DE112015001245T5

DE112015001245T5 - Ladungsausgeglichene Ladungspumpensteuerung

Info

Publication number: DE112015001245T5
Application number: DE112015001245.1T
Authority: DE
Inventors: Aichen Low; Gregory Szczeszynski; David Giuliano
Original assignee: Arctic Sand Technologies Inc
Current assignee: PSemi Corp
Priority date: 2014-03-14
Filing date: 2015-03-10
Publication date: 2016-12-15
Also published as: US10348195B2; GB2538664A; CN106105001A; GB201615322D0; US20200228002A1; GB202103320D0; GB2596627A; US10574140B2; GB2596627B; US20200007033A1; KR102320320B1; US10128745B2; CN106105001B; US11336175B2; KR102464220B1; WO2015138378A1; KR20160132973A; US20190081561A1; US20170085172A1; KR20210131471A

Abstract

Eine Vorrichtung zum Koppeln von Kondensatoren, um eine Ladungspumpe zu bilden, beinhaltet einen ersten und zweiten Satz an Schaltelementen und eine Steuerung. Schalter im ersten Satz koppeln Terminals von Kondensatoren, um einen Ladungstransfer zwischen ihnen zu ermöglichen. Schalter im zweiten Satz koppeln Terminals von zumindest einigen der Kondensatoren entweder an ein Hochspannungs- oder ein Niedrigspannungsterminal. Die Steuerung bewirkt, dass die Schalter durch eine Sequenz an Zuständen getaktet werden, wobei jeder davon eine entsprechende Konfiguration der Schaltelemente definiert. Mindestens drei der Zustände definieren verschiedene Konfigurationen, die einen Ladungstransfer entweder zwischen einem ersten Kondensator und einem zweiten Kondensator oder zwischen einem ersten Kondensator und einem von den Terminals ermöglichen. Der konfigurierte Zyklus an Zuständen bewirkt eine Spannungsumwandlung zwischen den beiden Terminals.

Description

VERWANDTE ANMELDUNGEN
Diese Anmeldung beansprucht den Vorteil des Prioritätsdatums 14. März 2014 der vorläufigen US-Anmeldung 61/953,270, deren Inhalte durch Verweis vollständig hierin einbezogen sind.
GEGENSTAND DER ERFINDUNG
Diese Erfindung betrifft eine Steuerung für Ladungspumpen zum Ausgleichen der Ladung.
HINTERGRUND
Die Patentveröffentlichung WO 2012/151466 , veröffentlicht am 8. November 2012, und hierin per Verweis einbezogen, beschreibt Konfigurationen von Ladungspumpen, auch bekannt als geschaltete Kondensatorwandler (switched capacitor converters), in denen die Quelle und/oder Last regulierende/Regulatorschaltungen umfasst. In einigen Beispielen kann die Last effektiv eine Stromquelle und/oder Last umfassen, statt eine konstante Spannung darzustellen, in einem Beispiel, das als „adiabatischer“ Betrieb einer Ladungspumpe bezeichnet wird. Regulierende/Regulatorschaltungen wie zum Beispiel Schaltmodusleistungswandler verhalten sich wie Stromlasten/-quellen. Daher sind Stromlasten/-quellen und regulierende/Regulatorschaltungen für den Zweck dieser Offenbarung untereinander austauschbar.
Obwohl die Verwendung einer strombasierten Last (und/oder Quelle) die Effizienz im Vergleich zu einer rein oder im Wesentlichen spannungsbasierten Last (und/oder Quelle) verbessern kann, können interne Energieverluste bestehen bleiben, zum Beispiel aufgrund von Umverteilung von Ladungen innerhalb der Ladungspumpe.
ZUSAMMENFASSUNG
Ein Effekt der Verwendung einer spannungsbasierten Last (und/oder Quelle) mit einer Ladungspumpe ist, dass es Situationen geben kann, in denen eine konventionelle Schalterzeiteinteilung, die mit spannungsbasierten Lasten und/oder Quellen eingesetzt wird, zu einem Ladungsungleichgewicht über die Kondensatoren führt, was zu einem Effizienzverlust führen kann, zum Beispiel aufgrund von Ladungsumverteilung unmittelbar nach dem Schalten zwischen Konfigurationen in der Ladungspumpe.
In einem Aspekt werden allgemein in einem Ansatz zur Verbesserung der Effizienz einer Ladungspumpe unter Verwendung eines adiabatischen Ladungstransfers drei oder mehr Zustände verwendet, wobei jeder davon einer Konfiguration an Schaltern entspricht, die Kondensatoren aneinander und/oder an die Eingangs- und Ausgangsterminals der Ladungspumpe koppeln. Durch Einführen einer angemessenen Sequenz von mehr als zwei Zuständen, in denen Ladung auf oder von Kondensatoren übertragen wird, und Auswählen der Dauer, über die diese Zustände in jedem Betriebszyklus der Ladungspumpe besetzt sind, ist der Ladungstransfer in jeden und aus jedem Kondensator über den Betriebszyklus ausgeglichen, wodurch die Ladungsumverteilung bei Zustandsübergängen und die damit verbundenen Leistungsverluste, die zu Ineffizienz führen, verhindert oder erheblich reduziert werden.
In einem Aspekt weist die Erfindung eine Vorrichtung zum Koppeln an Kondensatoren auf, um eine Ladungspumpenschaltung zu bilden. Solch eine Vorrichtung beinhaltet einen ersten und zweiten Satz an Schaltelementen und eine Steuerungsschaltung. Der erste Satz an Schaltelementen umfasst Schaltelemente, die konfiguriert sind, um Terminals von Kondensatorelementen zu koppeln, um den Ladungstransfer zwischen den Kondensatoren zu ermöglichen. Der zweite Satz an Schaltelementen umfasst Schaltelemente, die konfiguriert sind, um Terminals von zumindest einigen der Kondensatorelemente an ein erstes Terminal zu koppeln, das entweder ein Hochspannungsterminal oder ein Niedrigspannungsterminal ist. Die Steuerungsschaltung ist an die Schaltelemente gekoppelt und konfiguriert, um die Schaltelemente durch eine Sequenz an Zuständen zu takten. Jeder Zustand definiert eine entsprechende Konfiguration der Schaltelemente. Mindestens drei der Zustände definieren verschiedene Konfigurationen der Schaltelemente, die einen Ladungstransfer zwischen einem Paar an Elementen ermöglichen. Das Paar an Elementen ist entweder ein Paar an Kondensatoren oder ein Kondensator und ein Terminal. Der konfigurierte Zyklus an Zuständen stellt eine Spannungsumwandlung zwischen dem Hochspannungsterminal und dem Niedrigspannungsterminal bereit.
In einigen Ausführungsformen gibt es Terminals zum Koppeln der Schaltelemente an die Kondensatoren.
Andere Ausführungsformen beinhalten die Kondensatoren selbst. In diesen Ausführungsformen definieren die Kondensatoren, wenn sie an die Schaltelemente gekoppelt sind, eine Ladungspumpenschaltung.
Einige Ausführungsformen umfassen eine integrierte Schaltung. In diesen Ausführungsformen werden zumindest ein Teil der Ladungspumpenschaltung und zumindest ein Teil der Steuerungsschaltung in einer einzelnen integrierten Schaltung gebildet.
Die Ausführungsformen schließen auch diejenigen mit ein, die eine Regulatorschaltung beinhalten. In diesen Ausführungsformen ist die Regulatorschaltung an zumindest eines von dem Hochspannungsterminal und dem Niedrigspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung gekoppelt. In einigen dieser Ausführungsformen ist die Regulatorschaltung konfiguriert, um eine Stromlast am Niedrigspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung bereitzustellen. In anderen ist die Regulatorschaltung konfiguriert, um als Stromquelle am Niedrigspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung zu arbeiten. In noch anderen ist die Regulatorschaltung konfiguriert, um eine Stromlast am Hochspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung bereitzustellen oder um als Stromquelle am Hochspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung zu arbeiten oder um zu bewirken, dass ein gepulster Strom zwischen der Regulatorschaltung und der Ladungspumpenschaltung durchläuft. Im letzteren Fall arbeitet die Ladungspumpe in einem Pulszyklus mit einem ersten Teil, während dem der gepulste Strom ein erster konstanter Strom ist, und einem zweiten Teil, während dem der gepulste Strom eine größere Größe als der zweite konstante Strom aufweist. In vielen Fällen ist der zweite konstante Strom im Wesentlichen Null oder sogar gleich Null. Typischerweise ist der erste konstante Strom im Wesentlichen größer als der zweite konstante Strom.
In einigen Ausführungsformen ist eine Regulatorschaltung konfiguriert, um einen durchschnittlichen Strom zu steuern, der zwischen der Regulatorschaltung und der Ladungspumpenschaltung durchläuft.
In den Ausführungsformen, die einen Regulator aufweisen, können viele Regulatortypen verwendet werden. Diese beinhalten Regulatoren, die Schaltmodusleistungswandler oder Abwärtswandler (Buck Converter) oder sogar Magnetfilter sind.
In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung konfiguriert, um jeden Zustand über eine entsprechende Dauer eines Teils einer Ladungspumpenzykluszeit aufrechtzuhalten. Die Dauern dieser Zustände sind ausgewählt, um ein ausgeglichenes Laden und Entladen von jedem der Kondensatoren durch die Sequenz an Zuständen von jedem Zyklus aufrechtzuhalten.
In anderen Ausführungsformen ist die Steuerung konfiguriert, um Dauern der Zustände auszuwählen, um die Umverteilung von Ladung unter den Kondensatoren bei Zustandsübergängen zu reduzieren.
Wenn die Schaltelemente an die Terminals der Kondensatorelemente gekoppelt sind, definieren sie eine aus einer Vielzahl von Ladungspumpenschaltungen. Beispiele beinhalten eine Mehrphasenladungspumpe, eine Einzelphasenladungspumpe, eine mehrstufige Ladungspumpe und einen Kaskadenmultiplikator.
Auch unter den Ausführungsformen sind diejenigen, in denen die Steuerung konfiguriert ist, um Sensorsignale von mindestens einem von dem ersten und zweiten Satz an Schaltelementen zu empfangen und um das Takten der Schaltelemente durch die Sequenz an Zuständen basierend zumindest teilweise auf den Sensorsignalen adaptiv anzupassen.
In einigen Ausführungsformen gibt es zwei Regulatorschaltungen. Eine Regulatorschaltung ist an das Hochspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung gekoppelt. In der Zwischenzweit ist eine zweite Regulatorschaltung an das Niedrigspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung gekoppelt. Entweder der erste oder zweite Regulator kann ein Magnetfilter sein. Unter diesen Ausführungsformen sind diejenigen, in denen die Steuerung konfiguriert ist, um Sensorsignale von mindestens einem von dem ersten und zweiten Satz an Schaltelementen zu empfangen und um das Takten der Schaltelemente durch die Sequenz an Zuständen basierend zumindest teilweise auf den Sensorsignalen adaptiv anzupassen.
In einem anderen Aspekt weist die Erfindung ein Verfahren zum Betreiben einer Ladungspumpe auf, in dem Schaltelemente aus einem ersten Satz an Schaltelementen konfiguriert sind, um Terminals von Kondensatorelementen zu koppeln, um einen Ladungstransfer zwischen den Kondensatoren zu ermöglichen, und in dem Schaltelemente aus einem zweiten Satz an Schaltelementen konfiguriert sind, um Terminals von Kondensatorelementen entweder an ein Hochspannungsterminal oder ein Niedrigspannungsterminal zu koppeln. Solch ein Verfahren beinhaltet das Bewirken einer Spannungsumwandlung zwischen dem Hochspannungsterminal und dem Niedrigspannungsterminal. Das Bewirken dieser Spannungsumwandlung beinhaltet das Takten der Schaltelemente durch eine Sequenz von Zuständen. Jeder Zustand definiert eine entsprechende Konfiguration der Schaltelemente. Mindestens drei der Zustände definieren verschiedene Konfigurationen der Schaltelemente, die einen Ladungstransfer zwischen einem Paar an Elementen ermöglichen. Das Paar an Elementen ist entweder ein Paar an Kondensatoren oder ein Kondensator und eines der Terminals.
Einige Ausübungsformen der Erfindung beinhalten das Aufrechterhalten eines durchschnittlichen Stroms, der zwischen einer Regulatorschaltung und der Ladungspumpenschaltung durchläuft. Andere beinhalten das Regulieren eines Stroms am ersten Terminal, wodurch ein durchschnittlicher Strom aufrechterhalten wird, der zwischen einer Regulatorschaltung und der Ladungspumpenschaltung durchläuft.
In anderen Ausübungsformen beinhaltet das Takten der Schaltelemente durch eine Sequenz an Zuständen das Aufrechterhalten jedes Zustands über eine entsprechende Dauer eines Teils einer Ladungspumpenzykluszeit. Dies kann auch das Auswählen der Dauer der Zustände, um ein ausgeglichenes Laden und Entladen von jedem der Kondensatoren durch die Sequenz an Zuständen von jedem Zyklus aufrechtzuhalten, beinhalten.
Einige Ausübungsformen der Erfindung beinhalten das Steuern eines durchschnittlichen Stroms zwischen einer Regulatorschaltung und der Ladungspumpenschaltung.
Andere Ausübungsformen beinhalten das Koppeln einer Regulatorschaltung an das erste Terminal. Darunter sind Ausübungsformen, die das Bewirken, dass die Regulatorschaltung eine Stromlast am Niedrigspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung bereitstellt, Bewirken, dass die Regulatorschaltung eine Stromlast am Hochspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung bereitstellt, Bewirken, dass die Regulatorschaltung als Stromquelle am Niedrigspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung arbeitet, Bewirken, dass die Regulatorschaltung als Stromquelle am Hochspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung arbeitet, und Bewirken, dass ein gepulster Strom zwischen einer Regulatorschaltung und der Ladungspumpenschaltung durchläuft, beinhalten.
Einige Ausübungsformen beinhalten das Koppeln der Schaltelemente aus dem ersten und zweiten Satz an Schaltelementen an die Terminals der Kondensatorelemente. Dies kann zur Bildung einer Mehrphasenladungspumpe, einer Einzelphasenladungspumpe, einer mehrstufigen Ladungspumpe oder eines Kaskadenmultiplikators führen.
Die Ausübungsformen, die einen Regulator umfassen, beinhalten das Auswählen des Regulatortyps. Dies kann das Auswählen, dass der Regulator ein Schaltmodusleistungswandler ist, das Auswählen, dass der Regulator ein Abwärtswandler ist, oder das Auswählen, dass der Regulator ein Magnetfilter ist, beinhalten.
Einige Praktiken beinhalten auch das Empfangen von Sensorsignalen von mindestens einem von dem ersten und zweiten Satz an Schaltelementen und das adaptive Anpassen des Taktens der Schaltelemente durch die Sequenz an Zuständen basierend zumindest teilweise auf den Sensorsignalen.
Einige Ausübungsformen beinhalten die Verwendung von zwei Regulatoren. Diese Praktiken beinhalten weiter das Koppeln eines ersten Regulators an das Hochspannungsterminal und das Koppeln eines zweiten Regulators an das Niedrigspannungsterminal. Einer der Regulatoren kann ein Magnetfilter sein, während der andere ein Wandler ist. Unter diesen Ausübungsformen sind diejenigen, die auch das Steuern von mindestens einem von dem ersten und zweiten Satz an Schaltelementen und das adaptive Anpassen des Taktens der Schaltelemente durch die Sequenz an Zuständen basierend zumindest teilweise auf den von mindestens einem von dem ersten und zweiten Satz an Schaltelementen empfangenen Sensorsignalen beinhalten. Andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung und aus den Ansprüchen ersichtlich.
BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein schematisches Diagramm einer 5:1-Einzelphasenladungspumpe mit einer Spannungsquelle und einer Stromlast.
Die 2A–2B sind schematische Diagramme der Schaltung aus 1 jeweils in den Zuständen 1 und 2 der Schalterkonfiguration.
Die 3A–3C sind schematische Diagramme der Schaltung aus 1 jeweils in den Zuständen 1a, 1b und 2.
3D ist ein Satz an Wellenformen, die die Spannung über jeden Kondensator in den 3A–3C während des Betriebs der Ladungspumpe zeigen.
Die 4A–4C sind schematische Diagramme der Schaltung aus 1 jeweils in alternativen Definitionen der Zustände 1a, 1b und 2.
4D ist ein Satz an Wellenformen, die die Spannung über jeden Kondensator in den 4A–4C während des Betriebs der Ladungspumpe zeigen.
5 ist ein schematisches Diagramm einer 6:1-Einzelphasenladungspumpe mit einer Spannungsquelle und einer Stromlast.
Die 6A–6D sind schematische Diagramme der Schaltung aus 5 jeweils in den Zuständen 1a, 1b, 2a und 2b.
7 ist ein schematisches Diagramm einer 5:1-Zweiphasenladungspumpe mit einer Spannungsquelle und einer Stromlast.
Die 8A–8B sind schematische Diagramme der Schaltung aus 7 jeweils in den Zuständen 1a und 1b.
9 ist ein Schema einer zweiphasigen 3:1-Reihenparallelladungspumpe mit einer Spannungsquelle und einer Stromlast.
Die 10A–10D sind schematische Diagramme der Schaltung aus 9 jeweils in den Zuständen 1a, 1b, 2a und 2b.
Die 11A–11B sind schematische Diagramme der Schaltung aus 7 jeweils in den Zuständen 1a und 1b mit Stromversatz.
Die 12–14 sind Blockdiagramme von Leistungswandlern.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine erste beispielhafte Ladungspumpe 110 wird in 1 gezeigt, um eine Quelle des Ladungsungleichgewichts beim Betrieb einer solchen Ladungspumpe darzustellen. Die Ladungspumpe 110 ist ein Kaskadenmultiplikator, der konfiguriert ist, um eine Spannungsreduzierung von 5:1 (d. h. M = 5) nominal bereitzustellen, sodass eine Ausgangsspannung V_OUT (Volt) ein Fünftel einer Eingangsspannung V_IN (Volt) beträgt. Vier Kondensatoren (markiert als C₁ bis C₄) werden mit Schaltern (markiert als S₁ bis S₉) an beiden Terminals jedes Kondensators verwendet, um einen Teil der Eingangsspannung V_IN und Transferladung von einem Kondensator auf den nächsten zu speichern. Die Kondensatoren, die den Terminals V_IN und V_OUT am nächsten sind, sind jeweils als C₁ und C₄ markiert, und werden nachfolgend als die „äußeren“ Kondensatoren bezeichnet, während die übrigen Kondensatoren, die als C₂ und C₃ markiert sind, nachfolgend als die „inneren“ Kondensatoren bezeichnet werden. Als weitere Anmerkung werden die Spannung und Ladung an einem Kondensator C_k jeweils als V_k und Q_k bezeichnet. Sofern nicht anders angegeben, werden die Kondensatoren so behandelt, als ob sie idealerweise eine identische Kapazität C (Farad) aufweisen würden.
Die Ladungspumpe 110 wird betrieben, indem ein Satz an Schaltern (S₁ bis S₉), die bewirken, dass Ladung zwischen den Kondensatoren und zwischen den Terminals und den Kondensatoren durchläuft, betrieben wird. Die Steuerung der Schalter der Ladungspumpe 110 kann als Zyklus durch eine Reihe von Zuständen dargestellt werden, wobei jeder Zustand mit einer bestimmten Konfiguration des Satzes an Schaltern assoziiert wird (d. h. eine bestimmte Einstellung einer Konfiguration mit offener Schaltung (nicht leitend) und geschlossenen Schaltung (leitend) für jeden der Schalter).
Ein Betriebsmodus der Ladungspumpe 110, der in 1 gezeigt wird, verwendet einen Zyklus mit zwei Zuständen. In einem Zustand 1 sind die Schalter mit der Markierung „1“ (d. h. S₁, S₃, S₅, S₇, S₈) geschlossen und die Schalter mit der Markierung „2“ (d. h. S₂, S₄, S₆, S₉) offen. In einem Zustand 2 sind die Schalter mit der Markierung „1“ offen und die Schalter mit der Markierung „2“ geschlossen. Diese Konfigurationen an Schaltern werden in tabellarischer Form (wobei „1“ angibt, dass der Schalter geschlossen ist und „0“ angibt, dass der Schalter offen ist) wie folgt gezeigt:

Zustand Schalter

S₁ S₂ S₃ S₄ S₅ S₆ S₇ S₈ S₉

Zustand 1 1 0 1 0 1 0 1 1 0

Zustand 2 0 1 0 1 0 1 0 0 1
Es ist anzumerken, dass in der Praxis möglicherweise zusätzliche Zustände benötigt werden, in denen alle oder ein ausreichender Satz an Schaltern offen sind, sodass Ladung nicht zu oder von den Kondensatoren verläuft, ohne sich auf die Gesamtfunktion der Ladungspumpe 110 auszuwirken, zum Beispiel in einem „unterbrechenden („break before make“)“ Ansatz, um die Notwendigkeit einer tatsächlich unmittelbaren Schaltung zu vermeiden. Jedoch werden im Allgemeinen für die Analyse des idealen Verhaltens nachfolgend solche zusätzlichen Zustände nicht berücksichtigt, da diese zusätzlichen Zustände keinen Ladungstransfer beinhalten und sich nicht auf das Ergebnis der Analyse auswirken.
Ein vollständiger Zyklus der Ladungspumpe 110 weist eine Sequenz von zwei Zuständen auf, Zustand 1 gefolgt von Zustand 2. Ein erster Phasenknoten P₁ koppelt an das negative Terminal der Kondensatoren C₁, C₃, und ein zweiter Phasenknoten P₂ koppelt an das negative Terminal der Kondensatoren C₂, C₄. Die Spannung am ersten Phasenknoten P₁ alterniert zwischen der Erde und der Ausgangsspannung V_OUT, und die Spannung am zweiten Phasenknoten P₂ ist außer Phase mit dem ersten Phasenknoten P₁.
Bei einem Dauerzustandsbetrieb weisen die Kondensatoren C₁ bis C₄ nominale Spannungen über ihre Terminals auf, die Vielfache der nominalen Ausgangsspannung sind: V (nom) / 1 = 4·V (nom) / OUT = (4/5)·V_IN V (nom) / 2 = 3·V (nom) / OUT = (3/5)·V_IN V (nom) / 3 = 2·V (nom) / OUT = (2/5)·V_IN V (nom) / 4 = 1·V (nom) / OUT = (1/5)·V_IN
Wenn zum Beispiel die Eingangsspannung V_IN gleich 25,0 (Volt) ist, sind die nominalen Spannungen über die Kondensatoren C₁–C₄ jeweils 20,0, 15,0, 10,0 und 5,0 (Volt) und ist die nominale Ausgangsspannung V_OUT 5,0 (Volt). Die tatsächlichen Spannungen über die Kondensatoren variieren um diese nominalen Werte (d. h. die Spannung weist „Welligkeit („ripple“)“ auf) während eines Zyklus der sukzessiven Betriebszustände der Ladungspumpe 110, bezeichnet als V_k = V (nom) / k + v_k.
In diesem Beispiel wird das Ausgangsterminal der Ladungspumpe 110 so behandelt, als ob es an eine Stromlast gekoppelt ist, mit dem Strom I_OUT. In einigen Beispielen wird angenommen, dass dieser Strom konstant ist. Allgemeiner, wie weiter nachfolgend besprochen, kann der Strom mit einem konstanten Durchschnitt I -_OUT = D·I (peak) / OUT gepulst sein, wobei D der Arbeitszyklus (ein Teil zwischen Null und Eins) der gepulsten Stromlast ist; dies ist eine gute Repräsentation des Verhaltens eines Abwärtswandlers. Allgemein ist die Frequenz der Stromlastschaltung ein Mehrfaches der Frequenz der Schaltung der Ladungspumpe 110 (z. B. 2×, 3×, 10×, 100×). In einigen Beispielen kann der Strom während jedes Zustands konstant sein, aber während jedes Zustands unterschiedliche Werte aufweisen. Weiter sind Momente des Zustandsübergangs vorteilhafterweise so gewählt, dass sie während des Nullstromteils des Arbeitszyklus des Ausgangsstroms stattfinden, wodurch Schaltverluste mit nicht idealen Schaltungen (z. B. Transistor) reduziert werden. Aber zur Besprechung dieses ersten Beispiels wird lediglich der Fall des konstanten Stroms berücksichtigt.
Unter Bezugnahme auf die 2A–2B werden die äquivalenten Schaltungen der Ladungspumpe 110 in 1 jeweils für Zustand 1 und Zustand 2 gezeigt. Allgemein wird im Zustand 1 Energie vom Terminal V_IN auf den Außenkondensator C₁, zwischen den Innenkondensatoren C₂, C₃, und vom Außenkondensator C₄ auf das Terminal V_OUT übertragen. In Zustand 2 wird Energie zwischen den Kondensatoren und auf die Last am Terminal V_OUT übertragen.
Während Zustand 1 tragen die Außenkondensatoren C₁, C₄ einen Strom 0,4·I_OUT, während die Innenkondensatoren C₂, C₃ jeweils einen Strom 0,2·I_OUT tragen, was die Hälfte des Stroms durch die Außenkondensatoren C₁, C₄ ist. Wenn daher Zustand 1 eine Zustandsdauer t₁ aufweist, befriedigt die Ladungsänderung an den Außenkondensatoren C₁, C₄, bezeichnet als ∆Q_k,j als Ladungsänderung an Kondensator C_k während des Zustands j +∆Q_1,1 = –∆Q_4,1 = t₁·0.4·I -_OUT während die Ladungsänderung an den Innenkondensatoren C₂, C₃ während Zustand 1 –∆Q_2,1 = +∆Q_3,1 = t₁·0.2·I -_OUT befriedigt.
Es ist anzumerken, dass die Innenkondensatoren C₂, C₃ in Reihe verbunden sind, während die Außenkondensatoren C₁, C₄ die einzigen Elemente auf ihren jeweiligen Pfaden sind, wodurch bewirkt wird, dass der Strom entsprechend durch die Anzahl an Serienkondensatoren geteilt wird.
Während Zustand 2 trägt jeder Kondensator einen Strom von 0,5·I_OUT. Die Innenkondensatoren C₂, C₃ sind stets in einer Reihenverbindung mit einem anderen Kondensator in jedem Zustand, während die Außenkondensatoren C₁, C₄ eine ähnliche Reihenverbindung nur während Zustand 2 aufweisen. Die Stromflusspolarität durch jeden Kondensator ändert sich hin und zurück von einem Zustand in den nächsten Zustand wie erforderlich, um den Kondensator zu laden und entladen und eine konstante durchschnittliche Spannung über den Kondensator aufrechtzuhalten.
Würde die Ladungspumpe 110 bei einem Arbeitszyklus von 50 % mit t₁ = t₂ = 0,5·T_SW gesteuert, wobei T_SW die Gesamtdauer des Schaltzyklus ist, ist die Nettoladung über jeden Zyklus von zwei Zuständen an jedem Kondensator C_k, ∆Q_k = ∆Q_k,1 + ∆Q_k,2 nicht Null. Eine Konsequenz davon ist, dass die Nettoladung und durchschnittliche Spannung an den Kondensatoren über sukzessive Zyklen abdriften kann und/oder eine beträchtliche Umverteilung der Ladung an jedem Zustandsübergang bewirken kann, wobei nichts davon wünschenswert ist.
Eine alternative Steuerung der Ladungspumpe 110 mit drei Zuständen, die in 1 gezeigt wird, verwendet die als „1a“, „1b“ und „2“ markierten Zustände. Die Konfiguration der Schalter in diesen Zuständen wird in tabellarischer Form wie folgt gezeigt:

Schalter

Zustand S₁ S₂ S₃ S₄ S₅ S₆ S₇ S₈ S₉

Zustand 1a 1 0 0 0 1 0 1 1 0

Zustand 1b 0 0 1 0 0 0 1 1 0

Zustand 2 0 1 0 1 0 1 0 0 1
Die äquivalenten Schaltungen in jedem dieser Zustände werden jeweils in den 3A–3C gezeigt. Es ist anzumerken, dass in Zustand 1a ein Strom von 0,5·I_OUT jeden der Kondensatoren C₁, C₄ (mit gegenüberliegenden Spannungspolaritäten) durchläuft, in Zustand 1b ein Strom von 1,0·I_OUT die Kondensatoren C₂, C₃ durchläuft und in Zustand 2 ein Strom von 0,5·I_OUT alle vier Kondensatoren durchläuft. Eine geeignete Auswahl der Zustandsdauern t_1a, t_1b, t₂ zum Ausgleichen der Gesamtänderung der Ladung in jedem Zyklus muss den Satz an Gleichungen befriedigen:
wobei der Satz an Gleichungen erfüllt wird mit t_1a = 0.4·T_SW t_1b = 0.2·T_SW t₂ = 0.4·T_SW
Unter der Annahme der obigen Zustandsdauern stellt 3D die Spannungen V₁–V₄ über die Kondensatoren C₁–C₄ in den 3A–3C dar, wenn die Ladungspumpe 110 eine Eingangsspannung V_IN gleich 25,0 Volt aufweist. Dies ergibt eine Ausgangsspannung V_OUT mit durchschnittlicher Spannung von ungefähr 5,0 Volt wie in 3D gezeigt.
Ein anderer Ansatz mit drei Zuständen zum Steuern der Ladungspumpe 110 aus 1 verwendet eine andere Sequenz an Zuständen mit Schalterkonfigurationen und entsprechenden äquivalenten Schaltungen, die jeweils in den 4A–4C gezeigt werden. Die Konfiguration der Schalter in den drei Zuständen wird in tabellarischer Form gezeigt als:

Schalter

Zustand S₁ S₂ S₃ S₄ S₅ S₆ S₇ S₈ S₉

Zustand 1a 1 0 1 0 1 0 1 1 0

Zustand 1b 0 0 1 0 0 0 1 1 0

Zustand 2 0 1 0 1 0 1 0 0 1
Eine Analyse wie oben dargelegt, die auf diese Definition der Zustände angewandt wird, ergibt Zustandsdauern, die die folgenden Ladungsausgleichsgleichungen erfüllen: t_1a = 0.5·T_SW t_1b = 0.1·T_SW t₂ = 0.4·T_SW
Unter der Annahme der obigen Zustandsdauern stellt 4D die Spannungen V₁–V₄ über die Kondensatoren C₁–C₄ in den 4A–4C dar, wenn die Ladungspumpe 110 eine Eingangsspannung V_IN gleich 25,0 Volt aufweist. Dies ergibt eine Ausgangsspannung V_OUT mit durchschnittlicher Spannung von ungefähr 5,0 Volt wie in 4D gezeigt. Es ist zu beachten, wie sich die Form der Wellenformen in 4D von denjenigen in 3D unterscheidet.
Eine Betrachtung der Summe der RMS-Ströme (quadratischer Mittelwert, root mean squared) durch die Kondensatoren zeigt, dass diese Zustandsdefinitionen einen geringeren Wert erzielen als denjenigen der zuvor beschriebenen Konfiguration mit drei Zuständen (3A–3C). In einer nicht idealen Ausführungsform der Ladungspumpe 110, in der Widerstände, darunter Widerstände in Reihe mit den Kondensatoren, einen Leistungsverlust bewirken, wird ein geringerer RMS-Strom mit geringerem Leistungsverlust assoziiert. Daher können diese Zustandskonfigurationen bevorzugt sein.
Es ist anzumerken, dass verschiedene Sequenzen an Zuständen immer noch zu Ladungsgleichgewicht über den sich wiederholenden Zyklus führen können. Zum Beispiel kann die Zustandssequenz 1a-1b-2-1a-1b-2... unter Verwendung der gleichen Zustandsdauern wie oben ermittelt durch die Sequenz 1b-1a-2-1b-1a-2... ersetzt werden.

Andere Zustandsdefinitionen und Zeiteinteilung (Timing) folgen ebenfalls dem vorstehend dargelegten Ansatz. Zum Beispiel werden zwei zusätzliche Ansätze für den Fall M = 5 nachfolgend in tabellarischer Form gezeigt:

	Schalter
Zustand	S₁	S₂	S₃	S₄	S₅	S₆	S₇	S₈	S₉	Dauer
Zustand 1a	0	0	1	0	1	0	1	1	0	0.3·T_SW
Zustand 1b	1	0	1	0	0	0	1	1	0	0.3·T_SW
Zustand 2	0	1	0	1	0	1	0	0	1	0.4·T_SW

und

	Schalter
Zustand	S₁	S₂	S₃	S₄	S₅	S₆	S₇	S₈	S₉	Dauer
Zustand 1a	1	0	0	0	0	0	1	X	0	0.2·T_SW
Zustand 1b	0	0	0	0	1	0	X	1	0	0.2·T_SW
Zustand 1c	0	0	1	0	0	0	1	1	0	0.2·T_SW
Zustand 2	0	1	0	1	0	1	0	0	1	0.4·T_SW

wobei X angibt, dass der Schalter entweder offen oder geschlossen sein kann.

Der oben dargelegte mehrstufige Ansatz für die Schaltung M = 5 aus 1 kann direkt auf andere ungerade Werte von M ausgeweitet werden. Allgemein ist in Zustand 1a der Kondensator C₁ parallel zum Kondensator C_M-1, und wenn M ≥ 5 parallel in Reihenverbindungen von C₂ und C₃, durch C_M-3 und C_M-2. Zustand 1b weist die parallele Verbindung der Reihen C₂ und C₃, durch C_M-3 und C_M-2 auf, und Zustand 2 weist die parallele Verbindung der Reihen C₁ und C₂ durch C_M-2 und C_M-1 auf. Eine geschlossene Form der Zustandsdauern für das allgemeine ungerade M kann dann dargestellt werden als t_1a = (M + 5)/(4M)·T_SW t_1b = (M – 3)/(4M)·T_SW t₂ = (M – 1)/(2M)·T_SW

Ein ähnlicher Ansatz kann für Situationen angewandt werden, in denen M gerade ist. Bezugnehmend auf 5, wird eine Ladungspumpe 110 6:1 (M = 6) des Typs eines Kaskadenmultiplikators gezeigt, die zehn Schalter, die als S₁ bis S₁₀ markiert sind und fünf Kondensatoren, die als C₁ bis C₅ markiert sind, beinhaltet. Die Konfigurationen für die Schalter in jedem der vier Zustände: 1a, 1b, 2a und 2b werden in der nachfolgenden Tabelle gezeigt. Die äquivalenten Schaltungen in jedem dieser Zustände werden jeweils in den 6A–6D gezeigt.

	Schalter
Zustand	S₁	S₂	S₃	S₄	S₅	S₆	S₇	S₈	S₉	S₁₀
Zustand 1a	1	0	1	0	1	0	0	1	1	0
Zustand 1b	0	0	1	0	1	0	0	1	1	0
Zustand 2a	0	1	0	1	0	1	1	0	0	1
Zustand 2b	0	1	0	1	0	0	1	0	0	1

Unter Anwendung der oben beschriebenen Art der Analyse ergeben die Zustandsdauern zum Erreichen eines Ausgleichs des Ladungstransfers durch den Zyklus an Zuständen: t_1a = 1/3·T_SW t_1b = 1/6·T_SW t_2a = 1/3·T_SW t_2b = 1/6·T_SW
Da M ein ungerader Fall ist, ergibt eine allgemeine Lösung für ein willkürliches M, das gerade ist, die Lösung: t_1a = (M – 2)/(2M)·T_SW t_1b = 1/M ·T_SW t_2a = (M – 2)/(2M)·T_SW t_2b = 1/M ·T_SW

Der vorstehend beschriebene Ansatz gilt auch für Multiphasenladungspumpen. Zum Beispiel zeigt 7 eine Zweiphasenladungspumpe 110 des Typs eines Kaskadenmultiplikators mit M = 5, die vierzehn Schalter, die als S_1a bis S_7b markiert sind und acht Kondensatoren, die als C_1a bis C_4b markiert sind, beinhaltet. Die Konfigurationen für die Schalter in einem möglichen Ansatz mit vier Zuständen (wobei die Zustände als 1a, 1b, 2a, 2b markiert sind) werden in der nachfolgenden Tabelle gezeigt:

	Schalter
Zustand	S_1a	S_1b	S_2a	S_2b	S_3a	S_3b	S_4a	S_4b	S_5a	S_5b	S_6a	S_6b	S_7a	S_7b
Zustand 1a	1	0	0	1	0	1	0	1	0	0	0	1	1	0
Zustand 1b	0	0	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	1	0
Zustand 2a	0	1	1	0	1	0	1	0	0	0	1	0	0	1
Zustand 2b	0	0	1	0	1	0	1	0	1	0	1	0	0	1

Die 8A–8B zeigen die äquivalenten Schaltungen jeweils für die Zustände 1a und 1b. Die Schaltungen für die Zustände 2a und 2b sind äquivalent (d. h. Austausch der Elemente „a“ und „b“ der Schaltung). Die Anwendung der Ladungsausgleichsbeschränkungen für diese Schaltung ergibt die Zustandsdauern 0,25·T_SW für jeden der vier Zustände wie nachfolgend gezeigt: t_1a = 1_2a = 0.25·T_SW t_1b = t_2b = 0.25·T_SW
Es ist anzumerken, dass in diesem Beispiel der Eingangsstrom vom Terminal V_IN während der Zustände 1b und 2b Null ist, während er während der Zustände 1a und 2a bei einem Strom von 0,4·I_OUT nicht Null ist, was einen durchschnittlichen Eingangsstrom von 0.2·I -_OUT = I -_OUT/M wie erwartet ergibt.
Bezugnehmend auf 7, eine parallele Anordnung von zwei Abschnitten wie in 1 gezeigt; wobei die Zeiteinteilung jedes Abschnitts 90° außerhalb der Phase ist, sodass ein Abschnitt die Schalterkonfiguration des Zustands 1a aufweist, während der andere Abschnitt die Schalterkonfiguration des Zustands 1b aufweist und so weiter. Es ist anzumerken, dass bei dieser parallelen Anordnung der durchschnittliche Eingangsstrom in jedem Arbeitszyklus 0.2·I -_OUT = I -_OUT/M beträgt.

Die vorstehend beschriebenen Ansätze gelten für ein breites Spektrum an Ladungspumpentopologien. Als weiteres Beispiel zeigt 9 eine zweiphasige Reihenparallelladungspumpe 110 mit M = 3, die vierzehn Schalter, die als S_1a bis S_7b markiert sind und vier Kondensatoren, die als C_1a bis C_2b markiert sind, beinhaltet. Die Konfiguration der Schalter in den vier Zuständen wird in tabellarischer Form gezeigt als:

	Schalter
Zustand	S_1a	S_1b	S_2a	S_2b	S_3a	S_3b	S_4a	S_4b	S_5a	S_5b	S_6a	S_6b	S_7a	S_7b
Zustand 1a	1	0	1	0	1	0	0	1	0	1	0	0	0	0
Zustand 1b	1	0	1	0	1	0	0	0	0	0	0	1	0	1
Zustand 2a	0	1	0	1	0	1	1	0	1	0	0	0	0	0
Zustand 2b	0	1	0	1	0	1	0	0	0	0	1	0	1	0

Äquivalente Schaltungen für die vier Zustände werden in den 10A–10D gezeigt. Der Ladungsausgleich wird mit einer Zustandsdauer von 0,25·T_SW für jeden Zustand erreicht, was einen durchschnittlichen Eingangsstrom von V_IN in jedem Zustand und Zyklus von (1/3)·I -_OUT ergibt.
In der oben Analyse wird angenommen, dass der durchschnittliche Strom I -_OUT während aller Zustandsdauern gleich ist, daher sind die Ladungstransfers proportional zu t_j·I -_OUT. In einem alternativen Ansatz kann der durchschnittliche Ausgangsstrom so gesteuert werden, dass er für verschiedene Zustände unterschiedlich ist, sodass die Ladungstransfers in Zustand j proportional zu t_j·I -_OUT,j sind, wo sowohl die Zustandsdauer t_j als auch der durchschnittliche Strom I -_OUT,j gemäß den Einschränkungsgleichungen bestimmt werden. In einigen Beispielen können die Zustandsdauern für andere Betrachtungen weiter (vollständig oder teilweise) eingeschränkt werden, zum Beispiel, um kurze Zustandsdauern, die möglicherweise eine EMI (elektromagnetische Interferenz, electromagnetic interference) verursachen, zu verhindern. Ein Beispiel, wann eine solche variable und periodische Steuerung des Ausgangsstroms effektiv sein kann, ist, wenn eine oder mehrere LEDs (lichtemittierende Dioden) in Reihen oder parallel betrieben werden, wo die Variation des Stroms keine wesentlich wahrnehmbare Variation der Lichtausgabe bewirkt.

Der oben beschriebene Ansatz kann auf die Zweiphasenladungspumpe 110 des Typs eines Kaskadenmultiplikators mit M = 5 aus 7 angewandt werden. Ein möglicher Ansatz mit vier Zuständen (wobei die Zustände als 1a, 1b, 2a, 2b markiert sind) weist äquivalente Schaltungen wie in den 11A–11B jeweils für die Zustände 1a und 1b auf. Die Schaltungen für die Zustände 2a und 2b sind äquivalent (d. h. Austausch der Elemente „a“ und „b“ der Schaltung). Die Konfiguration der Schalter in den vier Zuständen wird in tabellarischer Form gezeigt als:

	Schalter
Zustand	S_1a	S_1b	S_2a	S_2b	S_3a	S_3b	S_4a	S_4b	S_5a	S_5b	S_6a	S_6b	S_7a	S_7b
Zustand 1a	1	0	0	0	0	0	0	0	0	0	1	0	1	0
Zustand 1b	0	0	0	1	0	1	0	1	0	0	0	1	0	1
Zustand 2a	0	1	0	0	0	0	0	0	1	0	1	0	0	1
Zustand 2b	0	0	1	0	1	0	1	0	0	0	1	0	0	1

Mit Zustandsdauern von 0,25·T_SW für jeden der vier Zustände wird es notwendig, einen Stromversatz I_SKEW auf die Ausgangslast in jedem Zustand anzuwenden, um einen Ladungsausgleich über einen Zyklus der vier Zustände zu erreichen. In diesem Beispiel erreichen ein negativer Stromversatz von 0,2·I_OUT während der Zustände 1a und 2a und ein positiver Stromversatz von 0,2·I_OUT während der Zustände 1b und 2b einen Ladungsausgleich in allen Kondensatoren über einen Zyklus, wo der durchschnittliche Ausgangsstrom über jeden Zyklus von vier Zuständen I_OUT beträgt. Anders gesagt beträgt der Ausgangslaststrom während der Zustände 1a und 2a 0,8·I_OUT und beträgt der Ausgangslaststrom während der Zustände 1b und 2b 1,2·I_OUT. Die Größe des angewandten Stromversatzes ist in allen vier Zuständen gleich, aber die Polarität des Stromversatzes ändert sich hin und zurück zwischen positiv und negativ von einem Zustand zum nächsten. Für eine Zweiphasenladungspumpe mit diesem Ansatz von vier Zuständen und Zustandsdauern von 0,25·T_SW ergibt eine allgemeine Lösung für ein willkürliches M die folgende Lösung für die Größe des angewandten Stromversatzes I_SKEW: I_SKEW = | 4 – M / M|I_OUT
Es ist anzumerken, dass sich die vorstehende Beschreibung auf die Analyse von idealisierten Schaltungen mit idealen Schaltern, idealem Strom, Spannungsquellen und widerstandsfreien Schaltungswegen konzentriert. In der Praxis werden Schalter zum Beispiel mit Transistoren eingesetzt, die im Allgemeinen einen internen Widerstand und kapazitive Eigenschaften aufweisen. Die Ausgangsstromlast kann unter Verwendung eines Induktors umgesetzt werden, sodass während des Teils des Arbeitszyklus, der als konstanter Strom modelliert wird, der Strom tatsächlich fluktuiert, während Energie von der Ladungspumpe auf den Induktor übertragen wird. Physische Kondensatoren können leicht unterschiedliche Kapazitäten aufweisen, und daher ist die ideale Analyse für den Ladungsausgleich möglicherweise nicht ganz korrekt. Trotzdem ist der oben dargelegte Ansatz auf nicht ideale Ausführungsformen des Ansatzes anwendbar, entweder exakt oder die nicht ideale Natur der Schaltung berücksichtigend zum Beispiel als Bestimmung der Zustandsdauern zum Erreichen von Ladungsausgleich in einer echten anstelle einer idealen Schaltung, zum Beispiel unter Anwendung numerischer Schaltungssimulationstechniken.
Ausführungsformen einer gemäß einem oder mehreren der oben beschriebenen Ansätze gesteuerten Ladungspumpe können eine Steuerung verwenden, die konfiguriert ist, um einer Zustandssequenz wie beschrieben zu folgen und um die Schalter entsprechend festzulegen. Bezugnehmend auf 12 beinhaltet ein Beispiel für einen Leistungswandler 100 eine Ladungspumpe 110, die an eine Steuerung 120 gekoppelt ist, die Steuerungssignale auf dem Pfad 132 bereitstellt und Sensorsignale auf dem Pfad 134 empfängt. Die Ladungspumpe 110 beinhaltet Kondensatoren 112 und Schalter 114. Ein Terminal 116 (z. B. ein Hochspannungsterminal) koppelt die Ladungspumpe 110 an eine Stromquelle 150, zum Beispiel an eine Spannungsquelle (z. B. bei 25 Volt). Ein anderes Terminal 118 koppelt die Ladungspumpe 110 an eine erste Regulatorschaltung 130, die an eine Last 140 gekoppelt ist. Eine Steuerung 120 beinhaltet einen programmierbaren Prozessor 122, der mit Konfigurationsdaten 124 (und/oder Prozessoranweisungen) konfiguriert ist, die der Steuerung 120 Funktionalität verleihen.
In einigen Beispielen steuert die Steuerung 120 auch die erste Regulatorschaltung 130, zum Beispiel, um eine gemeine zugrundeliegende Taktrate für die Ladungspumpe 110 und die erste Regulatorschaltung 130 aufrechtzuhalten (z. B. Schalten der ersten Regulatorschaltung 130 bei Mehrfachem 2×, 4×, 10×, 100× usw. der Zyklusfrequenz der Ladungspumpe 110). In einigen Ausführungsformen ist die Steuerung 120 vollständig oder teilweise in ein integriertes Gerät integriert, das zumindest einige der Schalter 114 beinhaltet (z. B. Transistoren).
Ein alternativer Leistungswandler 101 wird in 13 dargestellt, in der eine zweite Regulatorschaltung 160 zwischen der Stromquelle 150 und der Ladungspumpe 110 statt zwischen der Last 140 und der Ladungspumpe 110 wie in 12 gekoppelt ist. In einigen Beispielen steuert die Steuerung 120 die Last 140, um den Ladungsausgleich der Kondensatoren 112 in der Ladungspumpe 110 zu vereinfachen. In anderen Beispielen steuert die Steuerung 120 die zweite Regulatorschaltung 160 und in noch anderen Fällen steuert die Steuerung 120 sowohl die Last 140 als auch die zweite Regulatorschaltung 160.
Ein weiterer alternativer Leistungswandler 102 wird in 14 dargestellt. Dieses Beispiel ist eine Kombination aus den Leistungswandlern 100, 101. In dieser Ausführungsform gibt es eine erste Regulatorschaltung 130, die zwischen der Last 140 und der Ladungspumpe 110 gekoppelt ist; und eine zweite Regulatorschaltung 160, die zwischen der Stromquelle 150 und der Ladungspumpe 110 gekoppelt ist. In einigen Beispielen steuert die Steuerung 120 zumindest die erste Regulatorschaltung 130 oder die zweite Regulatorschaltung 160, um eine gemeine zugrundeliegende Taktung aufrechtzuhalten.
In anderen Beispielen ist entweder die erste Regulatorschaltung 130 oder die zweite Regulatorschaltung 160 ein Magnetfilter, wie zum Beispiel ein LC-Filter, anstelle eines Wandlers. Wenn die erste Regulatorschaltung 130 ein Magnetfilter ist, dann wird die Regulierungsfähigkeit des Leistungswandlers 102 nur durch die zweite Regulatorschaltung 160 erreicht und adiabatischer Betrieb ist teilweise dadurch möglich, dass die erste Regulatorschaltung 130 als Stromlast agiert. Wenn gleichfalls die zweite Regulatorschaltung 160 ein Magnetfilter ist, dann wird die Regulierungsfähigkeit des Leistungswandlers 102 nur durch die erste Regulatorschaltung 130 erreicht und adiabatischer Betrieb ist teilweise dadurch möglich, dass die zweite Regulatorschaltung 160 als Stromquelle agiert.
Es ist anzumerken, dass die Geräte in der Praxis nicht ideal sind, zum Beispiel die Kondensatoren 112 nicht zwingend identische Kapazitäten aufweisen, und mit Nichtnullwiderständen in Schaltpfaden und durch die Schalter 114 in der Ladungspumpe 110. In einigen Beispielen steuert die Steuerung 120 die Schalter 114 gemäß der idealisierten Analyse. In anderen Beispielen wird die Auswirkung nicht idealisierter Eigenschaften beim Bestimmen der Zustandsdauern berücksichtigt, zum Beispiel durch explizite Schaltkreisanalyse (z. B. Simulation) oder adaptiv durch Anpassen der relativen Zustandsdauern zum Erreichen eines Ladungsausgleichs während Zustandszyklen basierend auf den Sensorsignalen auf Weg 134. In einigen Beispielen ist die Steuerung 120 softwarekonfigurierbar, ermöglicht zum Beispiel, dass eine spezifische Zustandszeiteinteilung konfiguriert wird, nachdem das Gerät hergestellt wurde. In einigen Beispielen ist die Steuerung 120 vollständig oder zumindest teilweise in anwendungsspezifischer Logik umgesetzt, die mit den anderen Schaltkreiskomponenten des Geräts spezifiziert ist.
Die Ladungspumpe 110 kann unter Verwendung vieler verschiedener Ladungspumpentopologien ausgeführt werden, wie zum Beispiel Ladder, Dickson, reihenparallel, Fibonacci und Doubler. Ebenso beinhalten geeignete Wandler für die Regulatorschaltungen 130, 160 Buck-Wandler, Boost-Wandler, Buck-Boost-Wandler, nicht invertierende Buck-Boost-Wandler, Cuk-Wandler, SEPIC-Wandler, resonante Wandler, Multi-Level-Wandler, Flyback-Wandler, Forward-Wandler und Full-Bridge-Wandler.
Es ist anzumerken, dass die vorstehende Beschreibung den Umfang der Erfindung, der durch den Umfang der angehängten Ansprüche definiert ist, darstellen und nicht einschränken soll. Andere Ausführungsformen sind im Umfang der nachfolgenden Ansprüche inbegriffen.

Claims

Vorrichtung zum Koppeln an Kondensatoren, um eine Ladungspumpenschaltung zu bilden, wobei die Vorrichtung Folgendes umfasst: einen ersten Satz an Schaltelementen, einen zweiten Satz an Schaltelementen und eine Steuerungsschaltung, wobei der erste Satz an Schaltelementen Schaltelemente umfasst, die konfiguriert sind, um Terminals von Kondensatorelementen zu koppeln, um einen Ladungstransfer zwischen den Kondensatoren zu ermöglichen, wobei der zweite Satz an Schaltelementen Schaltelemente umfasst, die konfiguriert sind, um Terminals von mindestens einigen der Kondensatorelemente an ein erstes Terminal zu koppeln, wobei das erste Terminal aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem Hochspannungsterminal und einem Niedrigspannungsterminal besteht, wobei die Steuerungsschaltung an die Schaltelemente gekoppelt und konfiguriert ist, um die Schaltelemente durch eine Sequenz an Zuständen zu takten, wobei jeder Zustand eine entsprechende Konfiguration der Schaltelemente definiert, wobei mindestens drei der Zustände verschiedene Konfigurationen der Schaltelemente definieren, die einen Ladungstransfer zwischen einem Paar an Elementen ermöglichen, wobei das Paar an Elementen aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem ersten Kondensator und einem zweiten Kondensator und einem ersten Kondensator und dem ersten Terminal besteht, und wobei der konfigurierte Zyklus an Zuständen eine Spannungsumwandlung zwischen dem Hochspannungsterminal und dem Niedrigspannungsterminal bereitstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend Terminals zum Koppeln von Schaltelementen an die Kondensatoren.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, weiter umfassend die Kondensatoren, wobei die Kondensatoren, wenn sie an die Schaltelemente gekoppelt sind, eine Ladungspumpenschaltung definieren.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, weiter umfassend eine integrierte Schaltung, wobei zumindest ein Teil der Ladungspumpenschaltung und zumindest ein Teil der Steuerungsschaltung in einer einzelnen integrierten Schaltung gebildet werden.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Regulatorschaltung, wobei die Regulatorschaltung an zumindest eines von dem Hochspannungsterminal und dem Niedrigspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Regulatorschaltung konfiguriert ist, um eine Stromlast am Niedrigspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Regulatorschaltung konfiguriert ist, um als Stromquelle am Niedrigspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung zu arbeiten.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Regulatorschaltung konfiguriert ist, um eine Stromlast am Hochspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung bereitzustellen.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Regulatorschaltung konfiguriert ist, um als Stromquelle am Hochspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung zu arbeiten.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Regulatorschaltung konfiguriert ist, um zu bewirken, dass ein gepulster Strom zwischen der Regulatorschaltung und der Ladungspumpenschaltung durchläuft.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Ladungspumpe in einem Pulszyklus mit einem ersten Teil und einem zweiten Teil arbeitet, wobei der gepulste Strom einen ersten konstanten Strom während des ersten Teils und einen zweiten konstanten Strom im zweiten Teil umfasst, wobei der erste konstante Strom eine größere Größe aufweist als der zweite konstante Strom.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Regulatorschaltung, wobei die Regulatorschaltung konfiguriert ist, um einen durchschnittlichen Strom zu steuern, der zwischen der Regulatorschaltung und der Ladungspumpenschaltung durchläuft.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5–12, wobei der Regulator ein Schaltmodusleistungswandler ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5–12, wobei der Regulator ein Abwärtswandler (Buck Converter) ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um jeden Zustand über eine entsprechende Dauer eines Teils einer Ladungspumpenzykluszeit aufrechtzuhalten, wobei die Dauern der Zustände ausgewählt sind, um ein ausgeglichenes Laden und Entladen von jedem der Kondensatoren durch die Sequenz an Zuständen von jedem Zyklus aufrechtzuhalten.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um Dauern der Zustände auszuwählen, um die Umverteilung von Ladung unter den Kondensatoren bei Zustandsübergängen zu reduzieren.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schaltelemente, wenn sie an die Terminals der Kondensatorelemente gekoppelt sind, die Ladungspumpenschaltung definieren.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Ladungspumpenschaltung eine Mehrphasenladungspumpe umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Ladungspumpenschaltung eine Einzelphasenladungspumpe umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Ladungspumpenschaltung einen Kaskadenmultiplikator umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um Sensorsignale von mindestens einem von dem ersten und zweiten Satz an Schaltelementen zu empfangen und um das Takten der Schaltelemente durch die Sequenz an Zuständen basierend zumindest teilweise auf den Sensorsignalen adaptiv anzupassen.
Vorrichtung nach Anspruch 1, weiter umfassend eine erste Regulatorschaltung und eine zweite Regulatorschaltung, wobei die Regulatorschaltung an das Hochspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung gekoppelt ist und wobei die zweite Regulatorschaltung an das Niedrigspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die Steuerung konfiguriert ist, um Sensorsignale von mindestens einem von dem ersten und zweiten Satz an Schaltelementen zu empfangen und um das Takten der Schaltelemente durch die Sequenz an Zuständen basierend zumindest teilweise auf den Sensorsignalen adaptiv anzupassen.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die erste Regulatorschaltung einen Magnetfilter umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei die zweite Regulatorschaltung einen Magnetfilter umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Ladungspumpenschaltung eine mehrstufige Ladungspumpe umfasst.
Verfahren zum Betreiben einer Ladungspumpe, wobei Schaltelemente aus einem ersten Satz an Schaltelementen konfiguriert sind, um Terminals von Kondensatorelementen zu koppeln, um einen Ladungstransfer zwischen den Kondensatoren zu ermöglichen, und wobei Schaltelemente aus einem zweiten Satz an Schaltelementen konfiguriert sind, um Terminals von Kondensatorelementen an ein erstes Terminal zu koppeln, ausgewählt aus der Gruppe, die aus einem Hochspannungsterminal und einem Niedrigspannungsterminal besteht, wobei das Verfahren das Bewirken einer Spannungsumwandlung zwischen dem Hochspannungsterminal und dem Niedrigspannungsterminal umfasst, wobei das Bewirken der Spannungsumwandlung das Takten der Schaltelemente durch eine Sequenz von Zuständen umfasst, wobei jeder Zustand eine entsprechende Konfiguration der Schaltelemente definiert, wobei mindestens drei der Zustände verschiedene Konfigurationen der Schaltelemente definieren, die einen Ladungstransfer zwischen einem Paar an Elementen ermöglichen, wobei das Paar an Elementen aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus einem ersten Kondensator und einem zweiten Kondensator und einem ersten Kondensator und dem ersten Terminal besteht.
Verfahren nach Anspruch 27, weiter umfassend das Aufrechterhalten eines durchschnittlichen Stroms, der zwischen einer Regulatorschaltung und der Ladungspumpenschaltung durchläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend das Regulieren eines Stroms am ersten Terminal, wodurch ein durchschnittlicher Strom aufrechterhalten wird, der zwischen einer Regulatorschaltung und der Ladungspumpenschaltung durchläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Takten der Schaltelemente durch eine Sequenz an Zuständen das Aufrechterhalten jedes Zustands über eine entsprechende Dauer eines Teils einer Ladungspumpenzykluszeit beinhaltet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Dauern der Zustände ausgewählt sind, um ein ausgeglichenes Laden und Entladen von jedem aus der Vielzahl von Kondensatoren durch die Sequenz an Zuständen von jedem Zyklus aufrechtzuhalten.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend das Steuern eines durchschnittlichen Stroms zwischen einer Regulatorschaltung und der Ladungspumpenschaltung.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend das Koppeln einer Regulatorschaltung an das erste Terminal.
Verfahren nach Anspruch 33, weiter umfassend das Bewirken, dass die Regulatorschaltung eine Stromlast am Niedrigspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 33, weiter umfassend das Bewirken, dass die Regulatorschaltung eine Stromlast am Hochspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 33, weiter umfassend das Bewirken, dass die Regulatorschaltung als Stromquelle am Niedrigspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung arbeitet.
Verfahren nach Anspruch 33, weiter umfassend das Bewirken, dass die Regulatorschaltung als Stromquelle am Hochspannungsterminal der Ladungspumpenschaltung arbeitet.
Verfahren nach den Ansprüchen 33–37, weiter umfassend das Bewirken, dass ein gepulster Strom zwischen einer Regulatorschaltung und der Ladungspumpenschaltung durchläuft.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend das Koppeln der Schaltelemente aus dem ersten und zweiten Satz an Schaltelementen an die Terminals der Kondensatorelemente.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei das Koppeln der Schaltelemente das Bilden einer Mehrphasenladungspumpe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei das Koppeln der Schaltelemente das Bilden einer Einzelphasenladungspumpe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei das Koppeln der Schaltelemente das Bilden einer mehrstufigen Ladungspumpe umfasst.
Verfahren nach Anspruch 39, wobei das Koppeln der Schaltelemente das Bilden eines Kaskadenmultiplikators umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend das Auswählen, dass der Regulator ein Schaltmodusleistungswandler ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend das Auswählen, dass der Regulator ein Abwärtswandler (Buck Converter) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend das Empfangen von Sensorsignalen von mindestens einem von dem ersten und zweiten Satz an Schaltelementen und das adaptive Anpassen des Taktens der Schaltelemente durch die Sequenz an Zuständen basierend zumindest teilweise auf den Sensorsignalen.
Verfahren nach Anspruch 27, weiter umfassend das Koppeln eines ersten Regulators an das Hochspannungsterminal und das Koppeln eines zweiten Regulators an das Niedrigspannungsterminal.
Verfahren nach Anspruch 47, weiter umfassend das Auswählen, dass der zweite Regulator ein Magnetfilter ist und das Auswählen, dass der erste Regulator ein Wandler ist.
Verfahren nach Anspruch 47, weiter umfassend das Auswählen, dass der erste Regulator ein Magnetfilter ist und das Auswählen, dass der zweite Regulator ein Wandler ist.
Verfahren nach Anspruch 47, weiter umfassend das Steuern von mindestens einem von dem ersten und zweiten Satz an Schaltelementen und das adaptive Anpassen des Taktens der Schaltelemente durch die Sequenz an Zuständen basierend zumindest teilweise auf den von mindestens einem von dem ersten und zweiten Satz an Schaltelementen empfangenen Sensorsignalen.