatornetzanordnung zeigt;
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3 einen Kaskadenvervielfacher mit der Kondensatornetzanordnung von 2C zeigt;
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4A–4C verschiedene neue Kondensatornetzanordnungen zeigen;
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5A ein Blockbild eines Einphasen-Kaskadenvervielfachers zeigt;
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5B eine besondere Implementierung des in 5A gezeigten Kaskadenvervielfachers zeigt;
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6A ein alternatives Blockbild eines Einphasen-Kaskadenvervielfachers zeigt;
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6B eine besondere Implementierung des in 6A gezeigten Kaskadenvervielfachers zeigt;
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7A ein Blockbild eines Dualphasen-Kaskadenvervielfachers zeigt;
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7B eine besondere Implementierung des in 7A gezeigten Kaskadenvervielfachers zeigt;
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8A ein alternatives Blockbild eines Dualphasen-Kaskadenvervielfachers zeigt;
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8B eine besondere Implementierung des in 8A gezeigten Kaskadenvervielfachers zeigt.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Diese Offenbarung beschreibt ein Verfahren zum Steuern der Spannungsbeanspruchung der Kondensatoren innerhalb eines geschalteten Kondensatorwandlers vom Kaskadenvervielfachertyp.
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Die Verteilung einer Spannungsbeanspruchung unter den Kondensatoren zusammen mit der maximalen und minimalen Spannungsbeanspruchung an den Kondensatoren ist eine Funktion des Typs eines Kaskadenvervielfachers und einer Kondensatornetzanordnung. Beispielsweise bewirkt ein Stapeln der Pumpkondensatoren CA11–CA13 in Serie, wie in 1A gezeigt, eine Spannungsbeanspruchung, die gleichmäßig und gleich unter den Pumpkondensatoren CA11–CA13 ist. Im Gegensatz dazu bewirkt ein Stapeln der Pumpkondensatoren CA11–CA13 parallel, wie in 1B gezeigt, dass die Spannungsbeanspruchung nicht-gleichmäßig und ungleich unter den Pumpkondensatoren CA11–CA13 ist.
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Vor der Beschreibung einiger beispielhafter Ausführungsformen von Kaskadenvervielfachern sollte klar sein, dass im Bemühen, die Klarheit bei der Erläuterung der Konzepte zu unterstützen, hier manchmal Bezugnahmen auf spezifische Kaskadenvervielfacher vorgenommen werden. Es ist zu verstehen, dass solche Bezugnahmen nur als Beispiele dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind. Nach dem Lesen der hier vorgesehenen Beschreibung werden gewöhnliche Fachleute verstehen, wie die hier beschriebenen Konzepte anzuwenden sind, um spezifische Kaskadenvervielfacher vorzusehen.
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Es ist klar, dass hier auch manchmal auf bestimmte Eingangsspannungen und Ausgangsspannungen sowie auf bestimmte Transformationsspannungsverhältnisse Bezug genommen wird. Es ist zu verstehen, dass solche Bezugnahmen nur als Beispiele dienen und nicht als einschränkend auszulegen sind.
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Es kann hier manchmal auch auf bestimmte Anwendungen Bezug genommen werden. Solche Bezugnahmen dienen nur als Beispiele und sind nicht so auszulegen, dass sie die hier beschriebenen Konzepte auf die bestimmte Anwendung beschränken.
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Obwohl die hier vorgesehene Beschreibung die erfinderischen Konzepte im Kontext bestimmter Schaltungen oder einer bestimmten Anwendung oder einer bestimmten Spannung erläutert, ist es für gewöhnliche Fachleute klar, dass die Konzepte gleichermaßen für andere Schaltungen oder Anwendungen oder Spannungen gelten.
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Hier beschriebene Ausführungsformen basieren teilweise auf der Erkenntnis, dass innerhalb der Kaskadenvervielfacherfamilie die Kondensatoren so ausgelegt sein können, dass die Verteilung einer Spannungsbeanspruchung unter den Kondensatoren zusammen mit der maximalen und minimalen Spannungsbeanspruchung an den Kondensatoren gesteuert wird. Dies wird durch das Erzeugen neuer Kombinationen der Serien-Kondensatornetzanordnung und parallelen Kondensatornetzanordnung erzielt.
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In 1A können die Pumpkondensatoren CA11–CA13 zusammen in ein Kondensatornetz gruppiert werden. Ähnlich können die GS-Kondensatoren CAZ1–CAZ3 zusammen in ein Kondensatornetz gruppiert werden. Im Allgemeinen umfasst ein Kaskadenvervielfacher 16A zwei oder mehrere Kondensatornetze. Drei verschiedene Kondensatornetze sind in 2A–2C gezeigt. Jedes Kondensatornetz umfasst drei Kondensatoren C1, C2, CT, einen unteren Knoten NB, einen oberen Knoten NT und Zwischenknoten N1, N2.
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Die Verwendung des Worts „gekoppelt“ impliziert, dass die Elemente direkt miteinander verbunden sein können oder durch ein oder mehrere dazwischenliegende Elemente, wie einen Widerstand, Kondensator oder Schalter, gekoppelt sein können. Ferner werden bei einer GS-Kopplung GS-Signale durchgelassen.
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In 2A sind die Kondensatoren in Serie verbunden. Wie hier verwendet, umfasst eine Serien-Kondensatornetzanordnung nur einen Kondensator mit einem Anschluss, der mit dem unteren Knoten NB GS-gekoppelt ist. Ein Beispiel einer Serien-Kondensatornetzanordnung ist in 1A gezeigt, wobei die Pumpkondensatoren CA11–CA13 mit dem Pumpknoten P1 in Serie verbunden sind.
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Im Gegensatz dazu sind die Kondensatoren in 2B parallel verbunden. Wie hier verwendet, umfasst eine parallele Kondensatornetzanordnung nur Kondensatoren mit einem Anschluss, der mit dem unteren Knoten NB GS-gekoppelt ist. Ein Beispiel einer parallelen Kondensatornetzanordnung ist in 1B gezeigt, wo die Pumpkondensatoren CA11–CA13 mit dem Pumpknoten P1 parallel verbunden sind.
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2C zeigt eine neue Ausführungsform eines Kondensatornetzes mit drei Kondensatoren. Die in 2C gezeigte Ausführungsform umfasst einen ersten Kondensator C1, der zwischen einem ersten Zwischenknoten N1 und einem unteren Knoten NB gekoppelt ist, einen zweiten Kondensator C2, der zwischen einem zweiten Zwischenknoten N2 und dem unteren Knoten NB gekoppelt ist, und einen oberen Kondensator CT, der zwischen einem oberen Knoten NT und dem zweiten Zwischenknoten N2 gekoppelt ist.
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Im Allgemeinen umfasst ein Kondensatornetz einen Satz von Kondensatoren, einen oberen Knoten NT, einen unteren Knoten NB und einen Satz dazwischenliegender Knoten. Der obere Knoten NT ist auf dem höchsten elektrischen Potenzial, der untere Knoten NB ist auf dem niedrigsten elektrischen Potenzial und die dazwischenliegenden Knoten sind auf elektrischen Potenzialen zwischen jenem des oberen Knotens NT und jenem des unteren Knotens NB. Ferner sind der obere und der untere Knoten NT, NB mit Knoten gekoppelt, die entweder in einem Zustand sind oder die zwischen zwei Zuständen wechseln, während die dazwischenliegenden Knoten mit Knoten gekoppelt sind, die zwischen zwei Zuständen wechseln.
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Ein Kaskadenvervielfacher 16A, der das neue Kondensatornetz von 2C verwendet, ist in 3 veranschaulicht. Der Kaskadenvervielfacher 16A wird konstruiert, indem der erste Satz von Pumpkondensatoren CA11–CA13 in 1B durch das in 2C gezeigte Kondensatornetz ersetzt wird, und indem der zweite Satz von Pumpkondensatoren CA21–CA23 in 1B durch das in 2C gezeigte Pumpkondensatornetz ersetzt wird.
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Der Betrieb des Kaskadenvervielfachers 16A in 3 ist ähnlich jenem, der in Verbindung mit 1B beschrieben wird. Die Spannungsbeanspruchung an den Pumpkondensatoren CA11, CA12, CA13 ist ein Volt, drei Volt bzw. zwei Volt. Ähnlich ist die Spannungsbeanspruchung an den Pumpkondensatoren CA21, CA22, CA23 zwei Volt, vier Volt bzw. zwei Volt. Daher beträgt die maximale Spannungsbeanspruchung an einem beliebigen Pumpkondensator in 3 vier Volt im Gegensatz zu sechs Volt in 1B.
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Drei zusätzliche neue Ausführungsformen mit einer größeren Anzahl von Pumpkondensatoren sind in 4A–4C gezeigt. Jedes Kondensatornetz umfasst vier Kondensatoren C1, C2, C3, CT, einen oberen Knoten NT, einen unteren Knoten NB und dazwischenliegende Knoten N1–N3. Ferner sind die dazwischenliegenden Knoten N1, N2, N3 und der obere Knoten NT jeweils mit dem positiven Anschluss der Kondensatoren C1, C2, C3, CT gekoppelt.
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Eine bevorzugte Ausführungsform eines Kondensatornetzes ist in 4A veranschaulicht. Das Kondensatornetz umfasst einen ersten Kondensator C1, der zwischen einem ersten Zwischenknoten N1 und einem unteren Knoten NB gekoppelt ist, einen zweiten Kondensator C2, der zwischen einem zweiten Zwischenknoten N2 und dem unteren Knoten NB gekoppelt ist, einen dritten Kondensator C3, der zwischen einem dritten Zwischenknoten N3 und dem zweiten Schalterknoten N2 gekoppelt ist, und einen oberen Kondensator CT, der zwischen einem oberen Knoten NT und dem dritten Zwischenknoten N3 gekoppelt ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines Kondensatornetzes ist in 4B veranschaulicht. Das Kondensatornetz umfasst einen ersten Kondensator C1, der zwischen einem ersten Zwischenknoten N1 und einem unteren Knoten NB gekoppelt ist, einen zweiten Kondensator C2, der zwischen einem zweiten Zwischenknoten N2 und dem unteren Knoten NB gekoppelt ist, einen dritten Kondensator C3, der zwischen einem dritten Zwischenknoten N3 und dem zweiten Zwischenknoten N2 gekoppelt ist, und einen oberen Kondensator CT, der zwischen einem oberen Knoten NT und dem zweiten Zwischenknoten N2 gekoppelt ist.
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Eine mehr bevorzugte Ausführungsform eines Kondensatornetzes ist in 4C veranschaulicht. Das Kondensatornetz umfasst einen ersten Kondensator C1, der zwischen einem ersten Zwischenknoten N1 und einem unteren Knoten NB gekoppelt ist, einen zweiten Kondensator C2, der zwischen einem zweiten Zwischenknoten N2 und dem unteren Knoten NB gekoppelt ist, einen dritten Kondensator C3, der zwischen einem dritten Zwischenknoten N3 und dem ersten Zwischenknoten N1 gekoppelt ist, und einen oberen Kondensator CT, der zwischen einem oberen Knoten NT und dem zweiten Zwischenknoten N2 gekoppelt ist.
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Im Allgemeinen ist der positive Anschluss jedes Kondensators im Kondensatornetz entweder mit einem oberen Knoten NT oder einem Zwischenknoten gekoppelt. Beispielsweise ist der positive Anschluss eines oberen Kondensators CT mit dem oberen Knoten NT gekoppelt, der positive Anschluss eines ersten Kondensators C1 ist mit einem ersten Zwischenknoten N1 gekoppelt, der positive Anschluss eines zweiten Kondensators C2 ist mit einem zweiten Zwischenknoten N2 gekoppelt, usw. Der negative Anschluss jedes Kondensators im Kondensatornetz ist mit einem beliebigen anderen Kondensatoranschluss innerhalb des Kondensatornetzes gekoppelt, der auf einer niedrigeren Spannung ist als sein positiver Anschluss.
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Zusätzlich zu den drei vorstehend beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen, die in 4A–4C gezeigt sind, gibt es zahlreiche andere mögliche Anordnungen des neuen Kondensatornetzes mit vier Kondensatoren. Die Anzahl möglicher Anordnungen des Kondensatornetzes ist N Fakultät, wobei N die Anzahl von Kondensatoren im Kondensatornetz ist. Dies umfasst den in 2A gezeigten seriellen Fall und den in 2B gezeigten parallelen Fall. Daher ist die Anzahl neuer Kondensatornetzanordnungen N Fakultät minus zwei.
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Vier generische Vervielfacher 16A sind in 5A–8A veranschaulicht. Eine besondere Implementierung jedes generischen Kaskadenvervielfachers 16A unter Verwendung eines neuen Kondensatornetzes ist in 5B–8B gezeigt. In jeder Implementierung verwenden die Pumpkondensatornetze 24A, 24B, 26A, 26B eines der vier neuen Kondensatornetze, die in 2C und 4A–4C gezeigt sind. Ferner verwendet das GS-Kondensatornetz 28A in 5B das neue Kondensatornetz, das in 4A gezeigt ist.
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Ein Blockbild eines generischen Einphasen-Kaskadenvervielfachers 16A, der die Schaltung in 1A umfasst, ist als eine Art in 5A veranschaulicht. Der generische Einphasen-Kaskadenvervielfacher 16A umfasst wenigstens vier Komponenten: ein Schalternetz 22A, ein Pumpkondensatornetz 24A, ein GS-Kondensatornetz 28A und eine Phasenpumpe 6A1. Zusätzlich kann eine Steuereinheit 20 verwendet werden, um die geeigneten Steuersignale zu generieren.
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Der Eingang des Schalternetzes 22A ist mit einer Spannungsquelle 14 gekoppelt, während der Ausgang des Schalternetzes 22A mit einer Last 18 gekoppelt ist. Das Schalternetz 22A umfasst eine Folge von Schaltern, die in Serie verbunden sind. Wenigstens ein Kondensator ist mit einem Knoten zwischen angrenzenden Schaltern im Schalternetz 22A gekoppelt.
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Im Pumpkondensatornetz 24A ist eine Seite jedes Pumpkondensators mit dem Schalternetz 22A durch einen Pumpbus BA1 gekoppelt. Die andere Seite jedes Pumpkondensators ist mit der Phasenpumpe 6A1 am Pumpknoten PA1 gekoppelt. Ähnlich ist im GS-Kondensatornetz 28A eine Seite jedes GS-Kondensators mit dem Schalternetz 22A durch einen GS-Bus BZA gekoppelt. Die andere Seite jedes GS-Kondensators ist mit einer GS-Spannung gekoppelt. Eine zweckmäßige Wahl einer GS-Spannung kommt vom Ausgang des Kaskadenvervielfachers 16A.
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Die Phasenpumpe 6A1 hat einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand. Im ersten Zustand ist der Ausgang der Phasenpumpe 6A1 tief, und im zweiten Zustand ist der Ausgang der Phasenpumpe 6A1 hoch. Während des Betriebs geht die Phasenpumpe 6A1 zyklisch zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand mit einer spezifischen Frequenz hin und her.
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Das Schalternetz 22A und die Phasenpumpe 6A1 sind synchronisiert, so dass Ladungspackungen entlang des Schalternetzes 22A hin- und herpendeln, da das Pumpkondensatornetz 24A wiederholt von der Phasenpumpe 6A1 geladen und entladen wird. Ladung wird zwischen dem Pumpkondensatornetz 24A und dem GS-Kondensatornetz 28A hin und zurück transportiert. Es dauert mehrere Zyklen, bis die Initialladung von der Spannungsquelle 14 die Last 18 erreicht. Das Pumpkondensatornetz 24A sieht eine Spannungstransformation vor, während das GS-Kondensatornetz 28A als Zwischenspeicher für das Pumpkondensatornetz 24A dient.
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Der generische Einphasen-Kaskadenvervielfacher 16A, der in 5A gezeigt ist, ist eine Generalisierung des Kaskadenvervielfachers 16A in 1A. Jede Komponente in 5A entspricht einem Gegenstück in 1A. Das Schalternetz 22A in 5A entspricht der Serienverbindung der Dioden D1–D6 in 1A. Das Pumpkondensatornetz 24A in 5A entspricht der Serienanordnung der Pumpkondensatoren CA11–CA13 in 1A. Das GS-Kondensatornetz 28A in 5A entspricht der Serienanordnung der GS-Kondensatoren CZ1–CZ3 in 1A. Zusätzlich ist die Phasenpumpe 6A1 in 5A in 1A nicht gezeigt.
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Die Dioden D1–D6 in 1A können unter dem folgenden Umstand durch Schalter ersetzt werden. Die Schalter werden eingeschaltet, wenn ihre entsprechenden Dioden Strom fließen gelassen hätten, und ausgeschaltet, wenn ihre entsprechenden Dioden einen Stromfluss unterdrückt hätten. Wie hier verwendet, bedeutet die Unterdrückung von Strom, dass der Stromfluss entweder eliminiert oder abgeschwächt wird.
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5B ist eine neue Implementierung des Kaskadenvervielfachers 16A, der in 5A allgemeiner veranschaulicht ist. Der Kaskadenvervielfacher 16A empfängt eine Eingangsspannung VIN von der Spannungsquelle 14 und erzeugt eine Ausgangsspannung VO, die ein Fünftel der Eingangsspannung VIN beträgt. Das Pumpkondensatornetz 24A und das GS-Kondensatornetz 28A verwenden die in 4A gezeigte Kondensatornetzanordnung. Das Pumpkondensatornetz 24A umfasst einen ersten, zweiten, dritten und vierten Pumpkondensator CA11, CA12, CA13, CA14, die für das Vorsehen einer Spannungstransformation verantwortlich sind. Im Gegensatz dazu umfasst das GS-Kondensatornetz 28A einen ersten, zweiten, dritten und vierten GS-Kondensator CAZ1, CAZ2, CAZ3, CAZ4, die für das Generieren von GS-Spannungspegeln verantwortlich sind.
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Alle der Vorrichtungen im Schalternetz 22A und in der Phasenpumpe 6A1 werden unter Verwendung von Schaltern implementiert. Die Phasenpumpe 6A1 geht zyklisch zwischen einem ersten Intervall und einem zweiten Intervall mit einer spezifischen Frequenz hin und her. Die Spannung am Pumpknoten PA1 während des ersten Intervalls ist Masse. Im Gegensatz dazu ist die Spannung am Pumpknoten PA1 während des zweiten Intervalls die Ausgangsspannung VO.
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Unter der Annahme, dass die Eingangsspannung VIN gleich fünf Volt ist, ist der Betrieb der Schaltung wie folgt. Während des ersten Intervalls werden die mit “1” markierten Schalter geschlossen, die mit “2” markierten Schalter sind offen, und die Spannung am Pumpknoten PA1 ist null Volt. Als Ergebnis werden die Pumpkondensatoren CA11–CA14 entladen, während die GS-Kondensatoren CAZ1–CAZ4 geladen werden.
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Während des zweiten Intervalls, das auf das erste Intervall nachfolgt, sind die mit “1” markierten Schalter offen, die mit “2” markierten Schalter sind geschlossen, und die Spannung am Pumpknoten PA1 ist ein Volt. Demgemäß werden die Pumpkondensatoren CA11–CA14 geladen, während die GS-Kondensatoren CAZ1–CAZ4 entladen werden.
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Die Spannungsbeanspruchung an dem zweiten Pumpkondensator CA12 und dem zweiten GS-Kondensator CAZ2 ist zwei Volt, während die Spannungsbeanspruchung an jedem verbleibenden Kondensator ein Volt ist. Demgemäß ist die maximale Spannungsbeanspruchung zwei Volt mit einer ziemlich gleichmäßigen Verteilung der Spannungsbeanspruchung unter den Pumpkondensatoren CA11–CA14 und den GS-Kondensatoren CAZ1–CAZ4.
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Ein Blockbild eines weiteren generischen Einphasen-Kaskadenvervielfachers 16A wird erstellt, indem das GS-Kondensatornetz 28A in 5A durch ein zweites Pumpkondensatornetz 26A und eine zweite Phasenpumpe 6A2 ersetzt wird, wie in 6A gezeigt. Zusätzlich zum zweiten Pumpkondensatornetz 26A und der zweiten Phasenpumpe 6A2 umfasst der erhaltene generische Einphasen-Kaskadenvervielfacher 16A ein Schalternetz 22A, ein erstes Pumpkondensatornetz 24A und eine erste Phasenpumpe 6A1. Zusätzlich kann eine Steuereinheit 20 verwendet werden, um die geeigneten Steuersignale zu generieren.
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Der Eingang des Schalternetzes 22A ist mit einer Spannungsquelle 14 gekoppelt, während der Ausgang des Schalternetzes 22A mit einer Last 18 gekoppelt ist. Das Schalternetz 22A umfasst eine Folge von Schaltern, die in Serie verbunden sind. Wenigstens ein Kondensator ist mit einem Knoten zwischen angrenzenden Schaltern im Schalternetz 22A gekoppelt.
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Im ersten Pumpkondensatornetz 24A ist eine Seite jedes Pumpkondensators mit dem Schalternetz 22A durch einen ersten Pumpbus BA1 gekoppelt. Die andere Seite jedes Pumpkondensators im ersten Pumpkondensatornetz 24A ist mit der ersten Phasenpumpe 6A1 an einem ersten Pumpknoten PA1 gekoppelt. Ähnlich ist im zweiten Pumpkondensatornetz 26A eine Seite jedes Pumpkondensators mit dem Schalternetz 22A durch einen zweiten Pumpbus BA2 gekoppelt. Die andere Seite jedes Pumpkondensators im zweiten Pumpkondensatornetz 26A ist mit der zweiten Phasenpumpe 6A2 an einem zweiten Pumpknoten PA2 gekoppelt.
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Die erste und die zweite Phasenpumpe 6A1, 6A2 haben einen ersten Zustand und einen zweiten Zustand. Im ersten Zustand ist der Ausgang der ersten Phasenpumpe 6A1 tief, und der Ausgang der zweiten Phasenpumpe 6A2 ist hoch. Im zweiten Zustand ist der Ausgang der ersten Phasenpumpe 6A1 hoch, und der Ausgang der zweiten Phasenpumpe 6A2 ist tief. Während des Betriebs gehen die Phasenpumpen 6A1, 6A2 zyklisch zwischen dem ersten Zustand und dem zweiten Zustand mit einer spezifischen Frequenz hin und her.
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Das Schalternetz 22A, die erste Phasenpumpe 6A1 und die zweite Phasenpumpe 6A2 sind synchronisiert, so dass Ladungspackungen entlang des Schalternetzes 22A hin- und herpendeln, da das erste und das zweite Pumpkondensatornetz 24A, 26A jeweils wiederholt von der ersten und der zweiten Phasenpumpe 6A1, 6A2 geladen und entladen werden. Ladung wird zwischen dem ersten Pumpkondensatornetz 24A und dem zweiten Pumpkondensatornetz 26A hin und zurück transportiert. Es dauert mehrere Zyklen, bis die Initialladung von der Spannungsquelle 14 die Last 18 erreicht.
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Der generische Einphasen-Kaskadenvervielfacher 16A, der in 6A gezeigt ist, ist eine Generalisierung des Kaskadenvervielfachers 16B in 1A. Jede Komponente in 6A entspricht einem Gegenstück in 1B. Das Schalternetz 22A in 6A entspricht der Serienverbindung der Dioden D1–D7 in 1B. Das erste Pumpkondensatornetz 24A in 6A entspricht der parallelen Anordnung der Pumpkondensatoren CA11–CA13 in 1B. Das zweite Pumpkondensatornetz 26A in 6A entspricht der parallelen Anordnung der Pumpkondensatoren CA21–CA23 in 1B. Letztlich sind die erste und die zweite Phasenpumpe 6A1, 6A2 in 6A in 1B nicht gezeigt.
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Die Dioden D1–D7 in 1B sind spezifische Implementierungen von Schaltern. Eine Diode hat einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand, wie ein Schalter. Um eine allgemeinere Darstellung zu liefern, können die Dioden D1–D7 in 1B durch Schalter ersetzt werden. Jeder Schalter muss geeignet gesteuert werden, damit der Kaskadenvervielfacher 16A arbeitet.
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6B ist eine neue Implementierung des Kaskadenvervielfachers 16A, der in 6A allgemeiner veranschaulicht ist. Der Kaskadenvervielfacher 16A empfängt eine Eingangsspannung VIN von der Spannungsquelle 14 und erzeugt eine Ausgangsspannung VO, die ein Achtel der Eingangsspannung VIN beträgt. Das erste Pumpkondensatornetz 24A verwendet die in 4C gezeigte Kondensatornetzanordnung, während das zweite Pumpkondensatornetz 26A die in 2C gezeigte Kondensatornetzanordnung verwendet.. Das erste Pumpkondensatornetz 24A umfasst einen ersten, zweiten, dritten und vierten Pumpkondensator CA11, CA12, CA13, CA14. Ähnlich umfasst das zweite Pumpkondensatornetz 26A einen fünften, sechsten und siebenten Pumpkondensator CA21, CA22, CA23.
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Alle der Vorrichtungen im Schalternetz 22A, in der ersten Phasenpumpe 6A1 und in der zweiten Phasenpumpe 6A2 werden unter Verwendung von Schaltern implementiert. Die erste und die zweite Phasenpumpe 6A1, 6A2 gehen zyklisch zwischen einem ersten und zweiten Intervall mit einer spezifischen Frequenz hin und her. Während des ersten Intervalls ist die Spannung am ersten Pumpknoten PA1 Erde, und die Spannung am zweiten Pumpknoten PA2 ist die Ausgangsspannung VO. Im Gegensatz dazu ist während des zweiten Intervalls die Spannung am ersten Pumpknoten PA1 die Ausgangsspannung VO, und die Spannung am zweiten Pumpknoten PA2 ist Masse.
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Unter der Annahme, dass die Spannung VIN gleich acht Volt ist, ist der Betrieb der Schaltung wie folgt. Während des ersten Intervalls werden die mit “1” markierten Schalter geschlossen, die mit „2“ markierten Schalter sind offen, die Spannung am Pumpknoten PA1 ist null Volt, und die Spannung am zweiten Pumpknoten PA2 ist ein Volt. Als Ergebnis werden die Pumpkondensatoren CA11–CA14 entladen, während die Pumpkondensatoren CA21–CA23 geladen werden.
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Während des zweiten Intervalls, das auf das erste Intervall nachfolgt, sind die mit “1” markierten Schalter offen, die mit “2” markierten Schalter sind geschlossen, die Spannung am ersten Pumpknoten PA1 ist null Volt, und die Spannung am zweiten Pumpknoten PA2 ist ein Volt. Demgemäß werden die Pumpkondensatoren CA11–CA14 geladen, während die Pumpkondensatoren CA21–CA23 entladen werden.
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Die Spannungsbeanspruchung an dem ersten, zweiten, fünften und siebenten Pumpkondensator CA11, CA12, CA21, CA23 ist ein Volt, drei Volt, zwei Volt bzw. zwei Volt, während die Spannungsbeanspruchung an jedem verbleibenden Kondensator vier Volt ist. Demgemäß ist die maximale Spannungsbeanspruchung vier Volt mit einer mäßigen Verteilung der Spannungsbeanspruchung unter den Pumpkondensatoren.
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Im Einphasen-Kaskadenvervielfacher 16A, der in 5A, 6A veranschaulicht ist, gibt es Zeitperioden, während welcher die Spannungsquelle 14 nicht mit der Last 18 gekoppelt ist. Falls jedoch zwei Einphasen-Kaskadenvervielfacher 16A parallel und einhundertundachtzig Grad außer Phase betrieben werden, wird dann die Spannungsquelle 14 dann immer mit der Last 18 zu einer beliebigen gegebenen Zeit gekoppelt sein. Diese Anordnung wird als Zweiphasen- oder Dualphasen-Kaskadenvervielfacher 16A bezeichnet.
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Auf der Basis des generischen Einphasen-Kaskadenvervielfachers 16A in 5A kann ein generischer Dualphasen-Kaskadenvervielfacher 16A, wie in 7A gezeigt, konstruiert werden. Der generische Dualphasen-Kaskadenvervielfacher 16A umfasst ein erstes Schalternetz 22A, ein zweites Schalternetz 22B, ein erstes Pumpkondensatornetz 24A, ein zweites Pumpkondensatornetz 24B, eine erste Phasenpumpe 6A1, eine zweite Phasenpumpe 6B2, ein erstes GS-Kondensatornetz 28A und ein zweites GS-Kondensatornetz 28B. Zusätzlich kann eine Steuereinheit 20 verwendet werden, um die geeigneten Steuersignale zu generieren.
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Das erste Pumpkondensatornetz 24A ist mit der ersten Phasenpumpe 6A1 an einem ersten Pumpknoten PA1 und mit dem ersten Schalternetz 22A durch einen ersten Pumpbus BA1 gekoppelt. Ähnlich ist das zweite Pumpkondensatornetz 24B mit der zweiten Phasenpumpe 6B2 an einem zweiten Pumpknoten PB2 und mit dem zweiten Schalternetz 22B durch einen zweiten Pumpbus BB2 gekoppelt. Ferner ist das erste GS-Kondensatornetz 28A mit dem ersten Schalternetz 22A durch einen ersten GS-Bus BAZ und mit einer ersten GS-Spannung gekoppelt. Das zweite GS-Kondensatornetz 28B ist indessen mit dem zweiten Schalternetz 22B durch einen zweiten GS-Bus BBZ und mit einer zweiten GS-Spannung gekoppelt. Wie zuvor kommt eine zweckmäßige Wahl der ersten und/oder zweiten GS-Spannung vom Ausgang des Kaskadenvervielfachers 16A.
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Der Ausgang der ersten Phasenpumpe 6A1 wird an den ersten Pumpknoten PA1 geliefert, und der Ausgang der zweiten Phasenpumpe 6B2 wird an den zweiten Pumpknoten PB2 geliefert. Das Signal am ersten Pumpknoten PA1 und das Signal am zweiten Pumpknoten PB2 sind einhundertundachtzig Grad außer Phase. Wann immer der erste Pumpknoten PA1 hoch ist, ist demgemäß der zweite Pumpknoten PB2 tief, und umgekehrt.
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7B ist eine neue Implementierung des generischen Dualphasen-Kaskadenvervielfachers 16A, der in 7A veranschaulicht ist und der die in 4B gezeigte Kondensatornetzanordnung verwendet. Das erste Pumpkondensatornetz 24A umfasst einen ersten, zweiten, dritten und vierten Pumpkondensator CA11, CA12, CA13, CA14. Ähnlich umfasst das zweite Pumpkondensatornetz 24B einen fünften, sechsten, siebenten und achten Pumpkondensator CB11, CB12, CB13, CB14.
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Das erste und zweite GS-Kondensatornetz 28A, 28B in 7A können zusammengeführt werden, falls die Spannung an den entsprechenden GS-Kondensatoren innerhalb des ersten und des zweiten GS-Kondensatornetzes 28A, 28B auf den gleichen GS-Werten ist. Daher werden das erste und das zweite GS-Kondensatornetz 28A, 28B in 7A durch ein drittes GS-Kondensatornetz 28AB in 7B ersetzt. Das dritte GS-Kondensatornetz 28AB umfasst einen ersten, zweiten und dritten GS-Kondensator CZ1, CZ2, CZ3. Ähnlich dem ersten und zweiten GS-Kondensatornetz 28A, 28B generiert das dritte GS-Kondensatornetz 28AB GS-Spannungspegel.
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Der Dualphasen-Kaskadenvervielfacher 16A empfängt eine Eingangsspannung VIN von einer Spannungsquelle 14 und hält eine Ausgangsspannung VO aufrecht, die ein Fünftel der Eingangsspannung VIN beträgt. Alle der Vorrichtungen im ersten Schalternetz 22A, im zweiten Schalternetz 22B, in der ersten Phasenpumpe 6A1 und in der zweiten Phasenpumpe 6B2 werden unter Verwendung von Schaltern implementiert. Die erste und die zweite Phasenpumpe 6A1, 6B2 verwenden die Ausgangsspannung VO und Masse, um eine Spannung zu erzeugen, wobei ein erstes und ein zweites Intervall mit einer spezifischen Frequenz wiederholt werden.
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Unter der Annahme, dass die Spannung VIN gleich fünf Volt ist, ist der Betrieb der Schaltung wie folgt. Während des ersten Intervalls werden die mit “1” markierten Schalter geschlossen, die mit “2” markierten Schalter sind offen, die Spannung am ersten Pumpknoten PA1 ist null Volt, und die Spannung am zweiten Pumpknoten PB2 ist ein Volt. Als Ergebnis werden die Pumpkondensatoren CA11–CA14 entladen, während die Pumpkondensatoren CB11–CB14 geladen werden. Idealerweise werden die GS-Kondensatoren CZ1–CZ3 weder geladen noch entladen, da die Entladungsströme des ersten, zweiten, dritten und vierten Pumpkondensators CA11, CA12, CA13, CA14 jeweils mit den Ladungsströmen des fünften, sechsten, siebenten und achten Pumpkondensators CB11, CB12, CB13, CB14 übereinstimmen.
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Während des zweiten Intervalls, das auf das erste Intervall nachfolgt, sind die mit “1” markierten Schalter offen, die mit “2” markierten Schalter sind geschlossen, die Spannung am ersten Pumpknoten PA1 ist ein Volt, und die Spannung am zweiten Pumpknoten PB2 ist null Volt. Demgemäß werden die Pumpkondensatoren CA11–CA14 geladen, während die Pumpkondensatoren CB11–CB14 entladen werden. Idealerweise werden die GS-Kondensatoren CZ1–CZ3 weder geladen noch entladen, da die Ladungsströme des ersten, zweiten, dritten und vierten Pumpkondensators CA11, CA12, CA13, CA14 jeweils mit den Entladungsströmen des fünften, sechsten, siebenten und achten Pumpkondensators CB11, CB12, CB13, CB14 übereinstimmen.
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Die Spannungsbeanspruchung an dem ersten, dritten, fünften und siebenten Pumpkondensator CA11, CA13, CB11, CB13 ist ein Volt, während die Spannungsbeanspruchung an jedem verbleibenden Kondensator zwei Volt ist. Demgemäß ist die maximale Spannungsbeanspruchung zwei Volt mit einer ziemlich gleichmäßigen Verteilung der Spannungsbeanspruchung unter den Pumpkondensatoren.
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Ein weiterer generischer Dualphasen-Kaskadenvervielfacher 16A ist in 8A gezeigt. Die Implementierung in 8A basiert auf dem generischen Einphasen-Kaskadenvervielfacher 16A in 6A. Daher umfasst der generische Dualphasen-Kaskadenvervielfacher 16A ein erstes Schalternetz 22A, ein zweites Schalternetz 22B, ein erstes Pumpkondensatornetz 24A, ein zweites Pumpkondensatornetz 26A, ein drittes Pumpkondensatornetz 24B, ein viertes Pumpkondensatornetz 26B, eine erste Phasenpumpe 6A1, eine zweite Phasenpumpe 6B2, eine dritte Phasenpumpe 6B2 und eine vierte Phasenpumpe 6B1. Zusätzlich kann eine Steuereinheit 20 verwendet werden, um die geeigneten Steuersignale zu generieren.
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Das erste Pumpkondensatornetz 24A ist mit der ersten Phasenpumpe 6A1 an einem ersten Pumpknoten PA1 und mit dem ersten Schalternetz 22A durch einen ersten Pumpbus BA1 gekoppelt. Ähnlich ist das zweite Pumpkondensatornetz 26A mit der zweiten Phasenpumpe 6A2 an einem zweiten Pumpknoten PA2 und mit dem ersten Schalternetz 22A durch einen zweiten Pumpbus BA2 gekoppelt. Ferner ist das dritte Pumpkondensatornetz 24B mit der dritten Phasenpumpe 6B2 an einem dritten Pumpknoten PB2 und mit dem zweiten Schalternetz 22B durch einen dritten Pumpbus BB2 gekoppelt. Das vierte Pumpkondensatornetz 26B ist indessen mit der vierten Phasenpumpe 6B1 an einem vierten Pumpknoten PB1 und mit dem zweiten Schalternetz 22B durch einen vierten Pumpbus BB1 gekoppelt.
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Die Ausgänge der ersten, zweiten, dritten und vierten Phasenpumpe 6A1, 6A2, 6B2, 6B1 werden jeweils an den ersten, zweiten, dritten und vierten Pumpknoten PA1, PA2, PB2, PB1 geliefert. Die Signale am ersten und zweiten Pumpknoten PA1, PA2 sind in der Phase entgegengesetzt. Ähnlich sind die Signale am dritten und vierten Pumpknoten PB2, PB1 in der Phase entgegengesetzt. Die Signale am ersten und vierten Pumpknoten PA1, PB1 sind jedoch phasengleich. Wann immer der erste und vierte Pumpknoten PA1, PB1 hoch sind, sind daher der zweite und dritte Pumpknoten PA2, PB2 tief, und umgekehrt. Aufgrund der Phasenausrichtung können ferner die erste und vierte Phasenpumpe 6A1, 6B1 dieselbe physische Pumpe oder verschiedene Pumpen sein, die phasengleich sind. Ähnlich können die zweite und dritte Phasenpumpe 6A2, 6B2 dieselbe physische Pumpe oder verschiedene Pumpen sein, die phasengleich sind.
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8B ist eine neue Implementierung des generischen Dualphasen-Kaskadenvervielfachers 16A, der in 8A veranschaulicht ist und der die in 4C gezeigte Kondensatornetzanordnung verwendet. Das erste Pumpkondensatornetz 24A umfasst einen ersten, zweiten, dritten und vierten Pumpkondensator CA11, CA12, CA13, CA14. Das zweite Pumpkondensatornetz 26A umfasst einen fünften, sechsten, siebenten und achten Pumpkondensator CA21, CA22, CA23, CA24. Das dritte Pumpkondensatornetz 24B umfasst einen neunten, zehnten, elften und zwölften Pumpkondensator CB11, CB12, CB13, CB14. Letztlich umfasst das vierte Pumpkondensatornetz 26B einen dreizehnten, vierzehnten, fünfzehnten und sechzehnten Pumpkondensator CB21, CB22, CB23, CB24.
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Der Dualphasen-Kaskadenvervielfacher 16A empfängt eine Eingangsspannung von einer Spannungsquelle 14 und hält eine Ausgangsspannung VO, die ein Neuntel der Eingangsspannung VIN beträgt. Alle der Vorrichtungen im ersten Schalternetz 22A, im zweiten Schalternetz 22B und in den Phasenpumpen 6A1, 6A2, 6B2, 6B1 werden unter Verwendung von Schaltern implementiert. Die vier Phasenpumpen 6A1, 6A2, 6B2, 6B1 verwenden die Ausgangsspannung VO und Masse, um Spannungen zu erzeugen, wobei ein erstes und ein zweites Intervall mit einer spezifischen Frequenz wiederholt werden.
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Unter der Annahme, dass die Spannung VIN gleich neun Volt ist, ist der Betrieb der Schaltung wie folgt. Während des ersten Intervalls werden die mit “1” markierten Schalter geschlossen, die mit “2” markierten Schalter sind offen, die Spannung am ersten und vierten Pumpknoten PA1, PB1 ist null Volt, und die Spannung am zweiten und dritten Pumpknoten PA2, PB2 ist ein Volt. Als Ergebnis werden die Pumpkondensatoren CA11–CA14, CB21–CB24 entladen, während die Pumpkondensatoren CA21–CA24, CB11–CB14 geladen werden.
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Während des zweiten Intervalls, das dem ersten Intervall folgt, sind die mit “1” markierten Schalter offen, die mit “2” markierten Schalter sind geschlossen, die Spannung am ersten und vierten Pumpknoten PA1, PB1 ist ein Volt, und die Spannung am zweiten und dritten Pumpknoten PA2, PB2 ist null Volt. Demgemäß werden die Pumpkondensatoren CA11–CA14, CB21–CB24 geladen, während die Pumpkondensatoren CA21–CA24, CB11–CB14 entladen werden.
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Die Spannungsbeanspruchung an dem ersten und neunten Pumpkondensator CA11, CB11 ist ein Volt. Die Spannungsbeanspruchung an dem zweiten und zehnten Pumpkondensator CA12, CB12 ist drei Volt. Die Spannungsbeanspruchung an dem fünften und dreizehnten Pumpkondensator CA21, CB21 ist zwei Volt. Letztlich ist die Spannungsbeanspruchung an jedem verbleibenden Pumpkondensator vier Volt. Demgemäß ist die maximale Spannungsbeanspruchung vier Volt mit einer mäßigen Verteilung der Spannungsbeanspruchung unter den Pumpkondensatoren.
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Im Allgemeinen haben die Schalter, die innerhalb eines ersten und zweiten Schalternetzes 22A, 22B enthalten sind, einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand. Ähnlich haben auch die Schalter, die innerhalb einer ersten Phasenpumpe 6A1, einer zweiten Phasenpumpe 6A2, einer dritten Phasenpumpe 6B2, usw., enthalten sind, einen Ein-Zustand und einen Aus-Zustand. Im Ein-Zustand fließt Strom durch den Schalter, wohingegen im Aus-Zustand der Strom durch den Schalter unterdrückt wird. Beispiele solcher Schalter umfassen Dioden, Transistoren, Vakuumröhren und mikromechanische Relais.
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Auch wenn 5A, 6A, 7A und 8A vier generische Typen geschalteter Kondensatorwandler innerhalb der Kaskadenvervielfacherfamilie veranschaulichen, gibt es andere mögliche Variationen. Beispielsweise ist für einen gewöhnlichen Fachmann die Möglichkeit der Erhöhung der Anzahl von Phasen über zwei hinaus oder einer dynamischen Neuanordnung des Transformationsverhältnisses des Kaskadenvervielfachers 16A klar.
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Darüber hinaus sind andere Schaltungsimplementierungen zusätzlich zu den in 5B, 6B, 7B und 8B gezeigten möglich. Beispielsweise wurde jede Schaltungsimplementierung ausgelegt, eine höhere Eingangsspannung VIN in eine niedrigere Ausgangsspannung VO umzuwandeln. Gewöhnliche Fachleute werden jedoch verstehen, wie entsprechende Schaltungsimplementierungen zu erzeugen sind, die eine niedrige Eingangsspannung VIN in eine höhere Ausgangsspannung VO umwandeln.
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Ferner kann auch ein Totzeit-Intervall zwischen dem ersten Intervall und dem zweiten Intervall und anschließend zwischen dem zweiten Intervall und dem ersten Intervall eingeschlossen werden. Um einen klaren Übergang sicherzustellen, sind alle Schalter im Aus-Zustand während des Totzeit-Intervalls. Diese Technik wird häufig als „nicht kurzschließend“ („break before make“) bezeichnet.
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Verschiedene Merkmale, Aspekte und Ausführungsformen geschalteter Kondensatorwandler wurden hier beschrieben. Die beschriebenen Merkmale, Aspekte und zahlreichen Ausführungsformen können miteinander sowie mit Variationen und Modifikationen kombiniert werden, wie für gewöhnliche Fachleute ersichtlich ist. Die vorliegende Offenbarung soll daher solche Kombinationen, Variationen und Modifikationen umfassen. Zusätzlich werden die Begriffe und Ausdrücke, die hier verwendet wurden, als Begriffe der Beschreibung und nicht der Einschränkung eingesetzt. Die Verwendung solcher Begriffe und Ausdrücke soll keine Äquivalente der gezeigten und beschriebenen Merkmale (oder Teile davon) ausschließen, und es wird festgestellt, dass verschiedene Modifikationen innerhalb des Schutzbereichs der Ansprüche möglich sind. Andere Modifikationen, Variationen und Alternativen sind auch möglich. Demgemäß sollen die Ansprüche alle derartigen Äquivalente abdecken.
