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Pegelumsetzer mit einem ersten Eingang, der ein erstes Signal erfasst, wobei das erste Signal einen ersten Spannungspegel aufweist, einem Ausgang, der ein zweites Signal erzeugt, wobei das zweite Signal einen zweiten Spannungspegel aufweist, wobei der zweite Spannungspegel größer als der erste Spannungspegel ist und einem Differenzverstärker, der eine Differenzspannung erfasst, wobei der Differenzverstärker mit einer Versorgungsspannung und einer hochseitige Masse verbunden ist, wobei die Versorgungsspannung ein erstes Spannungspotential und die hochseitige Masse ein zweites Spannungspotential aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Eingang mit einer ersten Teilschaltung verbunden ist, wobei die erste Teilschaltung mit einer zweiten Teilschaltung unidirektional verbunden ist, wobei die zweite Teilschaltung mit der Versorgungsspannung und der hochseitigen Masse verbunden ist, wobei die zweite Teilschaltung mindestens zwei Ausgänge aufweist, die die Differenzspannung des Differenzverstärkers erzeugen, wobei über einen Versorgungsspannungseingang und einen hochseitigen Masseeingang eine zusätzliche Spannung einkoppelt und der Differenzverstärker das zweite Signal in Abhängigkeit der Differenzspannung, der Versorgungsspannung, der hochseitigen Masse und der zusätzlichen Spannung erzeugt.
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung mit einer Bootstrap-Schaltung, die zumindest eine Hauptkapazität aufweist, von der die erste Seite mit einem ersten Zweig der Schaltungsanordnung und die zweite Seite mit einem auf veränderlichem Potential liegenden zweiten Zweig der Schaltungsanordnung verbunden ist. Die vorgeschlagene Schaltungsanordnung zeichnet sich dadurch aus, dass die Bootstrap-Schaltung parallel zur Hauptkapazität wenigstens eine weitere Kapazität aufweist, die über eine zweite Versorgungsspannung auf eine höhere Spannung aufladbar ist als die Hauptkapazität und über wenigstens ein Schaltelement zur Unterstützung der Hauptkapazität zuschaltbar ist. Bei der vorgeschlagenen Schaltungsanordnung kann in Abhängigkeit von der Dimensionierung der Bootstrap-Kapazitäten eine sehr viel kleinere Fläche mit höherem oder gleich bleibenden Spannungseinbruch oder eine nicht so starke Flächenreduzierung mit kleinerem Spannungseinbruch verglichen mit einer herkömmlichen Bootstrap-Schaltung erzielt werden.
In diesem Beitrag wird ein kapazitiver Low Power DC-DC Wandler mit 15 konfigurierbaren Übersetzungsverhältnissen, einem hohen Eingangsspannungsbereich von 5 V bis 20 V und einer konstanten Ausgangsspannung von 5 V vorgestellt. Bei einer Ausgangsleistung von 5 mW wird ein maximaler Wirkungsgrad von 81% erreicht. Die Implementierung erfolgt in einem 350 nm Hochvolt-CMOS-Prozess. Während es für niedrige Eingangsspannungen eine Vielzahl an Topologien und Konzepten gibt, wurden vollintegrierte SC-Wandler für höhere Eingangsspannungen (> 8 V) bisher nur wenig untersucht. Höhere Spannungen erfordern den Einsatz von Hochvolttransistoren und eine aufwändigere Ansteuerung. Um über einen weiteren Eingangsspannungsbereicht mit hoher Genauigkeit und hohem Wirkungsgrad zu wandeln, erweist sich die Topologie des rekursiven Switched-Capacitor Wandlers (RSC Wandler) als vorteilhaft. In der vorliegenden 4-Bit Implementierung ist der RSC Wandler aus N = 4 2:1 Serien-Parallel Wandler-Zellen aufgebaut. Durch verschiedene Anordnung der einzelnen Zellen können 2ᴺ -1 = 15 Wandlungsverhältnisse realisiert werden. Mittels Rekursion werden in jedem Wandlungsverhältnis alle Kapazitäten genutzt, wodurch die Stromfähigkeit und der Wirkungsgrad des Wandlers deutlich verbessert werden. Einheitliche 2:1 Wandler-Zellen ermöglichen einen modularen Aufbau des Layouts.
Substrate coupling is a critical failure mechanism especially in fast-switching integrated power stages controlling high-side NMOS power FETs. The parasitic coupling across the substrate in integrated power stages at rise times of up to 500 ps and input voltages of up to 40V is investigated in this paper. The coupling has been studied for the power stage of an integrated buck converter. In particular, dedicated diverting and isolation structures against substrate coupling are analyzed by simulations and evaluated with measurements from test chips in 180nm high-voltage BiCMOS. The results are compared regarding effectiveness, area as well as implementation effort and cost. Back-side metalization shows superior characteristics with nearly 100% noise suppression. Readily available p-guard ring structures bring 75% disturbance reduction. The results are applicable to advanced and future power management solutions with fully integrated switched-mode power supplies at switching frequencies >10 MHz.
Size and cost of a switched mode power supply can be reduced by increasing the switching frequency. The maximum switching frequency and the maximum conversion ratio are limited by the duty cycle of a PWM signal. In DCDC converters, a sawtooth generator is the fundamental circuit block to generate the PWM signal. The presented PWM generator is based on two parallel, fully interleaved PWM generator stages, each containing an integrator based sawtooth generator and two 3-stage highspeed comparators. A digital multiplexing of the PWM signals of each stage eliminates the dependency of the minimum on-time on the large reset times of the sawtooth ramps. A separation of the references of the PWM comparators in both stage allows to configure the PWM generator for a DCDC converter operating in fixed frequency or in constant on-time mode, which requires an operation in a wide frequency range. The PWM generator was fabricated in an 180 nm HV BiCMOS technology, as part of a DCDC converter. Measurements confirm minimum possible ontime pulses as short as 2 ns and thus allows switching frequencies of DCDC converters of >50 MHz at small duty cycle of <10%. At moderate duty cycles switching frequencies up to 100 MHz are possible.
This paper presents an integrated synchronous buck converter for input voltages >12V with 10MHz switching frequency. The converter comprises a predictive dead time control with frequency compensated sampling of the switching node which does not require body diode forward conduction. A high dead time resolution of 125 ps is achieved by a differential delay chain with 8-bit resolution. This way, the efficiency of fast switching DCDC converters can be optimized by eliminating the body diode forward conduction losses, minimizing reverse recovery losses and by achieving zero voltage switching at turn off. The converter was implemented in a 180nm high-voltage BiCMOS technology. The power losses were measured to be reduced by 30%by the proposed dead time control, which results in a 6% efficiency increase at VOUT = 5V and 0.2A load. The peak efficiency is 81 %.
Galvanic isolated gate drivers require a control signal as well as energy transmission from the control side (lowside) to the driver side (high-side). An additional backward signal transmission is preferred for error signals, status information, etc. This is often realized by means of several transformers or opto-couplers. Decreasing the number of isolation elements results in lower cost and a higher degree of miniaturization. This work presents a gate driver with bidirectional signal transmission and energy transfer via one single transformer. The key concept proposed in this paper is to combine bootstrapping to deliver the main gate charge for the driven power switch with additional energy transfer via the signal transformer. This paper also presents a very efficient combination of energy transfer to two high-side supply rails with back channel amplitude modulation. This way an isolated gate driver can be implemented that allows 100% pulse-width modulation (PWM) duty cycle at low complexity and system cost. The proposed high-side driver IC with integrated power supply, modulation and demodulation circuits was manufactured in a 180nm high-voltage BiCMOS technology. Measurements confirm the concept of bidirectional signal transmission with a 1MBit/s amplitude modulation, 10/20MHz frequency modulation and a maximum power transmission of 14mW via the transformer.
There is a growing need for motor drives with improved EMC in various automotive and industrial applications. An often referenced approach to reduce EME is to change the shape of the switching signal to reduce the EMI caused by the voltage and current transitions. This requires very precise gate control of the power MOSFET to achive better switching behaviour and lower EME without a major increase in switching losses. In order to find an optimal trade-off, this work utilizes a monolithic current mode gate driver with a variable output current that can be changed within 10ns. With this driver, measurements with different gate current profiles were taken. The di/dt transition was confirmed to be as important as the dv/dt transition in the power MOSFET. As a result of the improved switching behavior the emissions were reduced by up to 20dB between 7MHz and 60MHz with a switching loss that is 52% lower than with a constantly low gate current.
A 20 V, 8 MHz resonant DCDC converter with predictive control for 1 ns resolution soft-switching
(2015)
Fast switching power supplies allow to reduce the size and cost of external passive components. However, the capacitive switching losses of the power stage will increase and become the dominant part of the total losses. Therefore, resonant topologies are the known key to reduce the losses of the power stage. A power switch with an additional resonant circuit can be turned on under soft-switching conditions, ideally with zero-voltage-switching (ZVS). As conventional resonant converts are only efficient for a constant load, this paper presents a predictive regulation loop to approach soft-switching conditions under varying load and component tolerances. A sample and hold based detection circuit is utilized to control the turn-on of the power switch by a digital regulation. The proposed design was fabricated in a 180 nm high-voltage BiCMOS technology. The efficiency of the converter was measured to be increased by up to 16 % vs. worst case timing and by 13 % compared to a conventional hard-switching buck converter at 20 V input voltage and at approximately 8 MHz switching frequency.