-
Die
vorliegende Erfindung betrifft ein integriertes Halbleiterbauelement,
das einen Funktionsblock und eine Leistungsregeleinheit umfasst,
sowie ein Verfahren zum Regeln einer Versorgungsspannung eines Funktionsblocks
in einem integrierten Halbleiterbauelement.
-
In
einem integrierten Halbleiterbauelement sind häufig verschiedene Funktionsblöcke angefordert.
Insbesondere werden durch eine immer weiter vorausschreitende Integration
unterschiedlicher Funktionalitäten
in einem Bauelement, analoge Funktionsblöcke, wie beispielsweise eine
Sendeempfangseinheit, und digitale Funktionsblöcke, wie beispielsweise ein
digitaler Signalprozessor bzw. DSP oder ein Mikrokontroller, in
einem einzigen- integrierten Halbleiterbauelement zusammengefasst. Durch
die höhere
Integration können
verschiedene Komponenten eines Endgerätes in einem Halbleiterbauelement
zusammengeführt
werden, so dass durch die Verwendung weniger Bauelemente die Herstellungskosten
eines Endgerätes
erheblich gesenkt werden. Daher ist es wünschenswert, dass möglichst
viele Funktionsblöcke
in einem integrierten Halbleiterbauelement zusammengefasst sind.
-
Ein
wesentlicher Funktionsblock eines Endgerätes, insbesondere eines mobilen
Endgerätes,
ist eine Leistungsregeleinheit, die auch als Power-Management Unit
bzw. PMU bezeichnet ist. Die Leistungsregeleinheit stellt eine Versorgungsspannung oder
einen Versorgungsstrom eines Funktionsblockes oder einer an das
integrierte Halbleiterbauelement gekoppelten externen Einheit bereit.
Mit dem Bereitstellen der Versorgungsspannung bzw. des Versorgungsstroms
regelt die Leistungsregeleinheit die Leistungsaufnahme des Funktionsblockes
bzw. verschiedener Funktionsblöcke
oder der externen Einheit.
-
Insbesondere
in einem mobilen Endgerät, wie
beispielsweise einem Mobiltelefon, das durch eine Batterie oder
einen Akkumulator mit der nötigen Leistung
versorgt ist, dient die Leistungsregeleinheit dazu, die Versorgungsspannung
bzw. den Versorgungsstrom aus der Batterie- bzw. der Akkuspannung
abzuleiten. Dabei kann es erforderlich sein, dass die Versorgungsspannung,
die einem Funktionsblock zugeführt
ist, von der Batteriespannung verschieden ist. Ein weiterer Grund
dazu, die Versorgungsspannung aus der Batteriespannung abzuleiten,
liegt darin, dass die Batteriespannung mit einem Ladezustand der
Batterie variiert, während
die Versorgungsspannung, die einem Funktionsblock oder einer externen
Einheit bereitgestellt ist, möglichst konstant
gehalten werden soll.
-
Bei
einer Integration der Leistungsregeleinheit wird durch diese zusätzliche
Verlustwärme
in dem integrierten Halbleiterbauelement erzeugt. Die Verlustwärme ist
unter anderem davon abhängig, welche
Spannungsdifferenz zwischen der Eingangsspannung des Leistungsreglers,
also beispielsweise der Batteriespannung, und der zu regelnden Spannung,
vorliegt. Die Verlustwärme
ist zudem von einem fließenden
Strom und dem verwendeten Typ der Leistungsregeleinheit abhängig. Die
Leistungsregeleinheit kann je nach Typ einen Linearregler oder einen
Schaltregler, der auch als DC/DC-Regler bezeichnet wird, umfassen.
-
Die
Verlustwärme
führt zur
Erhöhung
der Temperatur des integrierten Halbleiterbauelements, die durch
ein Package des integrierten Halbleiterbauelements abgeführt werden
muss. Die tatsächlich
abgeführte
Verlustwärme
ist beispielsweise abhängig von
dem thermischen Widerstand des Package-Materials oder der Formgestaltung
des integrierten Halbleiterbauelements. Durch die verbleibende Verlustwärme im integrierten
Halbleiterbauelement erhöht
sich dessen Temperatur gegenüber
der Umgebungstemperatur. Die Differenz zwischen der Temperatur des
integrierten Halbleiterbauelements und der Umgebungstemperatur darf
einen bestimmten Wert nicht überschreiten.
Sie ist abhängig
von der verwendeten Technologie, in der das integrierte Halbleiterbauelement
gefertigt ist. Unter Berücksichtigung
der verschiedenen Parameter, wie beispielsweise des thermischen
Widerstandes des Package-Materials oder der Leiterplatte auf dem
sich das integrierte Halbleiterbauelement befindet, ergibt sich
eine maximale Umgebungstemperatur, in der ein Endgerät eingesetzt
werden kann. Dabei ist es wünschenswert, dass
die maximale Umgebungstemperatur möglichst hoch gewählt werden
kann.
-
Um
die Verlustleistung der Leistungsregeleinheit und damit ihren Beitrag
zu der Verlustwärme möglichst
gering zu halten und gleichzeitig den Stromverbrauch des mobilen
Endgerätes
zu optimieren, umfasst die Leistungsreglereinheit in aller Regel einen
Schaltregler. Der Schaltregler wird im Betrieb durch ein periodisches
Kontrollsignal mit einer einstellbaren Schaltfrequenz angesteuert.
-
Die
zum Betrieb des Schaltreglers verwendeten Schaltsignale erzeugen
spektrale Komponenten auf der Schaltfrequenz und den dazugehörigen Oberwellen.
Ist die Leistungsregeleinheit insbesondere mit einem analogen Funktionsblock
in einem integrierten Halbleiterbauelement integriert, so kann durch
die spektralen Komponenten eine Störung der Signalverarbeitung
auf dem analogen Funktionsblock entstehen. Dies gilt insbesondere,
wenn der analoge Funktionsblock eine Hochfrequenz-sensitive Einheit
ist, also wenn der analoge Funktionsblock beispielsweise zur Durchführen einer
Signalverarbeitung auf einer Radiofrequenz oder einer Audiosignalverarbeitung
ausgelegt ist.
-
Der
vorliegenden Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Störung in
einem Funktionsblock, insbesondere aber nicht ausschließlich in
einem analogen Funktionsblock, durch spektrale Komponenten eines
Schaltsignals eines Schaltreglers zu reduzieren.
-
Dieses
Problem löst
die vorliegende Erfindung durch ein integriertes Halbleiterbauelement,
sowie durch ein Verfahren gemäß der unabhängigen Patentansprüche 1 und
10.
-
Das
integrierte Halbleiterbauelement umfasst einen Funktionsblock und
eine Leistungsregeleinheit zum Erzeugen einer Versorgungsspannung aus
einer Eingangsspannung. Die Leistungsregeleinheit umfasst einen
Schaltregler und eine an den Schaltregler gekoppelte Steuerungseinheit
zum Einstellen eines Frequenzspektrums der Versorgungsspannung.
Die Steuerungseinheit ist derart eingerichtet, dass sie aus wenigstens
zwei möglichen
Betriebszuständen
des integrierten Halbleiterbauelements (100, 600)
einen aktuellen Betriebszustand ermittelt und das Frequenzspektrum
in Abhängigkeit des
aktuellen Betriebszustandes einstellt.
-
Im
integrierten Halbleiterbauelement wird somit das Frequenzspektrum
der Versorgungsspannung in Abhängigkeit
von einem Betriebszustand, wie bspw. einem Zustand des Funktionsblocks,
eingestellt. Die Versorgungsspannung kann dem Funktionsblock bereitgestellt
sein. Sie kann ebenso einer anderen Einheit, wie einem zweiten Funktionsblock oder
einer externen Funktionseinheit des integrierten Halbleiterbauelements
bereitgestellt sein. Die Versorgungsspannung weist ein Frequenzspektrum
auf, das durch den Betrieb des Schaltreglers entsteht. Das Frequenzspektrum
ist beispielsweise durch die Schaltzeitpunkte bestimmt, zu denen
der Schaltregler geschlossen ist. Diese Frequenzspektrum koppelt an
im Funktionsblock verarbeite Signale. Die resultierende Koppelung
verursacht Störungen
der Signalverarbeitung im Funktionsblock oder in der externen Einheit,
wenn das Frequenzspektrum wenigstens ein Maximum in der Nähe von charakteristischen
Frequenzen der Signalverarbeitung aufweist. Die charakteristischen
Frequenzen der Signalverarbeitung sind unter Umständen abhängig von
einem ausgewählten
Funktionszustand des Funktionsblocks und können sich entsprechend ändern.
-
Es
ist ein Aspekt der Erfindung, dass das Frequenzspektrum in Abhängigkeit
eines ausgewählten
Betriebszustandes einstellbar ist. Damit kann erreicht werden, dass
die Kopplung des Frequenzspektrums in Abhängigkeit der dem Betriebszustand
eigenen charakteristischen Frequenzen gewählt ist. Beispielsweise kann
das Frequenzspektrum verschoben werden, um eine möglichst
geringe Kopplung an die zu verarbeitenden Signale in einem Betriebszustand zu
erzielen. Es ist ebenso möglich,
dass in einem besonders störungssensitiven
Betriebszustand ein Frequenzspektrum mit möglichst geringer Kopplung gewählt ist,
während
in einem nicht derart störungssensitiven,
zweiten Betriebszustand ein Frequenzspektrum eingestellt ist, dass
stärker
an die zu verarbeitenden Signale koppelt. Derart ist vorteilhafterweise
ein sehr flexibler Betrieb des integrierten Halbleiterbauelements
möglich,
der je nach Anforderung auf verschiedene Randbedingungen, wie begrenzte
Leistungsversorgung oder ein geringes Störspektrum, Rücksicht
nimmt.
-
Das
Verfahren zum Regeln einer Versorgungsspannung eines Funktionsblocks
in einem integrierten Halbleiterbauelement umfasst die Schritte:
- – Ermitteln
eines aktuellen Betriebszustandes des integrierten Halbleiterbauelements;
und
- – Einstellen
eines Schaltspektrums eines Schaltsignals für einen in einer Leistungsregeleinheit angeordneten
Schaltregler in Abhängigkeit
des aktuellen Betriebszustands.
-
Auch
das Verfahren zeigt die oben genannten Vorteile des integrierten
Halbleiterbauelements.
-
Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der vorliegenden
Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen.
-
In
einer Weiterbildung des integrierten Halbleiterbauelements weist
die Leistungsregeleinheit einen Linearregler auf, der parallel zu
dem Schaltregler geschaltet ist.
-
Eine
Parallelschaltung von Linearregler und Schaltregler erlaubt es auf
einfache Weise, dass Frequenzspektrum der Versorgungsspannung einzustellen.
Bei Betrieb des Schaltreglers entsteht durch den Schaltvorgang ein
vorgegebenes, erstes Frequenzspektrum. Bei einem Betrieb des Linearreglers
ist lediglich ein Gleichspannungsanteil (DC-Anteil) vorhanden. In diesem Fall ist
ein zweites Frequenzspektrum eingestellt, dass im wesentlichen nur
ein Signal bei eine Frequenz f = 0 aufweist. Derart kann auf eine einfache
Art und Weise durch ein Umschalten zwischen einem Betrieb mit einem
Linearregler und ein einem Betrieb mit einem Schaltregler das Frequenzspektrum
eingestellt werden. Ein solches Umschalten kann auch automatisch
durch eine geeignete Wahl der Spannung an Schaltregler und der Spannung
am Linearregler erfolgen.
-
In
einer Ausgestaltung des integrierten Halbleiterbauelements ist der
Linearregler an den Funktionsblock koppelbar. Dadurch ist es möglich eine
Versorgungsspannung des Funktionsblocks mittels des Linearreglers
bereitzustellen.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung des integrierten Halbleiterbauelements
stellt die Leistungsregeleinheit eine Versorgungsspannung des Funktionsblocks
bereit. Damit wird die Versorgungsspannung des Funktionsblocks durch
die Leistungsregeleinheit bereitgestellt, die in vorteilhafter Weise
die Versorgungsspannung des Funktionsblocks möglichst gering an die Signalverarbeitung
im Funktionsblock koppelt.
-
In
einer Ausgestaltung des integrierten Halbleiterbauelements stellt
die Leistungsregeleinheit eine Versorgungsspannung einer externen
Einheit bereit. Somit kann auch eine Störung auf die Signalverarbeitung
des Funktionsblocks, die durch eine Versorgungsspannung einer externen
Einheit erzeugt werden, möglichst
gering gehalten werden. Eine mögliche
externe Einheit ist beispielsweise ein Leistungsverstärker, ein
weiteres integriertes Halbleiterbauelement, eine Leuchtdiode, ein
Display, etc.
-
In
einer Weiterbildung des integrierten Halbleiterbauelements umfasst
der Funktionsblock eine Sendeempfangseinrichtung und ist damit als
Hochfrequenz-sensible Einrichtung besonders anfällig für Störungen durch andere hochfrequente
Signale, wie etwas dem Schaltsignal des Schaltreglers.
-
In
einer Ausgestaltung des integrierten Halbleiterbauelements ist ein
erster Betriebszustand ein Sendezustand der Sendeempfangseinrichtung
und ein zweiter Betriebszustand ein Empfangszustand der Sendeempfangseinrichtung.
-
In
einer Ausgestaltung des integrierten Halbleiterbauelements ist der
Schaltregler mit einer ersten Schaltfrequenz oder mit einer zweiten
Schaltfrequenz betreibbar.
-
In
einer Weiterbildung des integrierten Halbleiterbauelements sind
die erste Schaltfrequenz und dazugehörige harmonische Schaltfrequenzen
von einer internen Referenzfrequenz des Funktionsblocks verschieden.
Damit wird eine besonders geringe Kopplung des Schaltsignals an
das Referenzsignal erzielt.
-
In
einer Ausgestaltung des integrierten Halbleiterbauelements ist die
interne Referenzfrequenz ein Oszillatorsignal eines lokalen Oszillators
des Funktionsblocks.
-
In
einer Ausgestaltung des integrierten Halbleiterbauelements ist die
interne Referenzfrequenz eine Taktfrequenz des Funktionsblocks.
-
In
einer Ausgestaltung des Verfahrens ist eine Schaltfrequenz des Schaltsignals
verschieden von einer Empfangsfrequenz der integrierten Halbleiterschaltung,
so dass die Schaltfrequenz nicht an Empfangsignale koppelt und diese
stört.
In einer Weiterbildung des Verfahrens liegen alle harmonischen Oberwellen
des Schaltsignals außerhalb
eines Empfangsspektrums der integrierten Halbleiterschaltung, wodurch
eine möglichst
geringe Kopplung des Schaltsignals an das Empfangsspektrum erzielt
ist.
-
Die
Erfindung und weitere ihrer Vorteile wird nachfolgend an mehreren
Ausführungsbeispielen
anhand der Zeichnung näher
erläutert.
Dabei zeigen
-
1 eine
schematische Darstellung eines integrierten Halbleiterbauelements
gemäß einem Ausführungsbeispiel;
-
2 eine
schematische Darstellung eines Schaltspektrums des Schaltreglers;
-
3 eine
schematische Darstellung eines Schaltreglers;
-
4 eine
schematische Darstellung eines Leistungsreglers;
-
5 eine
schematische Darstellung eines integrierten Halbleiterbauelements
gemäß einem Ausführungsbeispiel
und
-
6a bis 6c eine
schematische Darstellung von Steuersignalen bei Betrieb des in 5 dargestellten
integrierten Halbleiterbauelements.
-
1 zeigt
eine schematische Darstellung eines integrierten Halbleiterbauelements 100 gemäß einem
Ausführungsbeispiel.
Das Halbleiterbauelement 100 weist einen Funktionsblock 101 auf,
der über
eine Leitung an eine Leistungsregeleinheit 102 gekoppelt
ist. Der Funktionsblock 101 ist über eine Kontrollleitung an
eine Steuerungseinheit 103 gekoppelt. Die Leistungsregeleinheit 102 ist über eine
Anschlussleitung an eine außerhalb
des integrierten Halbleiterbauelements 100 angeordneten
Batterieeinheit 104 gekoppelt. Weiterhin ist die Leistungsregeleinheit 102 ist über eine
Versorgungsleitung an eine externe Einheit 105 gekoppelt.
Die Steuereinheit 103 ist über eine Steuerleitung an die
Leistungsregeleinheit 102 gekoppelt.
-
Die
Batterieeinheit 104, die beispielsweise als Akkumulator
ausgestaltet ist, stellt eine externe Versorgungsspannung bereit,
mit der das integrierte Halbleiterbauelement 100 betrieben
wird. Die externe Versorgungsspannung wird über die Anschlussleitung der
Leistungsregeleinheit 102 zugeführt. Die Leistungsregeleinheit 102 umfasst
wenigstens einen nicht in der 1 dargestellten
Schaltregler. Mit Hilfe des Schaltreglers wandelt die Leistungsregeleinheit 102 die
externe Versorgungsspannung in eine erste Versorgungsspannung, die
sie über
die Leitung an dem Funktionsblock 101 bereitstellt. Weiterhin
stellt die Leistungsregeleinheit 102 eine zweite Versorgungsspannung
an die externe Einheit 105 bereit.
-
Die
erste Versorgungsspannung und die zweite Versorgungsspannung können unterschiedliche
Werte einnehmen und dazu getrennt voneinander in der Leistungsregelungseinheit
ermittelt werden. Der Funktionsblock 101 kann eine Sende-Empfangseinheit
sein, die in dem integrieren Halbleiterbauelement 100 vorgesehen
ist. Sie kann ebenso eine andere analoge oder digitale Signalverarbeitungseinheit
sein. Die externe Einheit 105 kann beispielsweise ein externer
Signalverstärker,
ein akustischer oder optischer Wandler bzw. ein Mikrophon, Lautsprecher
oder eine Leuchtdiode sein. Es sind ebenso andere Vorrichtungen
als externe Einheit 105 denkbar, die mit der zweiten Versorgungsspannung versorgt
sind.
-
Die
Steuereinheit 103 stellt die Schaltfrequenz des in der
Leistungsregeleinheit 102 vorgesehenen Schaltreglers ein.
Die Einstellung geschieht in Abhängigkeit
eines aktuellen Betriebszustands des Funktionsblocks 101.
Der aktuelle Funktionszustand wird der Steuereinheit 103 durch
ein von der Funktionseinheit 101 über die Kontrollleitung übermitteltes Kontrollsignal
angezeigt. Auf Grundlage des übermittelten
Kontrollsignals wählt
die Steuereinheit 103 eine Schaltfrequenz für den Schaltregler
aus. Mit dieser Schaltfrequenz sind deren Oberwellen bzw. höheren Harmonischen
verbunden, so dass damit ein Frequenzspektrum des Schaltreglers
eingestellt ist. Ebenso ist es denkbar, dass der Schaltregler nur
in einem ersten Funktionszustand des Funktionsblocks mit einer vorgegebenen
Frequenz geschaltet wird, während
in einem anderen Funktionszustand der Schaltregler gar nicht geschaltet
ist.
-
Am
Beispiel einer Sende-Empfangseinheit als Funktionsblock 101 soll
die Funktionsweise des integrierten Halbleiterbauelements im Folgenden
näher erläutert werden.
Dazu zeigt 2 eine schematische Darstellung 200 eines
Schaltspektrums des Schaltreglers.
-
Auf
der Abszisse 201 ist ein Frequenzbereich dargestellt. Angegeben
ist eine Schaltfrequenz 202, deren höheren Harmonische 203,
d.h. alle ganzzahligen Vielfachen der Schaltfrequenz 202,
eine Sendefrequenz 204 und eine Oszillatorfrequenz 205.
-
Eine
Sende-Empfangseinheit umfasst einen Frequenzgenerator, der eine
Sende- und/oder Empfangsfrequenz zum Modulieren bzw. Demodulieren der
Nutzdaten bereitstellt. Der Frequenzgenerator weist dazu einen Oszillator
auf, der beispielsweise als spannungsgesteuerter Oszillator bzw. „voltage controlled
oscillator" oder
VCO, ausgeführt
ist. Dem Oszillator ist die Oszillatorfrequenz 205 zueigen.
-
Die
Schaltfrequenz 202 des Schaltreglers wird in Abhängigkeit
der verwendeten Hochfrequenz, d. h. der Sendefrequenz 204 oder
einer Empfangsfrequenz, in der Zeichnung nicht dargestellt, gewählt. Die
Wahl geschieht derart, dass höhere
Harmonische 203 der Schaltfrequenz 202 genau auf
die Radiofrequenzkanalmitte eines Übertragungs-Kanals fällt. Im
Fall eines Empfangs-Kanals kann ebenfalls eine geeignete Wahl für die Frequenzlage
der höheren
Harmonischen 203 erfolgen. Diese können in Abhängigkeit von verwendeten Empfangskonzepten, wie
beispielsweise dem so genannten Direct-Conversion oder LOW-IF Prinzip,
etc, gewählt
werden. In vorteilhafter Weise werden die Oberwellen, d. h. die höheren Harmonischen 203,
derart gewählt,
dass diese in die Nachbarkanäle
des Empfangsbereichs fallen, wogegen in dem Nutzkanal keine Oberwellen liegen.
Im Fall des Sendebetriebs der Sendeempfangseinheit können die
höheren
Harmonischen 203 der Schaltfrequenz 202 so gewählt werden,
dass eine der höheren
Harmonischen 202 genau auf die Sendefrequenz 204 fällt, wie
in der Zeichnung dargestellt. Dabei wird jedoch darauf geachtet,
dass die höheren
Harmonischen 203 nicht auf dieselbe Frequenz wie die Oszillatorfrequenz 205 fallen.
Somit wird eine Störung
der Sendeempfangsvorrichtung minimiert. In anderen Worten ist in
dem benannten Beispiel die Trägerfrequenz
für den Übertragungs-
d. h. Sendefall ein ganzzahliges Vielfaches der Schaltfrequenz 202,
während
im Empfangsfall die höheren Harmonischen
oder alle ganzzahligen Vielfachen der Schaltfrequenz nicht auf die
Empfangsfrequenz als Trägerfrequenz
fallen.
-
Alternativ
zu der hochfrequenzkanalabhängigen
Schaltfrequenz 202 kann die Schaltfrequenz 202 auch
derart moduliert werden, dass beispielsweise ein sogenanntes „dither" entsteht. Damit
kann anstelle des Kamm-Spektrums eine frequenzabhängige, kontinuierliche
Funktion für
die höheren
Harmonischen 203 realisiert werden. Auch dann kann die
Modulation bzw. die Modulationsfunktion wieder abhängig von
der Kanalfrequenz und den Sende -und Empfangsfrequenzen so gewählt werden,
dass die Störungen
mit der Schaltfrequenz minimiert sind.
-
3 zeigt
eine schematische Darstellung eines Schaltreglers. Der Schaltregler
weist einen Eingang 300 auf, an dem eine Eingangsspannung
bereitgestellt werden kann. Der Eingang 300 ist mit einem
Schaltelement 302 verbunden. Das Schaltelement 302 hat
einen Steuereingang 301 mit. An dem Steuereingang 301 kann
ein Steuersignal bereitgestellt werden, mit dem das Schaltelement
in einem Geschlossenen-Zustand
oder einem Geöffneten-Zustand
geschaltet wird. Ein Ausgang des Schaltelements 302 ist
mit einer Induktivität 304 verbunden. Die
Induktivität 304 ist
mit einem Ausgang 306 des Schaltreglers verbunden. Weiterhin
ist ein Ausgang des Schaltelements 302 mit einem Ausgang
einer Diode 303 verbunden. Ein Eingang der Diode 303 ist über einen
Kondensator 305 an den Ausgang 306 geschaltet.
Der Ausgang der Diode 303 ist weiterhin mit einem Referenzpotentialanschluss,
in der Zeichnung dargestellt als Masseanschluss, verbunden. An den
Ausgang 306 kann eine Last 307 geschaltet sein, für die der
Schaltregler eine Versorgungsspannung bereitstellt. Die Versorgungsspannung
wird aus der am Eingang 300 bereitgestellten Eingangsspannung erzeugt.
-
Der
Schaltregler ist eine elektronische Schaltung zur Spannungswandlung.
Zur Speicherung der Energie wird die Induktivität 304 verwendet. Die
Speicherung der Energie ist notwendig, um bei der Umschaltung des
Schaltelements 302 die Ausgangsspannung am Ausgang 306 möglichst
konstant zu halten. Als weiterer Energiespeicher dient dabei die Kapazität 305.
Die Regelung der Einstellung des Schaltelements 302 kann
dabei nach unterschiedlichen Verfahren entsprechend der Anwendungsweise des
Schaltreglers gewählt
sein. Möglich
sind beispielsweise der sogenannte „voltage mode", bei dem das Schaltelement 302 derart
geschaltet ist, dass eine Rückkoppelschleife
die Ausgangs- und Eingangsspannung berücksichtgt. Ebenfalls denkbar
ist ein Betrieb im sogenannten „current mode", bei dem die Rückkopplungsschleife
zusätzlich
zu Ausgangs- und Eingangsspannung durch den Strom am Ausgang 306 des
Schaltreglers den Schaltregler regel.
-
4 zeigt
eine schematische Darstellung eines Leistungsreglers, wie sie beispielsweise
in der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommt. Der Leistungsregler
in 4 unterscheidet sich von dem Schaltregler in 3 durch
einige Elemente, wobei gleich wirkende Elemente durch gleiche Bezugszeichen
bezeichnet sind. Wie der Schaltregler in 3 zeigt
der Leistungsregler der 4 einen Eingang 300,
der über
ein Schaltelement 302 und eine Induktivität 304 an
einen Ausgang des Leistungsreglers 306 gekoppelt ist. Parallel
zu der Induktivität 304 ist eine
Rückführschleife
gebildet, die über
eine ausgangsseitig angeordnete Kapazität 305 und eine Diode 303 zum
eingangsseitigen Anschluss der Induktivität 304 führt. Das
Schaltelement 302 ist mit einem Steuereingang 301 verbunden,
wobei an dem Steuereingang 301 ein Steuersignal zugeführt ist,
mit Hilfe dessen der Leistungsregler betrieben ist. Am Ausgang 306 des
Leistungsreglers kann eine Last 307 geschaltet sein, der
eine konstante Spannung oder ein konstanter Ausgangsstrom bereitgestellt
werden wird. Der in 4 dargestellte Leistungsregler
unterscheidet sich von dem Schaltregler in der 3 durch
einen Linearregler 401, der parallel zu dem Schaltelement 302 und
der Induktivität 304 geschaltet
ist. In der 4 ist der Linearregler 401 als MOS-Transistor
dargestellt, dessen Source Drain Strecke parallel zu dem Schaltregler
der 3 geschaltet ist. Der Gateanschluss des Linearreglers 401 ist
an einen zweiten Steuereingang 402 gekoppelt. Über den
zweiten Steuereingang 402, dem ein zweites Steuersignal
zugeführt
ist, kann der Linearregler 401 betrieben werden. Der Leistungsregler
ist damit in der Lage, sowohl. als Linearregler als auch als Schaltregler
betrieben zu sein. Dies wird im Folgenden auch an dem Ausführungsbeispiel
der 5 dargestellt.
-
Die 5 zeigt
eine schematische Darstellung eines integrierten Halbleiterbauelements
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung. Das integrierte Halbleiterbauelement 500 weist einen
Funktionsblock 501 auf, der über einen Schaltregler 502 an
eine externe Leistungsversorgungseinheit 504 gekoppelt
ist. Die externe Leistungsversorgungseinheit 504 kann beispielsweise
eine Batterie oder ein Akkumulator sein. Parallel zu dem Schaltregler 502 ist
ein Linearregler 503 geschaltet. Der Linearregler 503 ist über eine
Steuerleitung mit dem Funktionsblock 501 verbunden.
-
In
einem möglichen
Betrieb der Halbleiterschaltung ist die Spannung, die durch den
Linearregler 503 erzeugt wird, minimal höher als
die Ausgangsspannung des Schaltreglers 502 in einem bestimmten
Schaltbetrieb. Dies gilt für
den Fall, dass der Linearregler 503 durch ein über die
Steuerleitung von dem Funktionsblock 501 bereitgestelltes
Steuersignal in Betrieb genommen ist. Durch die leicht erhöhte Spannung,
die durch den Linearregler 503 erzeugt wird, wird die Regelwirkung
des Schaltreglers 502 automatisch abgeschaltet, weil die
Versorgungsspannung am Funktionsblock alleine durch den Linearregler 503 bereitgestellt
ist. Damit werden keine störenden
Schaltfrequenzen der Regelung durch den Schaltregler 502 auf
den Funktionsblock übertragen.
-
Eine
weitere Möglichkeit
des Betriebs des gezeigten Ausführungsbeispiels
besteht darin, dass der Linearregler 503 eine leicht niedrigere
Spannung im Verhältnis
zur Ausgangsspannung des Schaltreglers 502 hat, so dass
das Ausgangssignal des Schaltreglers 502 immer dominant
ist und den Funktionsblock mit Spannung versorgt. In diesem Fall
würde der
Schaltregler 502 ausgeschaltet werden, wenn Störungen unerwünscht sind.
Die Versorgungsspannung würde
dann von dem Linearregler 503 bereitgestellt sein.
-
In
den 6a bis 6c wird
der Betrieb des in 5 gezeigten Ausführungsbeispiels
anhand eines Funktionsblockes gezeigt, der eine Sendeempfangsvorrichtung
darstellt. Dabei zeigt 6a ein Steuersignal zur Regelung
der Hochfrequenzfunktionalität
im Funktionsblock 501, 6b ein
zweites Steuersignal zur Regelung des Betriebs des Linearreglers 503 und 6c ein
drittes Steuersignal zur Darstellung des Betriebszustandes des Schaltreglers 502.
In allen drei 6a bis 6c ist
auf der Abzisse 601 die Zeit aufgetragen, während auf
der Ordinate 600 ein Einschaltzustand dargestellt ist.
Liegt ein Signal vor, ist die jeweilige Funktionseinheit in Betrieb.
Die 6a, 6b, 6c sind
so dargestellt, dass die Zeiträume
der Abzissen 601 sich jeweils entsprechen. In der 6c ist
zu einem ersten Zustand 606 der Schaltregler in Betrieb,
während
der Funktionsblock 501 nicht in einem Sendezustand ist, und
der Linearregler 503 außer Betrieb ist. Während eines
Zeitpunkts 602 ist dazu im Gegensatz der Funktionsblock 501 zu
einem Sendebetrieb, der Linearregler 503 ist eingeschaltet,
und der Schaltregler 502 ist außer Betrieb. Das Zeitintervall 607 entspricht dem
Zeitintervall 606, die Zeitintervalle 603 bzw. 605 entsprechen
den Zeitintervallen 602 bzw. 604 und das Zeitintervall 608 entspricht
wiederum dem Schaltintervall 606 bzw. 607. In
dem angezeigten Fall wird die Leistungsregeleinheit der Spannungsreferenz
für den
Schaltregler 502 und den Linearregler 503 aus einer
gemeinsamen Referenz abgeleitet, wodurch die zu berücksichtigen
Toleranzen minimiert werden können.
Vorteilhafter Weise kann als Kontrollsignal zur Inbetriebnahme des
Schaltreglers 502 und des Linearreglers 503 ein
Signal genommen werden, mit dem eine Hochfrequenz bzw. eine Sendeeinheit
im Funktionsblock 501 ein- bzw. ausgeschaltet wird. In einer
weiteren Ausführungsform
kann in einem Stand-By- bzw. Idle-Zustand der integrierten Halbleiterschaltung
der Schaltregler 502 ausgeschaltet werden und Linearregler 503 im
Betrieb sein, so dass die Spannungsversorgung für aktive Blöcke bzw. den noch aktiven Einheiten
in dem Funktionsblock 501 durch den Linearregler 503 übernommen
sind. In diesem Fall muss kein Schaltsignal für den Schaltregler 502 bereitgestellt
sein.
-
Es
ist denkbar, dass das Schaltelement des Schaltreglers 502,
beispielsweise das in 3 bzw. 4 dargestellte
Schaltelement 302, und der Regeltransistor des Linearreglers 503,
beispielsweise der Linearregler 401 in 4,
mit denselben Transistoren oder durch denselben Transistor realisiert
sind. In dem Fall, dass sich der Schaltregler 502 als DC-Converter
bzw. Step-down-(Buck-)Converter ausgeführt ist, kann das Rückführsignal
im Schaltregler 502 ungleich dem Rückführsignal des Linearreglers 503 gewählt werden.
Es ist ebenso denkbar, dass beide Signale gleich sind. Für eine Verbesserung
der Stabilität
des Linearreglers 503 kann ein Schalttransistor parallel
zur Induktivität
gewählt
sein.
-
Eine
weitere vorteilhafte Weise des Umschaltens zwischen Linear -und
Schaltreglers 502 ergibt sich dadurch, dass zwischen Schaltregler
und Linearregler 503 Steuersignale synchron zum Schalttakt
des Schaltreglers 502 geschaltet sind. Das heißt beispielsweise,
dass in einem Punkt umgeschaltet wird, wo der Strom durch die Induktivität des Schaltreglers 502 minimal
ist, wenn ein Kurzschlussschalter für die Induktivität vorhanden
ist, oder maximal, wenn die Induktivität im Ausgangskreis verbleibt.