DE112013006828T5

DE112013006828T5 - Schutz einer Stromwandlerschaltung mit geschalteten Kondensatoren

Info

Publication number: DE112013006828T5
Application number: DE112013006828.1T
Authority: DE
Inventors: David Giuliano; Gregory Szczeszynski; Jeff Summit; Oscar Blyde; Aichen Low
Original assignee: Arctic Sand Technologies Inc
Current assignee: PSemi Corp
Priority date: 2013-03-15
Filing date: 2013-12-30
Publication date: 2016-03-10
Also published as: KR102416267B1; US10666134B2; GB202102377D0; US20240014735A1; US20210152084A1; US11025164B2; WO2014143366A1; GB2587732B; TW201448428A; GB2588878A; GB202102388D0; KR102640555B1; US20210006157A1; CN105229908A; KR20150132530A; US20180097444A1; US20200366195A1; GB2526492A; KR20220098263A; GB201516830D0

Abstract

Übergangs- oder Fehlerzustände bei einer Stromwandlerschaltung mit geschalteten Kondensatoren durch Messen von mindestens einer internen Spannung und/oder Stromstärke, die in Verbindung mit Schaltelementen (z. B. Transistoren) oder Phasenknoten steht, oder von Spannungen oder Stromstärken an Anschlüssen des Wandlers erkannt und sie erkennen aufgrund dieser Messungen, dass ein solcher Zustand aufgetreten ist, wenn die Messungen von einem vorfestgelegten Bereich abweichen. Bei Erkennen des Zustands ändert eine Fehlerbeherrschungsschaltung den Betrieb des Wandlers, zum Beispiel durch das Verwenden eines Hochspannungsschalters, um zumindest einige der Schaltelemente von mindestens einem Anschluss des Wandlers elektrisch zu trennen, oder durch das Ändern der Timing-Eigenschaften der Phasensignale.

Description

Querverweis zu verwandten Patentanmeldungen
Diese Patentanmeldung beansprucht Priorität gegenüber der US-Patentanmeldung Nr. 13/838,681, welche am 15. März 2013 eingereicht wurde, wobei deren Inhalte in dieser Schrift durch Bezugnahme in Gänze eingeschlossen sind.
Hintergrund
Diese Erfindung betrifft den Schutz einer Stromwandlerschaltung mit geschalteten Kondensatoren.
Diverse Konfigurationen von Stromwandlerschaltungen mit geschalteten Kondensatoren bieten Spannungswandlung (d. h. herauftransformierend, herabtransformierend oder bidirektional) zwischen einer Hochspannungs- und einer Niederspannungsseite. Eine Dickson-Ladungspumpe ist ein Beispiel für eine derartige Umwandlungsschaltung. Die Steuerung der Ladungsübertragung zwischen den Kondensatoren nutzt im Allgemeinen Schaltelemente, die als „Schalter” fungieren, zum Beispiel Dioden oder FET-Transistoren.
Einige Konfigurationen von Schaltelementen und Kondensatoren begrenzen die typische maximale Spannung über die Schaltelemente hinweg im Normalbetrieb. Derartige begrenzte Spannungen ermöglichen die Verwendung von Schaltelementen, die nicht zwingend die vollständige Spannung der Hochspannungsseite oder die Differenz zwischen der Spannung der Hochspannungsseite und der Spannung der Niederspannungsseite beinhalten müssen, wodurch die Verwendung von „Niederspannungs”-Elementen ermöglicht wird. Zum Beispiel weisen bei einer herkömmlichen Dickson-Ladungspumpe mit einer Umwandlung zwischen 20 Volt und 5 Volt in 4 Stufen die Schaltelemente typischerweise ein Maximum von 10 Volt während des Betriebs auf und erfordern somit eine Spannungsfestigkeit (z. B. Durchschlagspannungsfestigkeit) von 10 Volt.
Ladungspumpen transformieren eine Eingangsspannung durch Speichern eines Teils der Eingangsspannung über alle Kondensatoren hinweg herauf oder herab. Da sich das Ausmaß der Spannungsumwandlung erhöht, erhöht sich die Zahl der benötigten Kondensatoren. Es sind Schalter an beiden Anschlüssen aller Kondensatoren erforderlich, um die Ladungsübertragung durchzuführen und die Ladungspumpe zu konfigurieren, um ein gewünschtes Spannungsumwandlungsverhältnis bereitzustellen.
1A–1B zeigen zwei Ladungspumpen. Die erste in 1A ist eine 1:3-Herabtransformationskonfiguration und die zweite in 1B ist eine 3:1-Herauftransformationskonfiguration. Die Spannungsetiketten an jedem Knoten haben zwei Werte, einen für jede Betriebsstufe: Spannungswert während Stufe 1/Spannungswert während Stufe 2. Jeder Schalter muss auf eine nicht überlappende Weise während Stufe 1 oder Stufe 2 ein- und ausgeschaltet werden. Sowohl für die Herauftransformation als auch für die Herabtransformation ist der als VX ausgewiesene Knoten das niedrigste Ladungspumpenspannungsniveau: VX ist typischerweise der Ausgang einer Herabtransformation und umgekehrt der Eingang einer Herauftransformation. VX legt ferner den Gerätespannungsabfall über alle Schalter hinweg fest, wenn der Schalter ausgeschaltet ist: die Schalter an der Unterseite der Kondensatoren weisen jeweils einen maximalen Spannungsabfall von VX auf, während die Schalter an der Oberseiter aller Kondensatoren einen maximalen Spannungsabfall von 2VX aufweisen. Das bedeutet, dass die als Schalter an der Oberseite der Kondensatoren ausgewählten Transistoren eine Drain-Source-Durchschlagspannung (BV_DSS nach engl. „drain-to-source breakdown voltage”) über 2VX erfordern, um Schäden zu verhindern. Im Allgemeinen: Je höher die BV_DSS eines MOS-Transistors ist, desto größer sind der Transistorbereich und die Kapazitäten für einen bestimmten an-Widerstand, was die Chip-Kosten und den Schaltleistungsverlust erhöht. Deshalb ist es wünschenswert, einen Transistor zu verwenden, dessen BV_DSS nahe an dem maximalen Spannungsabfall ist, den der Transistor unterstützen muss.
2 zeigt eine verschachtelte Version der herabtransformierenden Ladungspumpe aus 1A, bei der die Schalter an der Oberseite jedes Kondensators einen maximalen Spannungsabfall von nur VX aufweisen. Es ist zu beachten, dass die verschachtelte Topologie den maximalen Spannungsabfall, der über alle Schalter hinweg auftritt, verringern kann, indem sie jeden der oberen Schalter einfach kaskodiert (oder unter Verwendung von zwei in Reihe geschalteten Transistoren je oberen Schalter), obwohl andere Vorgehensweisen dieses Ziel ebenfalls erreichen können. Für die meisten CMOS-Prozesse sind die Effizienz und die Chip-Bereich-Gewinne bei der Verwendung derselben niedrigen BV_DSS trotzdem so vorteilhaft, dass sie die höhere Transistor-Zählung und die Komplexität rechtfertigen. Die Komplexität entsteht dadurch, dass diese Niederspannungstransistoren bei unterschiedlichen Gleichtaktspannungsvielfachen von VX gesteuert und betrieben werden müssen. Unter Bezugnahme auf 2 als Beispiel kann der Schalter, der den obersten Kondensator mit VIN bei 6 V verbindet, ein 3,3 V-Transistor sein, da der Transistor 2 V differenziell über seine Drain-Source-Anschlüsse hinweg aufweist, wenn er nicht leitet, obwohl die absoluten Spannungs-Niveaus an den Transistor-Drain- und -Source-Anschlüssen (4 V oder 6 V je nach Betriebsstufe; wobei 4 V die Gleichtaktspannung für diesen Schalter sind) 3,3 V übersteigen. Das liegt daran, dass die BV_DSS eine Differenzspannungsbeschränkung bei dem Drain-Source-Anschluss des Transistors statt einer absoluten Beschränkung an jedem der Transistor-Anschlüsse ist. Obwohl die Drain- und Source-Anschlüsse jeweils eine absolute Durchschlagspannung auf das Siliziumsubstrat haben, sind diese absoluten Durchschlagspannungen typischerweise wesentlich höher als die BV_DSS und ermöglichen deshalb, dass der Transistor in einem Gleichtaktspannungsniveau über der BV_DSS betrieben wird.
Zusätzlich zu der BV_DSS ist eine weitere Differenzspannungsbeschränkung für einen MOS-Transistor die maximale Gate-Source-Spannung (V_GSmax), die durch die Gate-Oxid-Durchschlagspannung bestimmt wird. Moderne CMOS-Prozesse mit kleinen Geometrien und Niederspannungstransistoren erfordern dünnere Gate-Oxide, um die Leistung aufrechtzuerhalten, was ebenfalls zu geringeren V_GSmax-Werten führt. Dies macht die Konzeption einer Ladungspumpe mit einem Hochspannungsumwandlungsverhältnis unter Verwendung von Niederspannungstransistorschaltern noch komplizierter, da Sorgfalt geboten ist, um ein Überschreiten sowohl der Gate-Source- als auch der Drain-Source-Spannungsbeschränkung während des Schaltbetriebs zu vermeiden.
Handelsübliche Niederspannungstransistoren-Flavours wie beispielsweise die 1,8 V-, 3,3 V- und gelegentliche die 5 V-Transistoren spezifizieren üblicherweise eine V_GSmax-Festigkeit gleich der maximalen Drain-Source-Spannungsfestigkeit, V_DSmax, wobei V_DSmax < BV_DSS. Bei Anwendungen, bei denen die minimale VX-Spannung in dem Betriebsbereich ausreichend über der Transistorschwellenspannung liegt, ist es praktisch und günstig, dasselbe VX-Spannungsniveau für die Transistor-Gate-Treiber zu verwenden statt zu diesem Zweck separate interne Versorgungsschienen zu generieren. Dies ist durch die Tatsache begründet, dass bereits ein VX-Niveau-Spannungsbereich generiert ist und zwischen einem nicht schaltenden Knoten (z. B. VIN, VX, 4 V-Knoten zwischen den Kondensatoren aus 2) in der verschachtelten Ladungspumpe getragen wird, der in dem Ladungspumpenbetrieb selbst enthalten ist. Deshalb kann der Gate-Treiber für jeden Transistor hinsichtlich des Niveaus auf das Gleichtaktspannungsniveau dieses Transistors verschoben werden, dieselben Niederspannungstransistoren verwenden und die Transistor-Gate-Source-Spannung, wie in 3 dargestellt, zwischen 0 V und VX bringen. Der n-te Abschnitt einer verschachtelten Ladungspumpe, die zwei Schalter an der Oberseite eines Kondensators zeigt, wobei n eine ganze Zahl ist. Eine äquivalente Transistor-Niveau-Darstellung ist rechts mit Gate-Treibern dargestellt, die verwendet werden, um die Transistoren ein- und auszuschalten. Die Transistoren und die Gate-Treiber-Schaltung weisen durchweg ein Maximum der VX-Spannung auf. Der Hochspannungsschalter ist als PMOS-Transistor dargestellt, kann jedoch auch ein NMOS sein, wenn sein Gate-Treiber zwischen dem dargestellten Kondensatorknoten und einem angrenzenden Kondensatorknoten gebootstrappt wurde, der zwischen V_n+1 und V_n+2 schaltet.
Ladungspumpen transformieren eine Eingangsspannung durch das Speichern eine Teils oder von Vielfachen der Eingangsspannung bei den Kondensatoren herauf oder herab. Da sich das Ausmaß der Übertragung vergrößert, vergrößert sich die Anzahl der verwendeten Kondensatoren. Jeder Kondensator hilft dabei, eine einmalige Zwischenspannung während eines Teils des Betriebszyklus zu bilden. Die Schalter, die verwendet werden, um die Kondensatoren in unterschiedlichen Konfigurationen auszurichten, müssen über eine Energiequelle mit Strom versorgt werden.
In 4A–B sind eine Serien-Parallel- und eine Dickson-Ladungspumpe in einer 1:5-(Herabtransformations)-Konfiguration (oder 5:1-Herauftransformationskonfiguration, wenn der Stromfluss umgekehrt wird) dargestellt. Die Spannungsetiketten an jedem Knoten haben zwei Werte: der erste ist der Spannungswert während Stufe 1 des Betriebs; der zweite ist der Spannungswert während Stufe 2 des Betriebs.
Bei einer Dickson-Ladungspumpe weist jede Stufe nur einen kleinen Teil der Gesamtspannung an der Hochspannungsseite der Ladungspumpe auf. Dies ermöglicht die Verwendung von Geräten mit niedrigerer Spannungsfestigkeit und erhöht die Effizient. Wenn die Hochspannungsseite sich jedoch plötzlich schnell vergrößert, kann es sein, dass die Niederspannungsschalter einen Überspannungszustand aufweisen, der zu Schäden führen kann.
Im Allgemeinen ist es wichtig, die Schaltelemente davor zu schützen, dass sie Spannungen ausgesetzt werden, die ihre Durchschlagspannungen überschreiten, um Schäden an der Wandlungsschaltung oder einen fehlerhaften Betrieb der Schaltung zu verhindern.
Zusammenfassung
In einem Aspekt werden im Allgemeinen Übergangs- oder Fehlerzustände bei einer Stromwandlerschaltung mit geschalteten Kondensatoren durch Messen von mindestens einer internen Spannung und/oder Stromstärke, die in Verbindung mit Schaltelementen (z. B. Transistoren) oder Phasenknoten steht, oder von Spannungen oder Stromstärken an Anschlüssen des Wandlers erkannt und sie erkennen aufgrund dieser Messungen, dass ein solcher Zustand aufgetreten ist, wenn die Messungen von einem vorfestgelegten Bereich abweichen. Bei Erkennen des Zustands ändert eine Fehlerbeherrschungsschaltung den Betrieb des Wandlers, zum Beispiel durch das Verwenden eines Hochspannungsschalters, um zumindest einige der Schaltelemente von mindestens einem Anschluss des Wandlers elektrisch zu trennen, oder durch das Ändern der Timing-Eigenschaften der Phasensignale.
In einem anderen Aspekt kann im Allgemeinen im Falle, dass ein Kondensator versehentlich mit der nächsten Stufe durch sich selbst hinweg oder mit der Erde (wie beispielsweise seiner Bodenplatte mit der Erde) kurzgeschlossen wird, ein Überspannungs- und ein Unterspannungsschutz eingesetzt werden. Jeder Kondensator in der Ladungspumpe wird überwacht, um festzustellen, ob er sich innerhalb eines akzeptablen Bereichs in Bezug auf das Ladungspumpenverhältnis befindet. Zum Beispiel sollte, wenn der Ausgang der Ladungspumpe 2 V beträt, der Kondensator, der am nächsten an dem Ausgang gelegen ist, etwa 2 V betragen. Beim adiabatischen Laden kann die Kondensatorspannung während aller Zyklen etwas variieren, sodass ein ausreichender Spielraum bei dem Über- und Unterspannungsschutz vorhanden sein muss, um eine normale Spannungsvariation zu ermöglichen.
In einem anderen Aspekt weist im Allgemeinen ein Stromwandler eines geschalteten Kondensators einen ersten Anschluss zum Anschließen an eine erste externe Schaltung bei einer im Wesentlichen hohen Spannung und einen zweiten Anschluss zum Anschließen an eine zweite externe Schaltung bei einer im Wesentlichen niedrigen Spannung auf, die niedriger ist als die hohe Spannung. Beim Betrieb des Stromwandlers verläuft die Ladung auf einem Ladungsübertragungsweg zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss. Der Wandler umfasst eine Mehrzahl von Halbleiterschaltelementen. Diese Schaltelemente umfassen eine erste Reihe von Schaltelementen auf dem Ladungsübertragungsweg zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss, wobei kein Schaltelement in der ersten Reihe von Schaltelementen in Reihe mit entweder dem ersten Anschluss oder dem zweiten Anschluss verbunden ist, um im Wesentlichen die gesamte Stromstärke, der dieses Anschluss durchläuft, zu tragen, und wobei jedes Schaltelement in der ersten Reihe von Schaltelementen so konfiguriert ist, dass es einen steuerbaren Ladungsübertragungsweg zwischen einer entsprechenden Teilmenge einer Mehrzahl von Kondensatoren bildet. Diese Schaltelemente umfassen ferner eine zweite Reihe von Schaltelementen, die so konfiguriert sind, dass sie eine elektrische Verbindung zumindest einiger der Kondensatoren mit wechselnden Referenzspannungen bilden. Die Mehrzahl der Schaltelemente ist so konfiguriert, dass sie die Verbindungen in aufeinanderfolgenden Betriebszuständen bilden. Der Kondensator umfasst ferner eine Messschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie eine Spannungs- und/oder Stromstärkeneigenschaft von mindestens einem Schaltelement der ersten Reihe von Schaltelementen oder der zweiten Reihe von Schaltelementen misst, und eine mit der Messschaltung verbundene Fehlerbeherrschungschaltung, die so konfiguriert ist, dass sie den Betrieb des Stromwandlers bei Erkennen eines Zustands, der bestimmt wurde, als die gemessenen Eigenschaften der Schaltelemente von einem vorfestgelegten Bereich für diese Eigenschaften abwich, ändert.
Aspekte können mindestens eines der folgenden Merkmale umfassen.
Die Mehrzahl von Schaltelementen umfasst ferner eine dritte Reihe von Schaltelementen auf dem Ladungsübertragungsweg zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss, die in Reihe mit entweder dem ersten Anschluss oder dem zweiten Anschluss verbunden ist.
Die zweite Reihe von Schaltelementen umfasst Schaltelemente, die eine elektrische Verbindung zumindest einiger Kondensatoren mit dem Niederspannungsanschluss während einiger Betriebszustände (z. B. an „Phasenknoten” des Kondensators) bildet.
Die Betriebsstufen umfassen eine wiederholte Abfolge von getakteten Stufen.
Der Wandler umfasst ferner die Mehrzahl von Kondensatoren, wobei jeder Kondensator ein Anschluss aufweist, der mit einem Anschluss mindestens eines der Schaltelemente aus der Mehrzahl von Schaltelementen verbunden ist. In einigen Beispielen sind die Kondensatoren und Schaltelemente in eine monolithische Vorrichtung integriert.
Der Wandler umfasst eine Dickson-Ladungspumpe.
Die Spannungs- und/oder Stromstärkeneigenschaften des mindestens einen Schaltelements gehören zu einer Gruppe bestehend aus:

• einer Spannung über die Anschlüssen eines Schaltelements der ersten Reihe der Schaltelemente hinweg;
• eine Stromstärke durch ein Schaltelement der ersten Reihe von Schaltelementen;
• eine Spannung an einer Verbindungsstelle zwischen einem Schaltelement der ersten Reihe von Schaltelementen und einen Kondensator aus der Mehrzahl von Kondensatoren;
• einer Spannung über die Anschlüssen eines Kondensators aus der Mehrzahl von Kondensatoren, der mit dem Schaltelement verbunden ist, hinweg;
• einer Spannung an einer Verbindungsstelle zwischen einem Schaltelement der zweiten Reihe von Schaltelementen und einen Kondensator aus der Mehrzahl von Kondensatoren; und
• eine Stromstärke durch ein Schaltelement der ersten Reihe von Schaltelementen.

Die Spannungs- und/oder Stromstärkeneigenschaft des Schaltelementes umfasst eine Spannung über die Anschlüsse des Schaltelements hinweg.
Die Spannungs- und/oder Stromstärkeneigenschaft des Schaltelementes umfasst eine Stromstärke durch die Anschlüsse des Schaltelements.
Die Spannungs- und/oder Stromstärkeneigenschaft des Schaltelementes umfasst eine Spannung an einem Anschluss des Schaltelements.
Die Spannungs- und/oder Stromstärkeneigenschaft des Schaltelements umfasst eine Spannung über die Anschlüsse eines Kondensators aus der Mehrheit von Kondensatoren, die mit den Schaltelementen verbunden sind, hinweg.
Die Schaltelemente der zweiten Reihe von Schaltelementen bilden einen Phasengenerator, und wobei die Spannungs- und/oder Stromstärkeneigenschaft des Schaltelements eine Spannung und/oder Stromstärke umfasst, die von dem Phasengenerator bereitgestellt wird.
Jedes der Halbleiterschaltelemente umfasst einen FET-Transistor zum Verbinden von mindestens zwei der Kondensatoren.
Zumindest einige der Halbleiterschaltelemente umfassen ein Netzwerk aus mehreren FET-Transistoren.
Zumindest einige der Schaltelemente der ersten Reihe von Schaltelementen oder der zweiten Reihe von Schaltelementen weisen einen maximalen Spannungswert auf, der niedriger ist als die Hochspannung.
Zumindest einige der Schaltelemente der ersten Reihe von Schaltelementen oder der zweiten Reihe von Schaltelementen weisen einen maximalen Spannungswert auf, der niedriger ist als die Differenz zwischen der Hochspannung und der Niederspannung.
Zumindest einige der Schaltelemente der ersten Reihe von Schaltelementen oder der zweiten Reihe von Schaltelementen weisen einen maximalen Spannungswert auf, der nicht größer ist als ein Teil 1/N, N < 1, der Differenz zwischen der Hochspannung und der Niederspannung.
Die Fehlerbeherrschungsschaltung umfasst mindestens einen Schalter, der einen maximalen Spannungswert aufweist, der größer ist als der Spannungswert zumindest einiger aus der Mehrzahl von Schaltungen, wobei der mindestens eine Schalter so konfiguriert ist, dass er den Stromfluss durch zumindest einige Schaltelemente aus der Mehrzahl von Schaltelementen elektrisch trennt oder beschränkt. In einigen Beispielen umfasst der mindestens eine Schalter einen Schalter, der direkt an den ersten Anschluss angeschlossen ist. In einigen Beispielen umfasst der mindestens eine Schalter einen Schalter, der zwischen zwei Schaltelementen aus der Mehrzahl von Schaltelementen angeschlossen ist.
Die Fehlerbeherrschungsschaltung ist so konfiguriert, dass sie die Eigenschaften der Phasen bei Erkennen des Zustands verändert. In einigen Beispielen gehören die Eigenschaften der Phasen zu einer Gruppe bestehend aus:

• einem Arbeitszyklus getakteter Phasen;
• einer Taktungsfrequenz der Phasen;
• einem Überspringen mindestens eines Taktzyklus der getakteten Phasen.

1A und 1B sind Schaltpläne einer Ladungspumpe mit einem Spannungsumwandlungsverhältnis von 1:3 (Step-Down), beziehungsweise einer Ladungspumpe mit einem Spannungsumwandlungsverhältnis von 1:3 (Step-Up).
2 ist ein Schaltplan einer verschachtelten Version der Step-Down-Ladungspumpe aus 1A.
3 ist ein Schaltplan einer Darstellung auf Transistorebene eines Paars Schalter.
4A–B sind Schaltpläne einer Reihen-Parallel-Ladungspumpe, beziehungsweise einer Dickson-Ladungspumpe.
5 ist ein Schaltplan einer Fehleranzeigeschaltung.
6 ist ein Schaltplan einer Ladungspumpe mit Fehlererkennungsschaltung.
7 ist ein Schaltplan einer Ladungspumpe mit Kaskoden-Schaltern.
8 ist ein Schaltplan einer Ladungspumpe mit Kaskoden-Schaltern und Erkennungsschaltung.
9 ist ein Schaltplan einer Ladungspumpe mit Eingangssteuerung.
10 ist ein Schaltplan einer Ladungspumpe mit Eingangstrenner.
11A–B sind Schaltpläne von High-Side- und Low-Side-Schaltern für einen Step-Down, beziehungsweise einen Step-Up.
12A–B sind Schaltpläne von Stromerkennungsschaltungen.
13 ist ein Schaltplan eines Fehlererkenners mit einer Ladungspumpe nach 1A.
14–15 sind Schaltpläne für Stromerkennungsschaltungen und Vergleichsschaltungen, die geeignet sind für eine Verwendung in der Schaltung von 13.
16 ist ein Schaltplan, der eine Step-Down-Ladungspumpe mit einer Fehlererkennungsschaltung beinhaltet.
17–20 sind Schaltpläne, die jeweils einen fehlenden oder offenen Anschlusspol-Fehlererkenner enthalten.
Beschreibung
1 Übersicht
Im Folgenden wird eine Reihe an verwandten Herangehensweisen beschrieben, die der Erkennung von Fehlern (oder potentiellen Fehlern oder potentiellen Fehlfunktionen, Überschreiten der Nennleistung von Geräten, usw.) von Switched-Capacitor-Leistungswandler und/oder Schaltungen, die mit solchen Wandlern gekoppelt sind (z. B. Lastkreis), und in manchen Fällen, Herangehensweisen für die Steuerung des Betriebs von Wandlern nachdem solch ein Fehler erkannt wurde, z. B. um Fehlfunktionen inner- und außerhalb der Ladungspumpe zu vermeiden. Diese Fehler oder Fehlfunktionen können im Betrieb oder in einem abgeschalteten (z. B. wenn nicht aktiv im Betrieb als Leistungswandler) aber bestromten Zustand auftreten. Es gilt zu beachten, dass die im Folgenden beschriebenen Herangehensweisen unabhängig von einander verwendet werden können, und im Allgemeinen, zusammen in verschiedenen Kombinationen verwendet werden können. Des Weiteren, sollte klargestellt werden, dass obwohl die im Folgenden beschriebenen Herangehensweisen im Kontext bestimmter Typen an Wandlern veranschaulicht werden können (z. B. Reihen/Parallel oder Dickson), zumindest ein Teil der Herangehensweisen auf eine viel größere Bandbreite an Wandlern anwendbar ist.
Eine Reihe der im Folgenden beschrieben Herangehensweisen unterscheiden sich je nachdem, was gemessen wird, und je nachdem, wie der Fehler oder die Fehlfunktion abgeschwächt wird.
Messungen können eine oder mehr enthalten von

• Spannung über der Quelle und Drain eines Schalttransistors
• Strom durch einen Schalttransistor;
• Spannung am Anschlusspol eines Kondensators des Wandlers (z. B. am Anschlusspol eines Geräts, an welchem ein externer Kondensator angebracht ist, an einem Anschlusspol an dem ein Schalttransistor angebracht ist. Usw.)
• Spannung und/oder Strom am Hoch- oder Niederspannungsanschlusspol des Wandlers
• Spannung und/oder Strom am Ausgang eines Phasenknotens, oder an einem Anschlusspol eines Kondensators, der an einem Phasenknoten angebracht ist

Herangehensweisen zum Abschwächen des Fehlers oder der Fehlfunktion können einen oder mehrere der folgenden Punkte enthalten:

• Unterbrechen des Betriebs des Wandlers (z. B. Unterbrechen des getakteten Betriebs);
• Modifizieren des Takts des Wandlers ohne den Betrieb zu unterbrechen, z. B. durch Erhöhung oder Verlangsamung der Taktgeschwindigkeit, Änderung des Arbeitszyklus usw., um ein Spannungsgleichgewicht innerhalb des Wandlers zu erlauben, jegliches Schalten zu verhindern;
• Neustart des Wandlers (z. B. Ausführen einer Betriebsstartsequenz);
• Steuern eines Hochspannungsschalters (Transistor) am Hochspannungsanschlusspol des Wandlers, z. B., um den Stromfluss durch den Wandler zu begrenzen (z. B. durch Öffnen des Schalters, um den Stromfluss anzuhalten oder durch Stellen des Schalters in einen Konstantstrommodus);
• Entkoppeln des elektrischen Pfads (der elektrischen Pfade) durch den Wandler mit einem oder mehr Schaltern (z. B. Hochspannungsschalter), die sich auf internen Pfaden im Wandlern befinden können;
• Generieren eines logischen Fehleranzeigers, der einen Pinübergang oder ein externes Unterbrechungssignal verursacht, so dass der Anwender benachrichtigt wird und Korrekturmaßnahme vornehmen kann (z. B. Reduzierung der externen Last, Unterbrechung des Wandlerbetriebs)
• Ändern des logischen Zustands von einem oder mehr Bits in einem internen Register, je nach Art des/der erkannten Fehler(s), um den Anwender bei der Beseitigung der Fehler zu unterstützen, wenn die Inhalte des internen Registers zurückgelesen werden

In der folgenden Diskussion werden FET-Transistoren als Beispiel für Halbleiterschaltelemente verwendet. Andere Arten an Geräten (z. B. andere Arten an Transistoren) und Netzwerke aus mehreren Geräten (z. B. Reihenschaltungen und/oder Parallelschaltungen von Transistoren) können verwendet werden, um solche Schalter zu bilden.
Es gilt zu beachten, dass in manchen Implementierungen der Wandler eine Reihe an parallelgeschalteten Wandlern beinhalten könnte, die phasenverschoben zueinander arbeiten (z. B. zwei parallelgeschaltete Wandler, die um 180 Grad phasenverschoben sind, drei Wandler, die um 120 Grad phasenverschoben sind mit überlappenden Phasen, usw.), und die Herangehensweisen zur Erkennung und Abschwächung unabhängig für jede Phase durchgeführt oder koordiniert werden könnten. Beispielsweise können während einer Wiederherstellung/eines Neustarts von einem der parallelgeschalteten Wandler die restlichen Wandler dafür rekonfiguriert werden, in einer Weise zu arbeiten, die eine ununterbrochene Leistungsumwandlung bietet (z. B. durch passendes Anpassen ihrer relativen Phasen, Übertaktungsrate, usw.).
2 Wahrnehmen von Über-/Unterspannung an Anschlusspolen
Wie oben beschrieben, verwendet eine Herangehensweise im Allgemeinen wahrgenommene Spannungen an den Anschlusspol des Wandlers um Unter- oder Überspannungsbedingungen zu erkennen. In mehreren Ausführungsformen ist die Ladungspumpe dafür konfiguriert, den Betrieb der Ladungspumpe unter atypischen oder fehlerhaften Bedingungen zu verhindern, die

a) die V_GSmax- und V_DSmax-Nennleistung der Schalttransistoren, ihrer Gatetreiber und zugehörigen Steuerschaltung überschreiten würden,
b) den Transistor in einem schwachen Zustand betreiben würden, wobei funktionelles oder parametrisches Fehlverhalten auftreten kann,
c) ein Untersystem, welches sich in Reihenschaltungen mit VX befindet, dazu bringen würden, außerhalb seines normalen Umfangs zu arbeiten

Wenn Ereignis (a) auftritt, kann der Schaden an der Ladungspumpe unmittelbar und langfristig sein, wobei der Teil weiterarbeiten könnte, aber mit einem reduzierten Niveau an Robustheit und Leistung. Ereignis (b) und (c) können anomales Betriebsverhalten verursachen, welches zudem die Robustheit und Leistung des Teils vermindern kann. Solche Ereignisse können auftreten, da es sich bei VX wahrscheinlich um einen Gehäusepin handelt, wodurch es exponiert und anfällig ist für physischen Kontakt durch den Anwender. Des Weiteren, könnte der Montageprozess selbst Kurzschlüsse oder Offenheiten an einem Gehäusepin oder einer externen Komponente verursachen, oder Kurzschlüsse zwischen benachbarten Pins oder Komponenten schaffen. Beispielsweise könnte ein Anwender, der verschiedene Knoten auf dem Gehäuse oder dem Board während der Betreibung einer Step-Down-Ladungspumpe untersucht, versehentlich VX an der Masse oder einer Versorgungsschiene kurzschließen. Oder der Anwender könnte ungewollt mehr Laststrom als vorgeschrieben an VX anlegen und dadurch verursachen, dass die VX-Spannung unter den normalen Betriebsbereich fällt. Wenn die Kondensatoren außerhalb des Chips und des Gehäuses der Ladungspumpe liegen, könnte ein Schaden im Montageprozess einen Kondensator auslassen oder eine der Kondensatorverbindungen mit der Ladungspumpe offenlassen. Falls die Ladungspumpe mit einem fehlenden oder offenen Kondensator betrieben wird, würde die VX-Spannung ebenfalls fallen.
Bei Anwendungen, in denen die Ladungspumpe in Reihenschaltungen mit einem anderen Untersystem wie einem LDO oder einem anderen Schaltwandler (induktor- oder kondensatorbasierend) betrieben wird, kann VX entweder der Eingang, der dieses Untersystem mit Strom versorgt, oder der Ausgang des Untersystems, der die Ladungspumpe mit Strom versorgt, sein. In beiden Fällen könnte ein Unter- oder Überspannungsereignis an XV auch unerwünscht sein für die Leistung und Robustheit des Untersystems.
2.1 Wahrnehmung und Aussperrung von VX Unter- und Überspannung
In manchen Ausführungsformen wird die VX-Spannung während des Betriebs oder im abgeschalteten aber bestromten Zustand wahrgenommen, und ein interner Anzeiger wird von der Schaltung in oder in Verbindung mit der Ladungspumpe generiert, um den Betrieb zu deaktivieren oder den Betrieb der Ladungspumpe bei Freigabe (Aussperrung) zu verhindern, immer wenn sich die VX-Spannung außerhalb eines vordefinierten Spannungsfenster bewegt. Wenn VX unter die untere Grenze des Fensters fällt, ist VX Unterspannungen, während VX Überspannung ist, wenn VX über die obere Grenze des Fensters steigt. Wahrnehmung und Aussperrung von VX-Unterspannungen (UVLO) und VX-Überspannungen (OVLO) implementiert einen Schutz erster Ordnung der Niederspannungstransistoren, die in einer Ladungspumpe mit hohem Spannungswandlungsverhältnis verwendet werden, indem der Betrieb der Ladungspumpe verhindert wird, falls die absolute maximale Spannungsnennleistung des Transistors überschritten wird oder falls der Transistor aufgrund eines unzureichenden Gatedrives nicht zuverlässig schalten kann.
Der OVLO-Grenzwert, oder die obere Grenze des VX-Wahrnehmungsfensters, sollte über den maximalen VX-Betriebspegel gesetzt werden, welcher von der Anwendung benötigt wird, aber unterhalb der V_DSmax Nennleistung der Transistoren, um einen Spielraum für Toleranzen in der OVLO-Schaltung und den VX-Spannungsschwankungen zu geben. Der UVLO-Grenzwert, oder die untere Grenze des VX-Wahrnehmungsfensters, wird beispielsweise unter den kleinsten VX-Betriebspegel gesetzt, einschließlich der größten VX-Welligkeitsamplitude, die über dem Anwendungsraum auftreten würde, aber über den Pegel, bei welchem die grundlegende Funktionalität von Transistoren scheitern oder in dem Maße abnehmen würde, dass es die Leistung der Ladungspumpe und/oder eines Untersystems, welches sich in Reihenschaltung mit VX befindet, nachteilig beeinflussen würde. Beispiele für die zuletzt genannten Einschränkungen sind die Spannungen, bei denen der Gatetreiber-Ausgang scheitert, gemäß dem Gatetreiber-Input überzugehen, oder bei denen die Laufzeitverzögerung des Gatetreibers sich in einem Maße erhöht, das Fehlverhalten an einer anderen Stelle in der Ladungspumpe verursacht. Abhängig vom Anwendungsraum gibt es für gewöhnlich mehr Flexibilität beim Festlegen des UVLO-Grenzwertes als beim OVLO-Grenzwert, da der letztere hauptsächlich von der Spannungsnennleistung der Ladungspumpentransistoren eingeschränkt wird. Anstelle eines festen Spannungspegels, kann der UVLO-Grenzwert variabel sein als eine Funktion des VX-Spannungspegels und der VX-Welligkeitsamplitude, falls solche Informationen der Ladungspumpe durch wahrgenommene Eingänge oder intern programmierte Einstellungen zur Verfügung stehen. Beispielsweise könnten die Schaltfrequenz und Kondensatorenwerte der Ladungspumpe intern programmierte Einstellungen sein und diese Einstellungen unmittelbar die VX-Welligkeitsamplitude steuern.
5 zeigt ein Schaltungsbeispiel, welches UVLO- und OVLO-Wahrnehmung am VX-Knoten implementiert. Dieses Beispiel verwendet zwei Komparatoren, deren Ausgänge durch ein Oder-Gatter kombiniert sind, um einen logischen Fehleranzeiger zu generieren. Die Eingänge zu den Komparatoren sind VX oder ein Bruchteil von VX, generiert durch die Verwendung eines internen Spannungsteilers, und die Grenzwerte V_THuvlo und V_THovlo, die skaliert sind von den UVLO- und OVLO-Grenzwerten durch den selben Bruchteil wie der VX-basierte Eingang zum Komparator. In der Praxis ist V_THovlo > V_THuvlo. Wenn die VX-Spannung zwischen den UVLO- und OVLO-Grenzwerten liegt, sind beide Ausgänge der Komparatoren niedrig und daher ist auch der Fehleranzeiger ein logisches LOW. Sonst wird der Fehleranzeiger ein logisches HIGH sein und dieser Logikzustand kann verwendet werden, um den Betrieb der Ladungspumpe zu deaktivieren oder zu aktivieren.
Es gilt zu beachten, dass obwohl ein Großteil der Darstellungen der Ladungspumpe für eine Step-Down-Konfiguration gelten, diese Herangehensweise auf ähnliche Weise auch auf Step-Up-Konfigurationen angewendet werden kann, da es sich bei der einen um eine Version mit Leistungsfluss in umgekehrter Richtung der anderen handelt.
3 Erkennung interner Spannungsabweichungen
Ein weiterer Ansatz erkennt Abweichungen der Spannung auf Kondensatoren im Wandlern außerhalb ihrer zu erwartenden Arbeitsbereiche.
3.1 Erkennungsverfahren 1
6 zeigt das grundlegende Verfahren angewandt auf die Erkennung eines Fehlerzustandes auf Kondensator C1. Eine ähnliche Schaltung wird benötigt, um die Spannungen auf C2, C3 und C4 zu überwachen. Dieses Beispiel zeigt eine 5:1 Step-Down Dickson-Ladungspumpe, aber es kann ähnlich angewandt werden, wie z. B. auf eine Step-Up-Konfiguration, auf alle möglichen Ladungspumpenverhältnisse und auf die Reihen-Parallel-Ladungspumpen-Topologie.
Die Ladungspumpe arbeitet in einer substanziell konventionellen Weise, unter Hinzufügung des PMOS-Geräts MP1 (welches ausgewählt werden muss, um bei der höheren Spannung über C1 zu arbeiten), zusammen mit den Widerständen R1 und R2 und Schalter S10 und den Komparatoren CMP1 und CMP2.
Strom I1 ist in etwa proportional zur Spannung über C1 (der Fehler ist die Source-Gate-Spannung von MP1). Current I2 gleicht fast I1. Durch geeignete Selektion von R2 ist die Spannung über diesem Widerstand, in etwa, ein Analogon der Spannung auf C1 und kann wie gewünscht skaliert werden. Schalter S10, zusammen mit Kondensator Cfilter, wird verwendet, um eine Erkennung der Spannung auf R2 nur dann zu ermöglichen, wenn Schalter S8 eingeschaltet ist (Schalter S9 zwingt die R2-Spannung 0 zu sein). Zusammen mit den Referenzspannungen für Unter- und Überspannung bilden CMP1 und CMP2 einen so genannten Fensterkomparator. Werden entweder die OV- oder UV-Ausgänge geltend gemacht, zeigt dies einen Fehlerzustand an, der dann einen oder mehrere der implementierten Schutzmechanismen auslöst.
3.2 Erkennungsverfahren 2
7 zeigt eine möglicherweise praktischere Ausführungsform der 5:1 Dickson-Ladungspumpe. Die zusätzlichen Schalter werden benötigt, weil, unter Verweis auf 6 – die Schalter S2, S3 und S4 im Abschaltzustand der doppelten Spannung über den Schaltern S1 und S5 im Abschaltzustand ausgesetzt sind.
Für ein bestimmtes Ladungspumpen-Verhältnis und eine feste VIN, ändern sich die genannten Spannungen V1, V2 und V3 nicht nennenswert. 8 zeigt ein Erkennungsverfahren, welches angewiesen ist auf die Erkennung einer großen Veränderung in der Spannung über den Ladepumpenkondensatoren durch einen Fensterkomparator für jeden Kondensator (wie oben beschrieben). Der Eingang zu diesem Fensterkomparator ist eine abgeschwächte Version der Spannungen der Ladepumpenkondensatoren selbst. Die Widerstandsverhältnisse R1/R2, R3/R4 und R5/R6 werden so gewählt, dass diese Kondensatorspannungen angemessen skaliert werden. Die Komparatorausgangssignale OV_ und UV_ können verwendet werden, um einen oder alle der implementierten Schutzmechanismen auszulösen.
4 High-Side-Transientenschutz
Unter Verweis auf 9 ist eine andere Möglichkeit, um vor transienten Fehlern zu schützen, die Verwendung eines Hochspannungstrenn-(SWINP)-Schalters, der während eines transienten Ereignisses als spannung- oder strombegrenzendes Gerät agiert. Das in der Schaltung von 9 implementierte Verfahren steuert den SWNIP-Schalter mit einem oder einer Kombination aus mehreren Betriebsmodi.

• Ein möglicher Modus ist als ein Low-Drop-Out-(LDO)-Regler.
• Ein zweiter Modus ist ein Strombegrenzungs-(CL)-Schalter.
• Ein dritter Modus ist ein Überspannungsbegrenzer (TVS).

Im LDO-Modus hat die Spannung an N1 einen Maximalwert. Die STEUERUNG erlaubt es nicht, dass eine Spannung auf N1 die Maximalspannung, die die Ladungspumpe aushalten kann, überschritten wird. In dem Zustand, in welchem VIN kleiner ist, als die Maximalspannung, wäre der Schalter SWINP in einem niederohmigen Zustand. Beispielsweise ist die erlaubte Maximalspannung auf N1 22 Volt. Bei normalem Betrieb ist die Spannung auf VIN 20 Volt. Die Spannung auf N1 ist fast 20 Volt. Die VIN-Speisung steigt auf 22 Volt. Die Spannung auf N1 bleibt bei 20 Volt.
Im CL-Modus gibt es eine Maximalspannung, der SWINP gestattet von VIN nach N1 durchzulaufen. In dem Zustand, in dem N1 an oder unter der Maximalspannung ist, die durch LDO vorgegebenen wird, ist die Ausgangsspannung von SWNIP begrenzt. Beispielsweise ist bei normalem Betrieb VIN = 16 Volts und die Spannung auf N1 ist fast 16 Volt. Die Spannung durch SWNIP ist < 1 Ampere. Eine Situation tritt auf, in der die Spannung durch SWNIP 3 Ampere zuführen müsste, um den Knoten N1 bei 16 Volt zu halten. Diese 3 Ampere liegen über dem sicheren Betriebsbereich auf den Schaltern. Die STEUERUNG würde den SWNIP-Strom auf 2 Ampere begrenzen und die Spannung auf N1 würde abnehmen. Es gilt zu beachten, dass dieser Modus auch nützlich dafür ist, indirekt den Effekt von transienten Spannungen auf die Anschlusspole abzuschwächen.
Im TVS-Modus ist es der Spannung auf N1 nicht erlaubt, sich mehr zu ändern als eine vorgegebene Rate. Die Spannung auf N1 ist unter dem Maximum, welches durch LDO zugelassen wird, der Strom ist unter dem Maximum, welches durch CL zugelassen wird. Der TVS erlaubt es der Ladungspumpe, die Spannung von N1 angemessen an die Kondensatoren C_ umzuverteilen. Beispielsweise ist bei normalem Betrieb VIN = 16 Volts. Der Strom durch SWNIP ist < 1 Ampere. Eine Situation tritt auf, in der die Spannung auf VIN in 10^–6 Sekunden (1 μs) auf 18 Volt ansteigt. Die maximale Anstiegsrate der Spannung auf N1 ist dafür entworfen 0,100 Volt pro μs zu sein. Die Spannung auf N1 wird auf 18 Volt ansteigen, aber die STEUERUNG würde dafür sorgen, dass sie 20 μs braucht, diesen neuen Spannungspegel auf N1 zu erreichen.
4.1 High-Side-Schutz
In einer konventionellen Dickson-Ladungspumpe (siehe z. B. 4B), sieht jede Stufe nur einen kleinen Bruchteil der gesamten Spannung an der Hochspannungsseite (VIN) der Ladungspumpe. Im Betrieb in einem beständigen Zustand überschreitet die Spannung über jeglichen SW_ nicht VOUT. Dies erlaubt die Verwendung von Schaltern für niedrigere Spannungen und erhöht die Effizienz.
Bevor Strom an die Schaltung angelegt wird, sind alle Knoten bei einem Potential von null Volt (GND). Wenn eine Spannung VIN zuerst an die Schaltung angelegt wird, ist die Spannung über den Kondensatoren C1, C2, C3, C4 immer noch null Volt. Dies erfordert, dass der Schalter SW4 dafür designt ist, die volle Spannung von VIN zu unterstützen.
Die Schalter SW_ werden alle regelmäßig zwischen einem niederohmigen Zustand und einem hochohmigen Zustand in einer vorgegebenen Sequenz umgeschaltet. Jeder Schalter SW_ hat eine Gate-Kapazität. Das Auf- und Entladen der Gate-Kapazität ist ein Energieverlust. Wenn ein Schalter umgeschaltet wird, gibt es einen begrenzten Energieverlust. Dieser Energieverlust reduziert die Effizienz der Ladungspumpe. Der Energieverlust ist abhängig vom Schalterdesign.
Ein Schalter für höhere Spannungen hat typischerweise eine viel größere Gate-Kapazität. Der Energieverlust durch Umschalten eines Schalters, der für hohe Spannungen designt ist, ist wesentlich größer als der Energieverlust eines Schalters des selben Niederohmwerts, der für niedrige Spannungen designt ist.
Es ist vorteilhaft, einen zusätzlichen Trennschalter (SWNIP) an der Hochspannungsseite zu verwenden, der für hohe Spannungen designt ist, wie zu sehen auf 10. Da der Schalter nicht regelmäßig umschaltet, wenn die Ladungspumpe in Betrieb ist, beeinträchtigt seine große Gate-Kapazität nicht die Leistung.
Während dem Einschalten ist der Schalter SWIP dazu in der Lage, die Spannungen zu bewältigen, die an die übrigen Schalter angelegt werden. Die Spannung auf N1 wird so bewältigt, dass sich die Kondensatoren C_Spannungen in einem beständigen Zustand annähern können, ohne die Schalter SW_ übermäßig zu belasten. Dies erlaubt es den übrigen Schaltern, Schalter zu bleiben, die für niedrige Spannungen designt sind.
Es gibt mehrere mögliche Fehler für einen Ladungspumpenleistungswandler. Fehler beinhalten sowohl interne als auch externe Geräte. Fehler können auftreten bevor Strom angelegt wird oder während eines bestromten Betriebs. Ein Kondensator kann zu seiner elektrischen Offenheit werden oder beliebige zwei Knoten können elektrisch kurzgeschlossen werden. Häufig auftretende Fehler beinhalten Fehler bei der Montage mit zu viel oder zu wenig Lötmetall an den Verbindungen der Leiterplatte. Kommt es zu einem Fehler, kann dieser SWINP-Schalter den Strom begrenzen oder die Hochspannungsseite von der Ladungspumpe trennen und dabei helfen, sie vor schädlichen Strompegeln zu schützen.
5 Überwachung von Phasenknoten
Einige weitere Herangehensweisen machen Gebrauch von einer Überwachung des Stroms an den Phasenknoten des Wandlers.
Ausführungsformen solcher Herangehensweisen werden im Folgenden beschrieben und stellen einen effizienten Weg dar, die zahlreichen Arten an Fehlerereignissen zu erkennen, die sowohl die Ladungspumpe als auch ihre Kondensatoren beeinträchtigen könnten. Die erkannten Fehlerereignissen beinhalten einen Phasenknoten, der an einer festen Schiene kurzgeschlossen wird (Massen- oder Phasenpumpenspeisung); einen positiven Anschlusspol eines Kondensators kurzgeschlossen an einer festen Schiene (Massen- oder Eingangsspannung VIN) oder Ladungspumpenausgangsspannung VOUT; einen positiven Anschlusspol eines ersten Kondensators kurzgeschlossen an dem positiven Anschlusspol eines zweiten Kondensators (wobei sich der erste Kondensator am nächsten zu der Eingangsspannung VIN befindet); einen fehlenden oder offenen Kondensator-Anschlusspol; und einen Ladungspumpenausgang kurzgeschlossen an der Masse oder einem Ausgangs-Überstrom.
Diese Fehlerereignisse treten am wahrscheinlichsten auf, wenn die Ladungspumpe externe oder nicht integrierte Kondensatoren verwendet, da diese Komponenten und ihre Verbindungen exponiert und anfällig sind für physischen Kontakt durch den Anwender. Des Weiteren, kann der Montageprozess selbst Kurzschlüsse oder Offenheiten an einem Pin oder einer Komponente verursachen oder Kurzschlüsse zwischen benachbarten Pins oder Komponenten schaffen. Die Fehlerereignissen können entweder während dem Starten oder während des normalen Betriebs auftreten.
Ausführungsformen, die unten beschrieben werden, verlassen sich zumindest teilweise auf die Erkenntnis, dass eine umfangreiche Fehlerabdeckung für Ladungspumpe auf effiziente Weise (hinsichtlich Chipfläche, Ruhestrom) durch Wahrnehmung des Stroms in den Phasenknoten der Ladungspumpe erreichbar ist. Durch Wahrnehmung des Stromflusses durch die einzelnen Schalter während der Schalter leitet, kann ein Fehlerereignis basierend auf der Stärke und der Polarität des Schalterstroms erkannt werden.
Ebenfalls ist es möglich, manche der zuvor genannten Fehlerereignisse wahrzunehmen, durch Wahrnehmung des Stroms durch die Eingangsspannung VIN oder durch die Schalter an den positiven Anschlusspolen eines jeden Kondensators. Allerdings können die Eingangsspannung VIN und die positiven Anschlusspole eines jeden Kondensators abhängig von der Ladungspumpenkonfiguration unter hoher Spannung arbeiten, wodurch es erforderlich ist, dass die Stromwahrnehmungsschaltung dafür designt ist, Hochspannungsgeräte zu verwenden oder zwischen Hochspannungsschienen mit Strom versorgt zu werden.
Für einen Hochspannugsbetrieb zu designen erfordert typischerweise mehr Chipfläche und mehr Ruhestrom, im Vergleich zu einer gleichwertigen Schaltung, die vom niedrigsten Spannungsniveau einer Ladungspumpe mit Strom versorgt wird, wie sie verwendet würde in der hier beschriebenen Herangehensweise. Des Weiteren kann dieses Verfahren resultieren in einer wesentlich größeren Chipfläche und einer wesentlich größeren Einsparung an Ruhestrom, wenn die Phasenknoten, die gewöhnlich für einen Betriebszustand sind, geteilt werden, da es nur zwei Phasenknoten pro Ladungspumpe geben würde, im Vergleich zur Stromwahrnehmung an den Schaltern der positiven Anschlusspole eines jeden Kondensators, wo es nicht möglich ist, Knoten oder Pin zu teilen. Allerdings ist solch ein Teilen nicht wesentlich (z. B. mit einem gesonderten Phasenknoten für jeden Kondensator), um den Nutzen der Herangehensweise zu erhalten.
11A definiert die Stromfluss-Polarität durch die High-Side- und Low-Side-Schalter für eine Step-Down-Ladungspumpe. Gleichermaßen definiert 11B die Stromfluss-Polarität durch die High-Side- und Low-Side-Schalter für eine Step-Up-Ladungspumpe. Die Stromfluss-Polarität während eines normalen Betriebs ist veranschaulicht durch die durchgezogenen Pfeile, während die umgekehrte Stromfluss-Polarität, die bei einem Fehlerereignis auftreten könnte, durch gestrichelte Pfeile veranschaulicht ist.
Bei manchen Fehlerereignissen sieht der leitende High-Side- oder Low-Side-Schalter nur einen atypischen Anstieg der Stromstärke im Vergleich zu der Stärke in Abwesenheit des Fehlers. Bei anderen Ereignissen sieht der leitende High-Side- oder Low-Side-Schalter sowohl eine Umkehrung in der Polarität des Stromflusses als auch einen Anstieg der Stromstärke. Da der Zustand eines jeden Schalters (leitend oder nicht) in der Ladungspumpe immer bekannt und gut gesteuert ist, ist es nicht schwierig die Schalterstromstärke und/oder -polarität mit einem vorgegebenen Pegel zu vergleichen, welches ein zulässiges Fehlerereignis signalisiert. Dieser vorgegebene Pegel kann fest für alle Betriebsbedingungen der Ladungspumpe sein, programmierbar durch den Anwender oder spezifische Signale verfolgen wie den Ausgangslaststrom, falls solche Informationen der Ladungspumpe zur Verfügung stehen. Sobald ein Fehlerereignis erkannt wird, kann ein Teilschaden oder ein „Rauch-und-Feuer”-Vorfall verhindert werden, indem man sofort alle Phasenknotenschalter abschaltet und die Phasenknoten hochohmig werden lässt. Es gilt zu beachten, dass für einen Schutz vor manchen Typen an Fehlern die Schalter, die die Phasenknoten steuern, eine Hochspannungsnennleistung haben müssen.

Tabelle 1 fasst die Stromfluss-Polarität durch die High-Side- und Low-Side-Schalter einer Step-Down-Ladungspumpe für die folgenden Fehlerereignissen zusammen: Ein Phasenknoten, der an der Masse kurzgeschlossen wird, ein Phasenknoten, der an einer Phasenpumpenspeisung kurzgeschlossen wird; ein positiver Anschlusspol eines Kondensators, der an der Masse kurzgeschlossen wird, ein positiver Anschlusspol eines Kondensators, der an der Eingangsspannung VIN kurzgeschlossen wird, ein positiver Anschlusspol eines Kondensator, der an der Ausgangsspannung VOUT kurzgeschlossen wird, ein positiver Anschlusspol eines ersten Kondensators, der an dem positiven Anschlusspol eines zweiten Kondensators kurzgeschlossen wird, und ein Ladungspumpenausgang, der an der Masse oder dem Ausgangs-Überstrom kurzgeschlossen wird. Bei einer Step-Up-Ladungspumpe wäre die Polarität des High-Side- und Low-Side-Schalterstromflusses entgegengesetzt der Step-Down, mit Ausnahme von Fehlerereignissen, die mit einem Sternchen gekennzeichnet sind. Tabelle 1

Fehlerereignis	Polarität des High-Side-Schalterstromflusses	Polarität des Low-Side-Schalterstromflusses
(a) Ein Phasenknoten an Masse kurzgeschlossen	Umgekehrt	Nicht verfügbar
(b) Ein Phasenknoten an Phasenpumpenspeisung kurzgeschlossen	Nicht verfügbar	Umgekehrt
(c) Ein positiver Anschlusspol eines Kondensators an Masse kurzgeschlossen	Umgekehrt	Normal
(d) Ein positiver Anschlusspol eines Kondensators an Eingangsspannung VIN* kurzgeschlossen	Normal	Umgekehrt
(e) Ein positiver Anschlusspol eines Kondensators an Ausgangsspannung VOUT* kurzgeschlossen	Umgekehrt	Normal
(f) Ein positiver Anschlusspol eines ersten Kondensators an dem positiven Anschlusspol eines zweiten Kondensators kurzgeschlossen*	Normal	Umgekehrt
(g) Fehlender Kondensator oder offener Kondensatoranschlusspol	Normal	Normal
(h) Ladungspumpenausgang an Masse oder Ausgangs-Überstrom kurzgeschlossen	Normal	Normal

Mit Ausnahme eines Ausgangs-Überstroms ist die Wahrscheinlichkeit, dass die in Tabelle 1 aufgelisteten Fehler auftreten viel geringer, wenn die Kondensatoren auf dem selben Chip integriert sind wie die Ladungspumpe, mit dem Ladungspumpenchip mittels Silizium-Durchkontaktierungsprozess verbunden sind oder aus diskreten Bauelementen bestehen, die auf dem Ladungspumpenchip in einem einzigen Modul mitmontiert sind. Allerdings kann Fehlererkennung immer noch nützlich sein als Diagnosewerkzeug oder zur Verhinderung von Rauch-und-Feuer-Ereignissen, wenn Prozessfehler (z. B. Metall-Kurzschlüsse oder Offenheiten zwischen benachbarten chip-integrierten Kondensatoren) oder Fehler bei der Mitmontierung auftreten.
12A–B veranschaulichen zwei Schaltungen, die verwendet werden können für die Durchführung von Schalterstrom-Wahrnehmung. Beide Schaltungen nutzen einen Transkonduktanzverstärker GM1, um einen Spannungsabfall über entweder einen Schalter oder einem Abtastwiderstand, der sich in Reihenschaltung mit dem Schalter befindet, in einen Abtaststrom ISEN umzusetzen, dessen Stärke proportional ist zu dem Schalterstrom ISW. Die Polarität des Abtaststroms ISEN im und außerhalb des Verstärkers GM1 folgt der Polarität des Schalterstroms ISW. Der Abtaststrom ISEN kann dann unmittelbar verglichen werden mit einem Strom, dessen Stärke und Polarität in Einklang stehen mit dem Fehlerereignis, das erkannt werden soll, um eine Logikpegel-Ausgangsfehleranzeiger zu generieren.
Falls beispielsweise die Transkonduktanz des Verstärkers GM1 in 12A dafür designt ist unmittelbar proportional zur Schalterleitfähigkeit zu sein, dann kann der Abtaststrom ISEN ein unmittelbares Vielfaches des Schalterstroms ISW sein und keine weitere Variable einer ersten Ordnung. Alternativ dazu, wie auf 12B zu sehen, kann der Abtastwiderstand in Reihenschaltung mit dem Schalter bestehen aus der Metallzusammenschaltung zwischen dem Schalter und den Gehäusepins, die auf derselben Größenordnung sein können wie der Einschaltwiderstand des Schalters.
13 zeigt wie ein Beispiel des Fehlererkenners mit der Ladungspumpe in 1A gekoppelt werden kann. Über jedem der vier Schalter an dem Phasenknoten P1 und P2 ist eine Stromwahrnehmungs- und -vergleichsschaltungen: CS1 nimmt den High-Side-Schalterstrom am Phasenknoten P1 wahr, CS2 nimmt den High-Side-Schalterstrom am Phasenknoten P2 wahr, CS3 nimmt den Low-Side-Schalterstrom am Phasenknoten P1 wahr, und CS4 nimmt den Low-Side-Schalterstrom am Phasenknoten P2 wahr. Jede der vier Stromwahrnehmungs- und -vergleichsschaltungen hat einen Logikausgang, der ein logisches LOW ist, wenn kein Fehler bemerkt wird, und ein logisches HIGH, wenn ein Fehler basierend auf Veränderungen der Schalterstromstärke- und -polarität erkannt wird. Falls eine oder mehrere der Stromwahrnehmungs- und -vergleichsschaltungen CS1 bis CS4 einen logischen HIGH-Ausgang während des Betriebs der Ladungspumpe hat, gibt ein Logikgatter OR1 ein logisches High-Signal ab, welches ein Set-Reset-Latch SR1 aufstellt, wodurch ein verriegelten Logiksignal generiert wird, das verwendet werden kann um alle Schalter zu schließen, die Ladungspumpe sofort abzuschalten und eine Bus-Unterbrechung zu generieren oder einen Ausgangsfehleranzeigerpin umzuschalten. Die Ladungspumpe bleibt solange ausgeschaltet bis das Set-Reset-Latch SR1 ein Fehler-Rücksetzsignal empfängt, woraufhin der Betrieb der Ladungspumpe fortgesetzt werden kann. Das Fehler-Rücksetzsignal kann von einer Versorgungsunterspannungsaussperrung oder einem Umschalten auf dem Ladungspumpenfreigabeeingang kommen.
14 und 15 veranschaulichen zwei Schaltungen, die die Stromwahrnehmungs- und -vergleichsschaltungen von 13 implementieren, wo dieselbe Implementierung auf alle vier Stromwahrnehmungs- und -vergleichsschaltungen CS1 bis CS4 angewandt werden kann. Der Teil für die Stromwahrnehmung der 14–15 kann implementiert werden durch die Verwendung einer der Schaltung in 12A oder 12B, obwohl nur die Schaltung in 12A gezeigt wird. In 14 wird der Abtaststrom ISEN, dessen Stärke und Polarität dem Schalterstrom folgt, mittels Stromspiegel oder Stromverstärker gespiegelt in drei einzelne Ströme ISEN1 bis ISEN3, jede dem Abtaststrom ISEN oder seinen Vielfachen gleichend. Die Ströme ISEN1 und ISEN2 können einzeln konvertiert werden in die Spannungen VSEN1 und VSEN2 mittels Widerständen, die dann verglichen werden mit den Schwellenspannung VTH1 und VTH2 mittels der Spannungskomparatoren CP1 beziehungsweise CP2. Der Strom ISEN3 wird in einen Single-Ended-Stromkomparator ICP1 eingspeist (wie z. B. ein Traff-Stromkomparator), der verwendet wird, um die Strompolarität zu bestimmen: Wenn die Polarität des Schalterstroms normal ist, fließt der Abtaststrom ISEN aus dem Transkonduktanzverstärker GM2 heraus und der gespiegelte Strom ISEN3 fließt in den Eingangsanschlusspol des Single-Ended-Stromkomparator ICP1, was die Ausgangsspannung von ICP1 veranlasst, ein logisches LOW zu sein; wenn sich im Gegenzug die Polarität des Schalterstroms bei einem Fehlerereignis umkehrt, kehrt sich auch die Polarität des Abtaststroms ISEN um, und der gespiegelte Strom ISEN3 fließt aus dem Eingangsanschlusspol des Single-Ended-Stromkomparator ICP1 heraus, was die Ausgangsspannung von ICP1 veranlasst, ein logisches HIGH zu sein. Die Spannungskomparatoren CP1 und CP2 werden verwendet, um zu bestimmen, ob die Stärke des Schalterstrom mit normaler Polarität einen Pegel übersteigt, der konsistent ist mit einem Fehlerereignis. Unterschiedliche Fehlerereignisse können verschiedenen Schalterstromstärken zugeordnet werden, und können durch die Verwendung von mehr als einem Grenzwert für die Komparatoreingangsspannung (VTH1 ≠ VTH2) erkannt und unterschieden werden. Die Ausgänge der Spannungskomparatoren CP1, CP2 und ICP1 werden von dem Logikgatter OR2 in einer logischen ODER-Operation kombiniert, um einen logischen Fehleranzeiger zu generieren, der ein logisches HIGH ist, immer wenn einer oder mehrere der Komparatorausgänge ein logisches HIGH sind. Es gilt zu beachten, dass die Komparatoren CP1 und CP2 nicht Spannungskomparatoren sein müssen, sondern auch Differenzstrom-Komparatoren sein können, in diesem Fall werden die Widerstände nicht länger gebraucht und die Spannungsschwellwerte VTH1 und VTH2 sollten mit Stromschwellenpegeln ersetzt werden, die konsistent sind mit jedem Fehlerereignis, dass erkannt werden soll.
15 zeigt eine alternative Implementierung der Stromwahrnehmungs- und -vergleichsschaltung aus 4A, wobei für die Wahrnehmung einer Umkehr der Polarität des Schalterstroms anstelle eines Single-Ended-Stromkomparators wie ICP1 in 4B ein Spannungskomparator CP3, der den Spannungskomparatoren CP1 und CP2 ähnelt, verwendet wird. Der Abtaststrom ISEN wird eingespeist in ein Widerstandsteilernetzwerk, das durch eine Referenzspannung, VREF, mit Strom versorgt wird, während ein gewöhnlicher Spannungsabgriff vom Widerstandsteilernetzwerk, VSEN, von drei Spannungskomparatoren CP1 bis CP3 verglichen wird. Die Stärke des Spannungsabgriffs VSEN ist eine Funktion sowohl von der Stärke als auch von der Polarität des Abtaststroms ISEN: Wenn die Polarität des Schalterstroms normal ist, fließt der Abtaststrom ISEN aus dem Transkonduktanzverstärker GM2 und in das Widerstandsteilernetzwerk am Punkt des Spannungsabgriffs VSEN, wodurch die Stärke von VSEN über den als VDIV definierten Pegel, der für gewöhnlich bestimmt wird vom Wert des Widerstandsteilerverhältnisses und der Referenzspannung, VREF. Daher sollten die Schwellenspannung VTH1 und VTH2, die Fehlerereignissen entsprechen, bei denen die Schalterstromstärke atypisch erhöht ist, oberhalb von VDIV gesetzt werden. Bei einem Fehlerereignis, bei dem sich die Polarität des Schalterstroms umkehrt, fließt der Abtaststrom ISEN in den Ausgang des Transkonduktanzverstärkers GM2, und zieht den Spannungsabgriff VSEN unter VDIV. Infolgedessen sollte die Schwellspannung VTH3 unter VDIV gesetzt werden. Wie auf 4B zu sehen, werden die Ausgänge der Spannungskomparatoren CP1 bis CP3 in einer logischen ODER-Operation durch das Logikgatter OR2 kombiniert, um einen logischen Fehleranzeiger zu generieren, der ein immer dann ein logisches HIGH ist, wenn einer oder mehrere der Komparatorausgänge logisch HIGH sind.
Ein Fehlerereignis durch einen fehlenden Kondensator oder einen offenen Anschlusspol eines Kondensators führen normaler Weise nicht sofort zu einem Schaden an der Ladungspumpe oder einem „Rauch-und-Feuer-Ereignis”. Nichtsdestotrotz ist es wünschenswert, das Auftreten solcher Fehler zu erkennen und vorbeugende Maßnahmen zu ergreifen, so wie das Abschalten der Ladungspumpe, sonst wird die Ladungspumpe für mehrere Zyklen weiterarbeiten, bevor sie letztendlich festgelegte Toleranzen überschreitet.
16 veranschaulicht eine Step-Down-Ladungspumpe 50 mit Fehlererkennungsschaltung, um einen offenen Klemmenanschluss eines äußeren Kondensators während des Betriebs zu erkennen. Ein äußerer Kondensator wird hier definiert als der Kondensator, der der Eingangsspannung VIN oder der Ausgangsspannung VOUT am nächsten ist. Immer wenn eine Ladungspumpe zwei oder weniger Kondensatoren hat, wie auf 1A–1B zu sehen, dann sind alle Kondensatoren äußere Kondensatoren.
Ladungspumpe 50 hat N Kondensatoren, C₁ bis C_N, wobei N eine gerade Ganzzahl ist. Die ungeraden Kondensatoren C₁, C₃, ... C_n–1 teilen sich einen ersten Phasenknoten P1, und die geraden Kondensatoren C₂, C₄, ... C_n–1 teilen sich einen zweiten Phasenknoten P2. Der erste und der zweite High-Side-Schalter HS1, HS2 kuppeln jeweils den ersten und den zweiten Phasenknoten P1, P2 an die Ausgangsspannung VOUT. Gleichermaßen kuppeln der erste und der zweite Low-Side-Schalter LS1, LS2 jeweils den ersten und den zweiten Phasenknoten P1, P2 an die Masse. In diesem Beispiel sind die äußeren Kondensatoren C₁ und C_N. Die Last am Ausgang der Ladungspumpe 50 ist eine Stromquelle IOUT, die einen Ladungstransfer zwischen den Kondensatoren mittels eines ruhigen und gleichmäßigen Ladestroms ermöglicht, der proportional zu IOUT ist, in einem Softaufladung genannten Prozess.
In einem normalen Betrieb in einem beständigen Zustand mit Softaufladung, haben die Ströme durch die leitenden Phasenschalter in jedem Zustand die gleiche Stärke. Beispielsweise leiten der erste High-Side-Schalter HS1 und der zweite Low-Side-Schalter LS2 in einem ersten Zustand Strom, wobei beide Schalter dieselbe Stärke an Strom tragen. Gleichermaßen leiten der zweite High-Side-Schalter HS2 und der erste Low-Side-Schalter LS1 in einem zweiten Zustand Strom, wobei beide Schalter dieselbe Stärke an Strom tragen.
Wenn ein Anschlusspol der äußeren Kondensatoren C₁ oder C_N während des Betriebs getrennt wird, tritt Folgendes für mehrere Schaltzyklen auf, bevor der Ausgang der Ladungspumpe letztendlich zusammenbricht: die Phasenknotenströme geraten in jedem zweiten Zustand in ein Ungleichgewicht oder die Stromstärke durch einen leitenden High-Side-Schalter entspricht nicht mehr der Stromstärke durch den anderen gleichzeitig leitenden Low-Side-Schalter. Dieser Fehler kann erkannt werden, indem die Schalterströme der Phasenknoten in jedem Zustand wahrgenommen und verglichen werden und immer dann einen Logik-Flag generiert wird, wenn sich die Stromstärken stärker als eine vordefinierte Abweichung unterscheiden. Um Falschmeldungen zu vermeiden, sollte dieser Logik-Flag nur dann gesetzt werden, wenn die Nichtübereinstimmung des Stroms die vordefinierte Abweichung in mindestens mehreren aufeinanderfolgenden Zyklen überschreitet, und die vordefinierte Abweichen sollte groß genug sein, um Nichtübereinstimmungen, bei denen es sich nicht um Fehler handelt und die durch Nichtübereinstimmungen in den äußeren Kondensatorwerten auftreten können, zu ignorieren.
16 zeigt ebenfall vier Stromwahrnehmungs- und -vergleichsschaltungen, CS5, CS6, CS7, CS8; jede über einem von vier Phasenschaltern. Die besondere Implementierung einer jeden Stromwahrnehmungs- und -vergleichsschaltung ähnelt der in 14 oder 15. Um in jedem Zustand eine Nichtübereinstimmungen zwischen den High-Side- und Low-Side-Schalterströmen zu erkennen, kann einer der Spannungsschwellwerte VTH1 oder VTH2 in 14 oder 15 dafür designt sein, eine Funktion des Schalterstroms in diesem Zustand zu sein. Wenn z. B. im ersten Zustand der erste High-Side-Switch HS1 und der zweite Low-Side-Switch LS2 leiten, sollte der Spannungsschwellwert VTH1 in der Stromwahrnehmungs- und -vergleichsschaltung CS5 proportional zur Stromstärke des Low-Side-Schalters LS2 sein, um die Nichtübereinstimmungen in der Stromstärke zwischen dem High-Side-Switch HS1 und dem Low-Side-Switch LS2 wahrzunehmen. Wenn gleichermaßen im zweiten Zustand der zweite High-Side-Switch HS2 und der erste Low-Side-Switch LS1 leiten, sollte der Spannungsschwellwert VTH1 in der Stromwahrnehmungs- und -vergleichsschaltung CS6 proportional zur Stromstärke des Low-Side-Schalters LS1 sein, um die Nichtübereinstimmungen in der Stromstärke zwischen dem High-Side-Switch HS2 und dem Low-Side-Switch LS1 wahrzunehmen. Das Verhältnis der Phasenschalterstromstärke, das verwendet wird um den Spannungsschwellwert VTH1 zu generieren, bestimmt die vordefinierte Abweichung, durch welche ein Fehler durch einen offenen äußeren Kondensatoranschlusspol erkannt werden und von Nichtübereinstimmungen unterschieden werden kann, bei denen es sich nicht um Fehler handelt. Darüber hinaus sollte der Komparator CP1 eine symmetrische Eingangsabweichung oder Hysterese haben, oder ein Fensterkomparator sein, um eine bidirektionale Nichtübereinstimmungen des Stroms zu erkennen.
Ein Beispiel für einen Fehlererkenner eines fehlenden bzw. offenen Kondensatoranschlusspols kann ebenfalls auf eine Ladungspumpe angewendet werden, bei der die Phasenknoten und Schalter nicht von den Kondensatoren in gewöhnlichem Zustand geteilt werden, wie Ladungspumpe 60A auf 17. Wie bei Ladungspumpe 50A, gibt es in Ladungspumpe 60A N Kondensatoren, C₁ bis C_N, wobei N eine gerade Ganzzahl ist. Jeder Kondensator hat sein eigenes Paar Phasenschalter, die den negativen Anschlusspol des Kondensators zwischen der Masse und der Ausgangsspannung VOUT verbinden. Insgesamt gibt es N High-Side-Schalter und N Low-Side-Schalter, anstelle von nur 2 High-Side-Schaltern und 2 Low-Side-Schaltern für die Ladungspumpe in 13 und 16. Über jedem Phasenschalter ist eine Stromwahrnehmungsschaltungen, dargestellt in 17 als HCS₁ bis HCS_n für die High-Side-Schalter und LCS₁ bis LCS_n für die Low-Side-Schalter. Das Wahrnehmungsverfahren von Phasenknotenströmen gilt nun für eine größere Anzahl an Schaltern auf Kosten von Chipfläche und Ruhestrom, aber bietet viel mehr Informationen über den Strom durch jeden Kondensator und eine größere Fehlerabdeckung. In diesem Fall kann ein Fehler durch einen offenen Kondensatoranschlusspol in einem beliebigen Kondensator erkannt werden, nicht nur in den äußeren Kondensatoren, durch Kennzeichnen eines Strompegels pro Kondensatoren, welcher praktisch null oder wesentlich niedriger ist als der der anderen Kondensatorstrompegel.
18 zeigt eine bestimmte Implementierung des Fehlererkenners für die High-Side-Schalter in 17. Die Stromwahrnehmungsschaltung über jedem Phasenschalter kann durch die Verwendung einer der Schaltungen in 12A oder 12B implementiert werden. Wie zuvor beschrieben, ist der Ausgang einer jeden Stromwahrnehmungsschaltung ein Strom, der die Stärke und Polarität des dazugehörigen Schalterstroms repräsentiert. In 18 wird der Stromausgang der ersten High-Side-Schalterstromwahrnehmungsschaltungen HSC₁ durch die Verwendung eines Stromspiegels oder eines Stromverstärkers in zwei Kopien des Stroms repliziert, ISEN_HA1 und ISEN_HB1. Die übrigen Stromausgänge der ungeraden High-Side-Schalterstromwahrnehmungsschaltungen HCS₃, HCS₅ ... HCS_n–1 werden summiert mit ISEN_HA1, um einen gesamten High-Side-Schalterstrom für den ersten Zustand zu generieren, ISEN_{H_STATE1}, der gleich dem Strom des High-Side-Schalters HS1 in 16 ist. ISEN_{H_STATE1} kann dann durch die Verwendung eines zweiten Stromspiegels oder Stromverstärkers repliziert werden, um die Vergleichsschemata, die zuvor in 4B–4C beschrieben wurden, zu implementieren, um Fehlerereignisse wahrzunehmen, die eine Veränderung der Schalterstromstärke- und -polarität verursachen. ISEN_HB1 wird verwendet, um einen Fehler durch einen fehlenden oder offenen Anschlusspol an Kondensator C1 zu erkennen, da sich die Stromstärke durch den ersten High-Side-Schalter und infolgedessen auch die von ISEN_HB1 auf null verringert, wenn der Fehler entsteht: durch das Verbinden von ISENhb1 mit dem Eingang eines Stromkomparators ICP3 wird der Logikpegel des Komparatorausgangs HIGH sein, wenn erkannt wird, dass ISEN_HB1 nahe null ist, und LOW sein, wenn ISEN_HB1 in der gleichen Größenordnung liegt wie die anderen Stromausgänge ISEN_H1, ISEN_H, ISEN_H5 ... ISEN_HN–1.
Ähnlich ist es im zweiten Zustand, wobei 18 die Summierung der Stromausgänge der geraden High-Side-Schalterstromwahrnehmungsschaltungen HCS₂, HCS₄ ... HCS_n zeigt, um einen gesamten High-Side-Schalterstrom für den zweiten Zustand ISEN_{H_STATE2} zu generieren, der gleich dem Strom des High-Side-Schalters HS2 in 16 ist. Die daraus resultierende Implementierung einer Fehlererkennung mittels ISEN_{H_STATE2} ist dann ähnlich der, die für ISEN_{H_STATE1} verwendet wird, und die individuellen Logikfehlersignale für jeden Zustand können logisch in einer ODER-Operation kombiniert werden.
19 zeigt eine bestimmte Implementierung des Fehlererkenners für die Low-Side-Schalter in 17. Die Stromausgänge der geraden Low-Side-Schalterstromwahrnehmungsschaltungen LSC₂, LSC₄, LSC₆, ... LSC_n werden zunächst durch die Verwendung eines Stromspiegels oder eines Stromverstärkers während des ersten Zustandes in zwei Kopien repliziert. Im zweiten Zustand werden die Stromausgänge der ungeraden High-Side-Schalterstromwahrnehmungsschaltungen LSC₁, LSC₃, LSC₅, ... LSC_n–1 auf ähnliche Weise durch die Verwendung eines Stromspiegels oder eines Stromverstärkers repliziert. Für beide Zustände des Betriebs gilt, dass ein erster Satz an kopierten Strömen, die jedem Zustand (ISEN_LA2, ISEN_LA4, ISEN_LA6 ... ISEN_LAN im ersten Zustand; ISEN_LA1, ISEN_LA3, ISEN_LA5 ... ISEN_LAN–1 im zweiten Zustand) zugehörig sind, summiert werden, um einen gesamten Low-Side-Schalterstrom, ISEN_{L_STATE1} und ISEN_{L_STATE2}, zu generieren, der jeweils gleich dem Strom der Low-Side-Schalter LS2 und LS1 in 5 ist. Die zuvor in 14–15 beschriebenen Vergleichsschemata können dann durch die Verwendung von ISEN_{L_STATE1} und ISEN_{L_STATE2} angewandt werden.
Der Fehlererkenner eines fehlenden bzw. offenen Kondensatoranschlusspols unterscheidet sich leicht von dem, der für High-Side-Schalter verwendet wird, wie zuvor in 18 veranschaulicht wurde. Der zweite Satz and replizierten Strömen, die jedem Zustand (ISEN_LB2, ISEN_LB4, ISEN_LB6 ... ISEN_LBN im ersten Zustand; ISEN_LB1, ISEN_LB3, ISEN_LB5 ... ISEN_LBN–1 im zweiten Zustand) zugehörig sind, werden alle verbunden mit Stromkomparatoren ICP_L1 bis ICP_Ln um einen Fehler durch einen fehlenden oder offenen Anschlusspol zu erkennnen, indem erkannt wird, wenn die Stromstärken bei null oder nahe null liegen. Dieser Nullstromdetektor kann tatsächlich auch für die High-Side-Schalter-Implementierung (18) verwendet werden, aber es ist unnötig, einen Nullstromdetektor für alle High-Side- und Low-Side-Schalter zu verwenden, da sich die Kondensatoren C₂ bis C_N in 17 in beiden Zuständen immer in Reihenschaltung mit einem Low-Side-Schalter befinden; lediglich der äußere Kondensator C1 befindet sich im ersten Zustand nicht in Reihenschaltung mit einem Low-Side-Schalter. Wie der Stromkomparator ICP3 in 18 zeigt, wird ein Nullstromdetektor daher nur für den ersten High-Side-Schalter benötigt. Im Gegenzug befinden sich die Kondensatoren C₁ bis C_n–1 in 17 in beiden Zuständen immer in Reihenschaltung mit einem High-Side-Schalter; lediglich der äußere Kondensator C_N befindet sich im ersten Zustand nicht in Reihenschaltung mit einem High-Side-Schalter. Beispielsweise zeigen die 18–19 die Verwendung des Nullstromdetektors für alle Low-Side-Schalter und nur für den ersten High-Side-Schalter, der mit Kondensator C₁ verbunden ist, wobei beide Implementierungen zusammen dazu in der Lage sind, einen Fehler durch einen fehlenden oder offenen Anschlusspol an einem beliebigen Kondensator in der Ladungspumpe in 17 zu erkennen, und nicht nur an den äußeren Kondensatoren.
20 zeigt ein alternatives Verfahren, um einen Fehler durch einen fehlenden oder offenen Kondensatoranschlusspol an einem beliebigen Kondensator für die Ladungspumpe in 1A zu erkennen, obwohl dieses Verfahren auf gleiche Weise auch angewandt werden kann auf die Ladungspumpen in 1B, 16 und 17. Ein Vorteil dieses Verfahrens ist es, dass die Ladungspumpe nicht mit Softaufladung betrieben werden muss, damit der Fehlererkenner funktioniert. Sobald ein Fehlerereignis durch einen fehlenden oder offenen Kondensatoranschlusspol, entweder während des Betriebs der Ladungspumpe oder bevor die Ladungspumpe ihren Betrieb aufnimmt, auftritt, wird die Ladungspumpe nicht dazu in der Lage sein, den Ausgang VOUT an das Ziel zu steuern, welches vom Umwandlungsverhältnis der Ladungspumpe festgelegt wird und VOUT wird über aufeinanderfolgende Schaltzyklen hinweg kleiner. Durch den Vergleich des VOUT Spannungspegels mit dem Spannungsschwellwert VUVLO mittels eines Spannungskomparators CP8, kann der Ausgang des Spannungskomparators CP8 als ein logischer Fehleranzeiger verwendet werden, der den Betrieb der Ladungspumpe deaktiviert, wenn VOUT unter den Spannungsschwellwert VUVLO sinkt. Der Spannungsschwellwert VUVLO sollte unter den kleinsten VOUT-Betriebspegel in der Anwendung gesetzt werden, einschließlich der größten VOUT-Welligkeitsamplitude, die über den Anwendungsort auftreten würde, aber über einen Pegel, bei welchem die grundlegende Funktionalität von Transistoren scheitern oder in dem Maße abnehmen würde, dass es die Leistung der Ladungspumpe und/oder eines Untersystems, welches sich in Reihenschaltung mit VOUT befindet, nachteilig beeinflussen würde. Der Spannungsschwellwert VUVLO kann ein fester Spannungspegel oder als eine Funktion des VOUT-Spannungspegels und der VOUT-Welligkeitsamplitude variable sein, falls solche Informationen der Ladungspumpe durch wahrgenommene Eingänge oder intern programmierte Einstellungen zur Verfügung stehen. Beispielsweise könnten die Schaltfrequenz und Kondensatorenwerte der Ladungspumpe intern programmierte Einstellungen sein und diese Einstellungen unmittelbar die VOUT Welligkeitsamplitude steuern.
6 Implementierungen
Implementierungen der oben beschriebenen Herangehensweisen könnten unter Verwendung von integrierten und/oder externen (z. B. diskreten) Kondensatoren in monolithischen Geräten integriert werden. Steuerlogik für die Erkennung und Verarbeitung von erkannten Zuständen könnte vollständig im Gerät integriert werden oder zumindest teilweise durch die Verwendung von externen Schaltungen implementier werden. Diese integrierte und/oder externe Schaltung kann dedizierte Logikschaltungen (z. B. anwendungsspezifische integrierte Schaltungen, ASICs) und/oder software-implementierte Logik, die eine Steuerung, einen Prozessors oder andere softwaregesteuerte Elemente beinhaltet, verwenden. Solche Software kann gespeichert werden auf einem festen maschinenlesbaren Medium (z. B. Halbleiterspeicher, optische Platte, usw.) Anweisungen für die Steuerung von mindestens irgendeinem Stadium des Designs oder der Herstellung eines Geräts, welches eine der oben beschriebenen Herangehensweisen implementiert, könnte ebenfalls auf einem festen maschinenlesbaren Medium gespeichert werden.
Es muss verstanden werden, dass die vorausgehende Beschreibung zur Veranschaulichung und nicht zur Begrenzung des Umfangs der Erfindung gedacht ist, was den Umfang der angefügten Ansprüche einschließt. Weitere Ausführungsformen liegen im Umfang der folgenden Ansprüche.

Claims

Switched-Capacitor-Leistungswandler, umfassend: einen ersten Anschlusspol zum Koppeln mit einer ersten externen Schaltung bei im Wesentlichen einer hohen Spannung; einen zweiten Anschlusspol zum Koppeln mit einer zweiten externen Schaltung bei im Wesentlich einer niedrigen Spannung, die niedriger ist als die hohe Spannung, wobei während des Betriebs des Leistungswandlers Ladung auf einem Ladungstransferpfad zwischen dem ersten Anschlusspol und dem zweiten Anschlusspol läuft; eine Vielzahl an Halbleiterschaltelemente, einschließlich eines ersten Satzes Schaltelemente auf dem Ladungstransferpfad zwischen dem ersten Anschlusspol und dem zweiten Anschlusspol, wobei sich kein Schaltelement im ersten Satz Schaltelemente weder mit dem ersten Anschlusspol noch mit dem zweiten Anschlusspol in Reihenschaltung befindet, um im Wesentlichen den gesamten Strom zu tragen, der durch den genannten Anschlusspol läuft, und wobei jedes Schaltelement im ersten Satz Schaltelemente dafür konfiguriert ist, einen kontrollierbaren Ladungstransferpfad zwischen dazugehörigen Untersätzen einer Vielzahl an Kondensatoren zu bilden, und einen zweiten Satz Schaltelemente, der dafür konfiguriert ist, eine elektrische Verbindung von mindestens manchen der Kondensatoren zu Wechselreferenzspannungen zu bilden, wobei die Vielzahl an Schaltelementen dafür konfiguriert ist, die genannten Verbindungen in aufeinanderfolgenden Zuständen im Betrieb zu bilden; eine Messschaltung, die dafür konfiguriert ist, ein Spannungs- und/oder strommerkmal von einem oder mehreren Schaltelementen des ersten Satz Schaltelemente oder des zweiten Satz Schaltelemente zu messen; und eine Fehlersteuerschaltung, die mit der Messschaltung gekoppelt ist, die dafür konfiguriert ist, den Betrieb des Leistungswandlers zu ändern, sobald eine Bedingung erkannt wird, die bestimmt wird, wenn die gemessenen Merkmale der Schaltelemente abweichen von einer vorgegebenen Bandbreite an Merkmalen.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl an Schaltelementen ferner enthält: einen dritten Satz Schaltelemente auf dem Ladungstransferpfad zwischen dem ersten Anschlusspol und dem zweiten Anschlusspol, der sich in Reihenschaltung befindet mit entweder dem ersten Anschlusspol oder dem zweiten Anschlusspol.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei der zweite Satz Schaltelemente Schaltelemente enthält, die während mancher Betriebszustände eine elektrische Verbindung von mindestens manchen der Kondensatoren zu dem Niederspannungsanschlusspol bilden.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Stadien des Betriebs eine wiederholte Sequenz getakteter Stadien umfassen.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vielzahl an Kondensatoren, wobei jeder Kondensator einen Anschlusspol hat, der gekoppelt ist mit einem Anschlusspol von mindestens einem Schaltelement der Vielzahl an Schaltelementen.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 5, wobei die Kondensatoren und Schaltelemente in einem monolithischen Gerät integriert sind.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei der Wandlern eine Dickson-Ladungspumpe umfasst.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Spannungs- und/oder strommerkmale des einen oder der mehreren Schaltelemente einer Gruppe zugehörig sind, bestehend aus: einer Spannung über den Anschlusspolen eines Schaltelements des ersten Satzes Schaltelemente; einem Strom durch ein Schaltelement des ersten Satz Schaltelemente; einer Spannung an einer Kreuzung zwischen einem Schaltelement des ersten Satzes Schaltelemente und einem Kondensator der Vielzahl an Kondensatoren; einer Spannung über Anschlusspolen eines Kondensators der Vielzahl an Kondensatoren, die an das Schaltelement gekoppelt sind; einer Spannung an der Kreuzung zwischen einem Schaltelement des zweiten Satzes Schaltelemente und einem Kondensator der Vielzahl an Kondensatoren; und einem Strom durch ein Schaltelement des ersten Satzes Schaltelemente.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei das Spannungs- und/oder strommerkmal des Schaltelements eine Spannung über Anschlusspolen des Schaltelements umfasst.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei das Spannungs- und/oder strommerkmal des Schaltelements einen Strom durch das Schaltelement umfasst.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei das Spannungs- und/oder strommerkmal des Schaltelements eine Spannung an einem Anschlusspol des Schaltelements umfasst.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei das Spannungs- und/oder strommerkmal des Schaltelements eine Spannung über Anschlusspolen eines Kondensator der Vielzahl an Kondensatoren umfasst, die gekoppelt ist mit dem Schaltelement.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Schaltelemente des zweiten Satzes Schaltelemente einen Phasengenerator bilden, und wobei das Spannungs- und/oder strommerkmal des Schaltelements eine Spannung und/oder einen Strom umfasst, der durch den Phasengenerator eingespeist wird.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei jedes der Halbleiterschaltelemente einen FET-Transistor umfasst, um mindestens zwei der Kondensatoren zu koppeln.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 14, wobei zumindest manche der Halbleiterschaltelemente ein Netzwerk mehrerer FET-Transistoren umfassen.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei zumindest manche der Schaltelemente des ersten Satzes Schaltelemente oder des zweiten Satzes Schaltelemente eine maximale Nennspannung haben, die geringer ist als die hohe Spannung.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 16, wobei zumindest manche der Schaltelemente des ersten Satzes Schaltelemente oder des zweiten Satzes Schaltelemente eine maximale Nennspannung haben, die geringer ist als der Unterschied zwischen der hohen Spannung und der niedrigen Spannung.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 17, wobei zumindest manche der Schaltelemente des ersten Satzes Schaltelemente oder des zweiten Satzes Schaltelemente eine maximale Nennspannung haben, die nicht größer ist als ein Bruch 1/N, N > 1, des Unterschieds zwischen der hohen Spannung und der niedrigen Spannung.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Fehlersteuerschaltung einen oder mehrere Schalter umfasst, von denen jeder eine maximale Nennspannung hat, die größer ist als die Nennspannung von mindestens manchen der Vielzahl an Schaltern, wobei der eine oder die mehreren Schalter für eine elektrisches Trennen oder eine Begrenzung des Stromflusses durch mindestens manche der Schaltelemente der Vielzahl an Schaltelementen konfiguriert sind.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 19, wobei der eine oder die mehreren Schalter einen Schalter umfassen, der direkt mit dem ersten Anschlusspol gekoppelt ist.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 19, wobei der eine oder die mehreren Schalter einen Schalter umfassen, der zwischen zwei Schaltelementen der Vielzahl an Schaltelementen gekoppelt ist.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 1, wobei die Fehlersteuerschaltung dafür konfiguriert ist, die Merkmale der Phasen zu ändern, sobald die Bedingung erkannt wird.
Switched-Capacitor-Leistungswandler nach Anspruch 22, wobei die Merkmale der Phasen zu einer Gruppe zugehörig sind, bestehend aus: einem Tastverhältnis der getakteten Phasen; einer Taktfrequenz der Phasen; und einem Übergehen von einem oder mehreren Taktzyklen der getakteten Phasen.