DE102007018302A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Verlängerung der Batterielebensdauer durch adaptive Steuerung von Reglern - Google Patents

Verfahren und Vorrichtung zur Verlängerung der Batterielebensdauer durch adaptive Steuerung von Reglern Download PDF

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Abstract

Ein Verfahren und ein System zur Verbesserung des Wirkungsgrads eines batteriegestützten Energieversorgungssystems werden offenbart. Insbesondere werden ein Verfahren und ein System für die Verbesserung des Spannungsreglerwirkungsgrads für ein System bereitgestellt, in welchem die zu regelnde Eingangsspannung sich in einem weiten Bereich verändern kann. In den offenbarten Methoden verändert sich die Versorgungsspannung, die für den Treibersteuerschaltkreis der Spannungsregler angewendet wird, in Bezug auf Veränderungen der Eingangsspannung. Folglich kann sich in einer Ausführungsform die Versorgungsspannung, die für den Schaltkreis verwendet wird, der einen Steueranschluss des Ausgangstransistors des Reglerschaltkreises treibt, verändern in Bezug auf Veränderungen der Eingangsspannung. Beispielsweise kann eine inverse Beziehung hergestellt werden zwischen dem Eingangsspannungspegel und dem Spannungspegel, der für den Gatetreiberschaltkreis verwendet wird, der die Gates der Reglerausgangstransistoren steuert.

Description

  • Technisches Gebiet der Erfindung
  • Diese Erfindung bezieht sich auf Techniken zur Steuerung von Spannungsreglern insbesondere der Steuerung von Spannungsreglern zur Verlängerung der Batterielebensdauer.
  • Hintergrund
  • Batteriegestützte Energieversorgungen werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt. Häufig müssen Batterieenergieversorgungen geregelt werden bevor sie in einem System eingesetzt werden können. Beispielsweise zeigt 1 ein beispielhaftes System, das Spannungsregler in einer batteriegestützten Energieversorgung 100 verwendet. Wie 1 zeigt, kann eine Wechselspannungsversorgung von einem Wechselspannungsadapter 110 erhalten werden, welcher beispielsweise an ein öffentliches Wechselspannungsversorgungsnetz angeschlossen werden kann. Eine Batterie 120 ist ebenfalls vorgesehen um eine Batterieenergieversorgung zur Verfügung zu stellen. Gemäß dem Stand der Technik können die Schalter 112, 114, und 116 und der Batterieladeregler 130 benutzt werden um AC Leistung von dem Wechselspannungsadapter 110 oder Batterieleistung von der Batterie 120 zu liefern, um damit die Versorgungsschiene Vin 125 mit Leistung zu versorgen. Wie ebenfalls bekannt ist, können die Schalter ebenfalls so gesteuert werden, dass sie das Laden der Batterie besorgen. Beispielsweise werden Wechselspannungs- und batteriegestützte Netze in der anhängigen U.S. Patentanmeldungsnummer 11/058,781 , eingereicht am 16. Februar 2005, mit dem Titel „Methode und Verfahren zur Integration von Ladereglern in einer Batterieanordnung" von Luo et al. beschrieben, deren Offenbarung durch Bezug an dieser Stelle ausdrücklich aufgenommen wird.
  • Wie in 1 gezeigt, kann die Leistungsversorgungsschiene Vin 125 eine Anzahl von Spannungsreglern 140 versorgen. In typischen Anwendungen kann die Schiene Vin 125 von 9-20 Volt reichen. Falls, zum Beispiel, der Wechselspannungsadapter 110 eingesetzt wird, kann der nominelle Eingangsspannungspegel von Vin 125 19,5V betragen. Falls jedoch das Leistungsversorgungssystem mittels der Batterie versorgt wird, kann der minimale Eingangsspannungspegel bis auf 9V zurückgehen. Die Spannungsregler 140 wandeln den Spannungspegel der Schiene Vin 125 in die notwendigen Spannungen, die die Lasten des batteriegestützten Netzes 100 benötigten, wie Prozessor, Chipsatz, Speicher mit doppelter Datenrate (double data rate (DDR)) und Grafikkarten. Beispielsweise werden, wie die 1 zeigt, die Spannungsregler 140 eingesetzt um eine Anzahl von geregelten Energieversorgungsschienen zu liefern, die von 0,9-5V reichen. Die Anzahl, die Typen und die Ausgangsspannungspegel, der in 1 gezeigten Spannungsregler sind lediglich beispielhaft und können in Abhängigkeit der Anwendungen und Notwendigkeiten der Nutzer variieren. Ein beispielhafter Typ von Regler, der für das in dieser Offenbarung eingeführte Verfahren benutzt werden kann, ist ein allgemeiner Schaltspannungsregler wobei ein Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistor (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor (MOSFET)) als Leistungssteuerschalter eingesetzt wird. In einer beispielhaften Ausführungsform können die Spannungsregler „Buck"-Spannungsreler sein. Buck oder „Tiefsetzsteller" („step down" voltage regulator) sind Spannungsregler, die allgemein dafür bekannt sind, dass ihre Ausgangsspannung niedriger als ihre Eingangsspannung ist. Beispielhafte Spannungsregler benutzen Steuerbausteine wie Intersil ISL88550A, Maxim MAX8743 und Texas Instrument TPS51116. Die beispielhaften Spannungsregler haben das gemeinsame Merkmal, dass zwei +5V Hilfsspannungen benötigt werden, um den Betrieb der Treiberschaltung und der Steuerschaltung aufrecht zu erhalten. Von diesen beiden Versorgungsspannungen wird eine +5V Vorsorgungsspannung VCC oder AVDD genannt, und das ist diejenige nach dem RC-Filter. Es wird jedoch anerkannt, dass die hier beschriebenen Konzepte für einen weiten Bereich von anderen Reglertypen von Bedeutung sind, und dass die hier diskutierten Regler lediglich beispielhaft sind.
  • Wie in 1 gezeigt, können die Spannungsregler, neben der Versorgungsschiene Vin, die geregelt werden soll, Versorgungsspannungen über zusätzliche Eingänge empfangen. So kann beispielsweise, wie gezeigt, ein Vdd Versorgungseingang 142 verwendet werden und ein Vcc Versorgungseingang 144, gefiltert durch ein RC Filter nach Vdd, kann ebenfalls verwendet werden. Wie in 2 detaillierter gezeigt, kann der Vdd Versorgungseingang 142 als Versorgungsspannung für den MOSFET Gatetreiberschaltkreis dienen und der Vcc Versorgungseingang 144 kann als Versorgungsspannung für die analoge und/oder digitale Steuereinheit innerhalb des Reglers dienen.
  • 2 zeigt eine beispielhafte Anwendung des Reglers 140. Wie die 2 zeigt, kann der Regler 140 eine integrierte Reglerschaltung 210, Leistungs-MOSFETs 220 und 222 und einen Reglersystemausgang 230 beinhalten. Versorgungsschienen Vin 125, Vdd 142 und Vcc 144 werden der integrierten Reglerschaltung 210, wie gezeigt, zugeführt. Die MOSFETs 220 und 222 werden durch die Gateatreiberausgänge 221 bzw. 223 gesteuert. Der Sourceanschluss des MOSFET 220 und der Drainanschluss des MOSFET 222 sind ebenfalls wie, gezeigt, an den LX Anschluss 225 der integrierten Reglerschaltung 210 angeschlossen. Der OUT Anschluss 226 tastet die Ausgangsspannung ab, um festzustellen, ob der Regler normal arbeitet, ansonsten kann eine Schutzmaßnahme durch den Steuerschaltkreis innerhalb des Reglers vorgenommen werden. Der FB Anschluss 228 liefert Rückmeldung an die Steuereinheit mittels eines Spannungsteilers (nicht dargestellt). Die Steuereinheit vergleicht das rückgemeldete Signal mit der voreingestellten Referenzspannung um die Einschaltzeitdauer des spannungsmäßig hoch liegenden (high side switching) MOSFETs 220 und des spannungsmäßig niedrig liegenden (low side) MOSFETs zu bestimmen. Der beispielhafte Span nungsregler 140 kann, zum Beispiel, eine MAXIM MAX8550 integrierte Spannungsreglerschaltung verwenden. Wie in 2 gezeigt, kann der Treiberschaltkreis 240 eingesetzt werden um die Gatetreiberausgangsspannungen zu liefern. Die Steuereinheit 250 kann Steuersignale liefern um die Treibereinheit 240 geeignet zu steuern in Antwort auf die Signale von den OUT 226 und FB 228 Anschlüssen. Die Vdd Versorgung 142 kann zur Versorgung der Treibereinheit 240 benutzt werden und die Vcc Versorgung 144 nach einem RC Filter an Vdd kann zur Versorgung der Steuereinheit 250 benutzt werden.
  • Die Leistungseffizienz des Reglers 140 ist (neben anderen Dingen) von dem Leitungsverlust der MOSFETs abhängig. Insbesondere der Drain-Source-Widerstand Rds(on) des MOSFET 222 hat großen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad des gesamten Energieversorgungssystems und damit entsprechende Auswirkung auf die Batterielebensdauer, der in einem derartigen System eingesetzten Batterie. Es wäre deshalb wünschenswert, Verfahren bereitzustellen, die den Wirkungsgrad von Energieversorgungssystemen verbessern, insbesondere den Wirkungsgrad der Spannungsregler.
  • Wie in 1 gezeigt, können batteriegestützte Energieversorgungssysteme eingesetzt werden um eine Vielzahl von Systemausgangsspannungen zu erzeugen, wie CPU Spannungsschienen, Systemspannungsschienen, Speicherspannungsschienen, Chipsatzspannungsschienen, Grafikkartenspannungsschienen, usw. Solche Ausgangsspannungen werden häufig in Datenverarbeitungssystemen eingesetzt. Da der Wert und die Verwendung von Informationen weiter ansteigen, suchen Einzelpersonen und Unternehmen nach zusätzlichen Wegen um Informationen zu verarbeiten und zu speichern. Eine Option, die Anwendern zur Verfügung steht, sind Informationsverarbeitungssysteme. Ein Informationsverarbeitungssystem verarbeitet, übersetzt, speichert und/oder überträgt Informationen oder Daten für geschäftliche, persönliche oder andere Zwecke und erlaubt damit Anwendern Vorteil aus dem Wert der Information zu ziehen. Da die Technologie und die Anforderungen an die Informationsverarbeitung von verschiedenen Nut zern oder Anwendungen variieren, variieren auch die Informationsverarbeitungssysteme hinsichtlich der Information, die bearbeitet wird, wie die Information bearbeitet wird und wie schnell und effizient die Information verarbeitet, gespeichert oder übertragen werden kann. Die Variationen der Informationsverarbeitungssysteme ermöglicht es Informationsverarbeitungssystem allgemein zu sein, oder für einen speziellen Anwender oder eine spezielle Verwendung konfiguriert zu sein, wie finanzielle Transaktionen, Reservierungen von Fluglinien, Datenspeicherung in Unternehmen, oder weltweite Kommunikation. Informationsverarbeitungssysteme können zusätzlich eine Vielzahl von Hardware und Software Bestandteilen einschließen, die so ausgelegt werden können, dass sie Information verarbeiten, speichern und übertragen können, und können ein oder mehrere Rechnersysteme, Datenspeichersysteme und Systeme für den Netzwerkbetrieb einschließen.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Ein Verfahren und ein System zur Verbesserung des Wirkungsgrades einer batteriegestützten Spannungsversorgung werden offenbart. Es wird insbesondere ein Verfahren und ein System bereitgestellt zur Verbesserung des Spannungsreglerwirkungsgrades eines Systems, dessen Eingangsspannung, die geregelt werden soll, stark schwanken kann. Bei den offenbarten Methoden schwankt die Spannungsversorgung, die für den Treibersteuerschaltkreis der Spannungsregler verwendet wird, relativ zu den Schwankungen der Eingangsspannung. Daher kann in einer Ausprägungsform die Spannungsversorgung, die für den Schaltkreis verwendet wird, der einen Gatesteueranschluss eines MOSFETs der Reglerschaltung ansteuert, in Bezug auf Schwankungen der Eingangsspannung verändert werden. Beispielsweise kann eine inverse Beziehung hergestellt werden zwischen dem Eingangsspannungspegel und dem Spannungspegel, der für den Gatetreiberschaltkreis verwendet wird, der die Gates der MOSFETs des Reglers steuert.
  • In einer Ausprägungsform ist ein Verfahren vorgesehen, um die Batterielebensdauer einer Batteriequelle in einer batteriegestützten Energieversorgung mit Spannungsregelung auszuweiten. Das Verfahren kann die Bereitstellung einer ersten Spannungsversorgung umfassen, wobei die erste Spannungsversorgung wenigstens zeitweise durch eine Batteriequelle erzeugt wird. Weiterhin, ist ein Spannungsregler vorgesehen, der die erste Versorgungsspannung empfängt und eine veränderliche Ausgangstreibersteuerspannung erzeugt, die wenigstens teilweise in Bezug auf den Spannungspegel der ersten Versorgungsspannung variiert. Das Verändern der Ausgangstreibersteuerspannung in Bezug auf den Spannungspegel der ersten Spannungsversorgung erweitert die Lebensdauer der Batterie.
  • In einer weiteren Ausprägungsform wird ein Verfahren für die Steuerung einer Ausgangstreibersteuerspannung eines Spannungsreglers bereitgestellt. Das Verfahren weist die Bereitstellung einer ersten Energieversorgung auf, die durch den Spannungsregler geregelt werden soll und die Verwendung einer Steuerspannungseinheit als eine Steuereinheit der Energieversorgung für wenigstens einen Teil der Steuerschaltung der Spannungsregler. Weiterhin beinhaltet das Verfahren die Verwendung einer Treiberspannungseinheit, als eine Treiberversorgungsspannungseinheit, für wenigstens einen Teil des Treiberschaltkreises des Spannungsreglers, wobei der Treiberschaltkreis ein Treibersignal steuert, das einen Transistorausgang des Spannungsreglers steuert. Das Verfahren beinhaltet weiterhin das Verändern der Spannungspegel der Treibereinheit, so dass der Spannungspegel der Treibereinheit wenigstens teilweise von dem Spannungspegel der ersten Energieversorgung abhängt; und das Vorsehen einer geregelten Ausgangsspannung von dem Spannungsregler. Der Wirkungsgrad des Spannungsreglers hängt von der Spannung der Treibereinheit ab.
  • In noch einer weiteren Ausführungsform wird ein Informationsverarbeitungssystem offenbart. Das System kann eine erste Spannungsversorgung beinhalten, wobei die erste Spannungsversorgung wenigstens zeitweise durch eine Batteriequelle erzeugt wird, und wobei die erste Spannungsversorgung einen variablen Span nungspegel hat. Das System beinhaltet weiterhin einen Spannungsregler, der an die erste Spannung angeschlossen ist, wobei der Spannungsregler die erste Spannung regelt, um eine Spannungsregelausgangsspannung bereitzustellen. Das System kann weiterhin eine zweite Spannungsversorgung beinhalten, wobei die zweite Spannungsversorgung wenigstens teilweise für den Steuerschaltkreis des Spannungsreglers verwendet wird. Das System umfasst weiterhin eine variable dritte Spannungsversorgung, wobei die dritte Spannungsversorgung wenigstens teilweise für den Treiberschaltkreis des Spannungsreglers verwendet wird, wobei der Treiberschaltkreis ein Steuersignal liefert, das an den Steueranschluss eines Ausgangstransistors des Spannungsreglers angeschlossen wird. Ein Spannungspegel der variablen dritten Spannungsversorgung hängt von einem Spannungspegel der ersten Spannungsversorgung ab.
  • Beschreibung der Zeichnungen
  • Es wird angemerkt, dass die beigefügten Zeichnungen nur beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen, und dass sie deshalb nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend betrachtet werden sollen, da die Erfindung andere gleichermaßen wirkungsvolle Ausprägungsformen erlauben kann.
  • 1 veranschaulicht ein Informationsverarbeitungssystem gemäß dem Stand der Technik, das ein Batterieenergieversorgungssystem und Spannungsregler aufweist.
  • 2 veranschaulicht einen Spannungsregler gemäß dem Stand der Technik.
  • 3 veranschaulicht einen beispielhaften Schaltkreis für ein Informationsverarbeitungssystem, das eine Batterieenergieversorgung und eine veränderliche Treiberspannungssteuerung der Spannungsregler aufweist.
  • 4 veranschaulicht einen Spannungsregler, der Versorgungsspannungen aufweist, die in Übereinstimmung mit den hier offenbarten Verfahren vorgesehen sind.
  • 5 veranschaulicht einen beispielhaften Schaltkreis, der verwendet wird, um die Treiberspannungssteuerung adaptiv einzustellen.
  • Ausführliche Beschreibung der Erfindung
  • 3 veranschaulicht ein Beispiel eines batteriegestützten Spannungsversorgungssystems 300, das in einem Informationsverarbeitungssystem eingesetzt werden kann, um Nutzen aus den hier offenbarten Verfahren zu ziehen. Zum Zwecke dieser Offenbarung kann ein Informationsverarbeitungssystem irgendein Mittel oder eine Anhäufung von Mitteln beinhalten, die betriebsfähig sind um irgendeine Form von Information, Intelligenz, oder Daten für geschäftliche, wissenschaftliche, zur Überwachung, oder für andere Zwecke zu berechnen, klassifizieren, verarbeiten, senden, empfangen, abfragen, hervorbringen, schalten, speichern, anzeigen, bekannt machen, nachweisen, aufnehmen, vervielfältigen, bearbeiten, oder benutzen. Ein Informationsverarbeitungssystem kann, beispielsweise, ein Personalcomputer, ein Speichergerät in einem Netzwerk, oder irgendein anderes geeignetes Gerät sein und kann in Größe, Form, Leistungsfähigkeit, Funktionsweise und Preis variieren. Das Informationsverarbeitungssystem kann einen Schreib-Lese-Speicher (RAM) beinhalten, eine oder mehrere Verarbeitungsressourcen, wie eine zentrale Prozessoreinheit (CPU), oder Steuerungslogik in Hardware oder Software, Lese-Speicher (ROM) und/oder andere Ausführungen von nichtflüchtigen Datenspeichern. Zusätzliche Bestandteile des Informationsverarbeitungssystems können eine oder mehrere Diskettenlaufwerke, ein oder mehrere Netzwerkanschlüsse für die Kommunikation mit externen Geräten beinhalten, ebenso wie verschiedene Ein- und Ausgabegeräte (I/O), wie eine Tastatur, eine Maus und eine Bildschirmausgabe. Das Informationsverarbeitungssystem kann ebenfalls einen Bus oder mehrere Bussysteme beinhalten mit der Funktion Nachrichten zwischen verschiedenen Hardware-Komponenten zu übertragen.
  • Die batteriegestützte Spannungsversorgung 300 der 3 liefert eine verbesserte Batterielebensdauer durch Verbesserung des Spannungsregelungswirkungsgrades verglichen mit dem Stand der Technik, selbst dann falls die Eingangsspannung der Spannungsregler in einen weiten Bereich schwanken sollte. In den offenbarten Verfahren wird die Versorgungsspannung Vdd, die für den Treibersteuerschaltkreis der Spannungsregler verwendet wird, in Bezug auf Schwankungen der Eingangsspannung Vin verändert. In einem Beispiel kann eine inverse Beziehung zwischen dem Eingangsspannungspegel und dem Versorgungsspannungspegel Vdd hergestellt werden, der für den Gatetreiberschaltkreis verwendet wird, der die Gates der Reglerausgangstransistoren steuert.
  • Die hier beschriebenen Verfahren liefern eine verbesserte Batterielebensdauer durch eine Verbesserung der Leitungsverluste der MOSFET Reglerausgangstransistoren. Insbesondere, des MOSFET Leitungsverlusts, der von dem Rds(on) des MOSFETs herrührt, der proportional zu der MOSFET Treiberspannung Vgs ist. Ferner sind normalerweise der Leistungsschaltkreis der MOSFETs und der Steuerschaltkreis der MOSFETs so ausgelegt, dass sie größtmöglicher Drain-Source-Spannungbeanspruchung (Vds), die von der maximalen Vin Spannung herrührt (in dem unten beschriebenen Beispiel ungefähr 20V), dem Gatetreiberspannungspegel, der Treibergeschwindigkeit und einigen parasitären Elementen Rechnung tragen. Üblicherweise wird Vds signifikant durch die Eingangsspannung Vin des Leistungsschaltkreises beeinflusst. Die größtmögliche Spannung Vin wird jedoch nicht immer ausgenutzt. Insbesondere bei der Verwendung einer Batteriequelle kann die Spannung Vin über den Batterieentladungszyklus schwanken und kann deutlich unter den größtmöglichen Wert von Vin fallen, wie zum Beispiel unten beschrieben, auf unterhalb von ungefähr 9V. Unter diesen Umständen erlaubt eine niedrige Spannung Vin eine Vergrößerung der Gatespannung eines Ausgangs-MOSFETs des Spannungsreglers, wobei der MOSFET innerhalb des maximalen Spannungsbeanspruchungspegels Vds bleibt. Zweckmäßigerweise fürt ein Anstieg des Pegels des Gatespannungstreibers zu einer Verringerung des Rds(on) des MOSFETs, was sich in geringeren Leitungsverlusten und einer entsprechend verbesserten Batterielebensdauer niederschlägt.
  • Die oben beschriebenen Konzepte können besser verstanden werden unter Bezug auf die beispielhaften Beschreibungen der 3-5. Die batteriegestützte Spannungsversorgung 300 hat, wie 3 zeigt, viele gleiche Elemente wie das System der 1, wobei referenzierte Elemente die gleichen Referenzziffern haben. Die Spannungsversorgung 300 unterscheidet sich von dem System in 1 indem eine veränderliche Versorgungsspannung Vdd vorgesehen ist. Insbesondere kann die Versorgungsspannung Vcc 144 als festgesetzter Spannungspegel vorgesehen sein, ähnlich zu dem gezeigten Stand der Technik. Die Versorgungsspannung Vdd 342 kann jedoch als eine veränderliche Spannung vorgesehen sein, die abhängig von dem Pegel der Spannung Vin 125 schwanken kann. Als ein Beispiel, indem Vin 125 sich von 20-9V verändert, verändert sich die Versorgungsspannung Vdd 342 von 5-10V. Um den Spannungspegel der Versorgungsspannung Vdd 342 zu steuern, ist ein Schaltkreis 350 mit einem veränderlichen Spannungspegel vorgesehen. Der Schaltkreis 350 mit dem veränderlichen Spannungspegel kann einen Eingang 355 empfangen, der an den Anschluss Vin 125 angeschlossen ist. Der Schaltkreis 350 mit dem veränderlichen Spannungspegel ist so ausgelegt, dass er als Ausgang die veränderliche Versorgungsspannung Vdd 342 liefert in einer Art, dass der Pegel der Versorgungsspannung Vdd 342 sich in Abhängigkeit des Spannungspegels Vin 125 verändert.
  • Mehr Einzelheiten dieses Konzeptes können mit Bezug auf 4 gesehen werden, diese veranschaulicht den Spannungsregler 140, der von einander entkoppelte Versorgungsspannungen Vdd und Vcc empfängt. Der Schaltkreis der 4 kann ähnlich zu dem der 2 sein, wiederum mit gleichen Referenzziffern, mit der Ausnahmen, wie aus 4 entnommen werden kann, dass die veränderliche Versorgungsspannung Vdd 342 vorgesehen ist, um die Steuereinheit des integrier ten Reglerkreises 210 zu versorgen. Da sich der Spannungspegel von Vin 125 von 20-9V verändert, bei Verwendung der oben beschriebenen Beispielspannungen, kann sich der Spannungspegel der Versorgungsspannung Vdd 342, die für den Treiberschaltkreis 240 als Versorgungsspannung vorgesehen ist, von 5-10V verändern. Die Treiberschaltung kann eine Vielzahl von Schaltungen einschließen, die die Gatetreiberspannungen der MOSFETs 220 und 222 bereitstellen. In einer Ausführungsform kann der Treiberschaltkreis Steuerungslogik und Treiberstufe, die an der Vdd Schiene arbeitet, beinhalten. Durch das Vorsehen einer erhöhten Vdd Versorgung kann dem MOSFET durch die Gatetreibertransistoren eine erhöhte Treiberspannung bereitgestellt werden und die MOSFET Leitungsverluste werden entsprechend verringert, da der Rds(on) des MOSFET durch erhöhte Gatetreibersteuerspannungen verringert wird.
  • Wie oben erwähnt, beinhalten beispielhafte Spannungsregler für den Gebrauch als integrierte Reglerschaltung 210 den Intersil ISL88550A, den Maxim MAX8743 und den Texas Instrument TPS51116. Es wird jedoch wieder erkannt, dass die hier beschriebenen Verfahren für einen großen Bereich von anderen Reglern von Bedeutung sind, und dass die hier diskutierten Regler lediglich beispielhaft sind. Darüber hinaus wird erkannt, obwohl erläutert mit Bezug auf einen Regler in welchem Vdd die Spannungsversorgungsschiene für eine Treibereinheit bereitstellt, dass die Treibereinheit zusätzlich eine nichtveränderliche Versorgungsspannungsschiene Vcc empfangen kann, dergestalt, dass beide Spannungsschienen der Reglersteuerung zur Verfügung gestellt werden. Die hier beschriebenen Verfahren sind in einer solchen Anordnung noch immer vorteilhaft, falls der Pegel der Gatetreibersteuerspannung im Verhältnis zu dem Pegel von Vin veränderlich ist.
  • Die veränderliche Versorgungsspannung Vdd 342 kann auf vielerlei Art hergestellt werden, durch irgendeinen Schaltkreis, der eine Ausgangsspannung herstellt, die in einer Beziehung zu der Eingangsspannung steht. Die spezielle Beziehung zwischen Vdd und Vin kann durch viele Ansätze umgesetzt werden, wie als digitale Schaltung, analoge Schaltung oder durch einen gemischten digitalen-analogen Schaltkreis. Von daher ist die Schaltung für den veränderlichen Spannungspegel 350 lediglich beispielhaft. Es ist, wie oben beschrieben, wünschenswert, dass die Beziehung der Spannungen Vin und Vdd eine Beziehung von inversem Typus ist. Beispielsweise verändert sich die Ausgangsspannung der veränderlichen Spannungspegelschaltung 350 linear oder nichtlinear mit ihrer Eingangsspannung. Alternativ kann die veränderliche Spannungspegelschaltung 350 mehrere voreingestellte stufenweise Ausgangsspannungspegel aufweisen, aus denen der gewünschte Ausgangspannungspegel ausgewählt wird, wenigstens teilweise auf der Grundlage des Spannungspegels von Vin 125. Ferner ist gezeigt, dass die veränderliche Spannungspegelschaltung 350 die Spannung Vin 125 als Eingang 355 empfängt. Es wird jedoch erkannt, dass die veränderliche Spannungspegelschaltung 350 lediglich eine Art Eingangssignal (wie ein Steuersignal) empfangen kann, das wenigstens teilweise den gegenwärtigen Zustand von Vin 125 repräsentiert. Beispielsweise kann ein Steuersignal wiedergeben, ob gerade ein Wechselspannungsadapter verwendet wird, oder ob gerade eine Batterieversorgung verwendet wird und den gegenwärtigen Zustand der Batterie. Folglich sind die hier beschriebenen Verfahren nicht davon abhängig, wie die variable Versorgungsspannung Vdd 342 hergestellt wird, sondern in einem weiteren Sinn ist es lediglich wünschenswert, dass der Spannungspegel, der dem Steueranschluss des Ausgangstransistors bereitgestellt wird (zum Beispiel dem Gate eines MOSFETs), wenigstens teilweise verändert werden kann auf der Grundlage irgendeines Zustands oder irgendeiner Bedingung der Spannungsversorgung Vin 125. Eine Schaltung, die zum Beispiel als veränderliche Spannungspegelschalung 350 verwendet werden kann, ist in 5 gezeigt. Wie in 5 gezeigt, kann der Eingang 355 einen Eingangswert empfangen, der sich nährungsweise über 9-20V verändert und der entsprechende Ausgangswert, der als veränderliche Versorgungsspannung Vdd 342 bereitgestellt wird, verändert sich entsprechend von 10-5V. Die veränderliche Spannungspegelschaltung kann die Widerstände Ra, Rb, Rc und Rd, sowie den Kondensator Ca und die Transistoren 510 und 520 umfassen, in einer Anordnung wie in 5 gezeigt. Wie oben erwähnt, wird jedoch wieder erkannt, dass viele Schaltungen und Verfahren benutzt werden können um die variable Versorgungsspannung Vdd 342 zu erzeugen.
  • Des weiteren, kann in einer Ausführungsform, obwohl in 3 gezeigt ist, dass sich die veränderliche Spannungspegelschaltung 350 außerhalb der Regler befindet, die veränderliche Spannungspegelschaltung 350 direkt in den Regler 140 eingebettet werden. Eine Ausführungsform des Einschließens der veränderlichen Spannungspegelschaltung 350 in den Regler 140 umfasst die Integration der veränderlichen Spannungspegelschaltung in die integrierte Reglerschaltung 210. In einer derartigen Ausführungsform kann die Versorgung Vin 125, die der integrierten Reglerschaltung 210 bereitgestellt wird, innerhalb der integrierten Reglerschaltung 210 benutzt werden um intern die veränderliche Versorgungsspannung Vdd 342 zu erzeugen. Bei dieser Betrachtungsweise kann die Spannung Vdd lediglich als interne Spannung angesehen werden, die dafür verwendet wird ein veränderliches Treibersignal für den Transistorsteueranschluss zu liefern, dessen Spannungspegel in Abhängigkeit von dem Spannungspegel Vin einstellbar ist.
  • Somit kann, wie oben beschrieben, ein effizienteres System erhalten werden, indem man eine veränderliche Steuerspannung für die Treibersteuersignale der Reglerleistungsschalter vorsieht. In einem Beispiel, kann für einen AC Adapter, der eine Spannung Vin von 19,5V liefert sowie eine konstante Versorgungsspannung Vdd von 5V, die Drain-Source Spannung Vds(max) der Regler-MOSFETs 26,5V erreichen, wohingegen unter Batterieversorgung bei 10V kann die Spannung Vds(max) nur bei nährungsweise 17V liegen. Wird die Versorgungsspannung Vdd auf 10V angehoben, falls das System durch eine 10V Batteriespannungsversorgung aufrechterhalten wird, verringert sich der Leitungsverlust des MOSFETs dergestalt, dass bei einem Regler mit einen 1,2V/10A Ausgang der Wirkungsgrad um nährungsweise 2% ansteigen kann. Ein derartiger Anstieg des Wirkungsgrades verlängert den Batterieendladelebensdauer, verringert die Verlustleistung und mindert die Anforderungen an die Kühlung. Folglich ist es vorteilhaft ein System vorzusehen, das die Versorgungsspannungspegel des Reglers entkoppelt, so dass wenigstens ein Teil der Schaltung des Reglersystems der Gatetreibersignale, die den MOSFET steuern, bei verschiedenen Pegeln arbeiten kann in Abhängigkeit des Pegels der Spannung Vin, die durch den Regler geregelt werden soll.
  • Wie oben beschrieben, wird eine Beziehung zwischen dem Spannungspegel der Versorgung Vin 125 und dem Spannungspegel der Versorgung Vdd 342 hergestellt, so dass die Treiberspannung, mit der die MOSFETs 220 und 222 versorgt werden, sich ähnlich in Bezug auf die Eingangsspannung Vin 125 verändert. Die besondere Beziehung zwischen Vin 125 und den MOSFET Treiberspannungen auf den Gatesteuerleitungen 221 und 223 kann gewählt werden in Abhängigkeit der Eigenschaften der MOSFETs 220 und 222, des festgelegten Bereichs von Vin 125 und der Art/Eigenschaften, der in dem System benutzten Batterie. In einer Ausführungsform kann der Schaltkreis so festgelegt werden, dass die Beziehung zwischen der Treiberspannung und dem Spannungspegel Vin durch den Nutzer programmierbar ist. Solch ein Merkmal kann besonders nützlich sein, falls die veränderliche Spannungspegelschaltung, wie oben beschrieben, in den Reglersteuerschaltkreis integriert ist.
  • In den oben beschriebenen Beispielen kann die veränderliche Versorgungsspannung Vdd dafür verwendet werden um die Treibersteuerspannungen für die beiden MOSFETs 220 und 222 zu erzeugen. Es wird wieder erkannt, dass die verschiedenen Reglerschaltkreise mehr oder weniger MOSFETs umfassen können. Folglich können die hier beschriebenen Verfahren dafür eingesetzt werden, um die Treibersteuerspannung von einem einzigen MOSFET in Beziehung to dem Spannungspegel Vin anzupassen, oder um die Treibersteuerspannung von mehr als zwei MOSFETs anzupassen. Weiterhin kann wenigstens ein Teil des hier beschriebenen Nutzens selbst dann erreicht werden, falls die Treiberspannung von nur einigen der MOSFETs angepasst wird. Bei einem solchen Ansatz könnten die hier beschriebenen Verfahren für einen oder mehrere MOSFETs verwendet werden, jedoch für einen oder mehrere MOSFETs nicht. In dem System beispielsweise, das in 4 beschrieben ist, wird der Leitungsverlust der MOSFETs durch den Rds(on) des MOSFETs 222 dominiert. Folglich kann eine Schaltungsauslegung in die Tat umgesetzt werden, bei der die Treibersteuerung von MOSFET 222 in Bezug auf den Spannungspegel Vin 125 veränderlich ist, wohingegen die Treibersteuerung des MOSFETs 220 nicht angepasst wird, oder umgekehrt. Die hier beschriebenen Verfahren wurden veranschaulicht in Bezug auf MOSFET Ausgangsgeräte und Anpassungen der Versorgung Vdd, die auf die Spannungspegel der Gatetreibersteuersignale einwirken. Es wird jedoch wiederum erkannt, dass die abstimmbaren Treibersteuerverfahren für andere Ausgangsgeräte verwendet werden können. Zum Beispiel können bipolare Ausgangsgeräte verwendet werden, bei denen die Spannungspegel des Steueranschlusses von bipolaren Leistungstransistoren, in Abhängigkeit des Pegels von Vin, angepasst werden.
  • In den oben beschriebenen Beispielen wird gezeigt, dass alle Regler des Systems, die hier beschriebenen Verfahren in Bezug auf die veränderliche Versorgungsspannung Vdd, in vorteilhafter Weise ausnutzen. Es wird jedoch wiederum erkannt, dass der hier beschriebene größere Wirkungsgrad immer noch erreicht wird, falls nur eine Untermenge der Regler eine veränderliche Versorgungsspannung Vdd verwenden. Folglich können einige der Systemregler eine veränderliche Versorgung Vdd verwenden und einige andere nicht.
  • Weitere Abänderungen und alternative Ausführungsformen dieser Erfindung sind für Fachleute im Hinblick auf diese Beschreibung offensichtlich. Es wird deshalb wieder erkannt, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die beispielhaften Anordnungen beschränkt ist. Dementsprechend soll diese Beschreibung nur als veranschaulichend ausgelegt werden und zu dem Zweck Fachleuten das Ausführen der Erfindung zu lehren. Es soll verstanden werden, dass die Ausführungsformen der Erfindung, die hier gezeigt und beschrieben sind, als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen betrachtet werden. Verschiedene Änderungen können an den Ausführungen und den Architekturen gemacht werden. Zum Bespiel können die hier veranschaulichten und beschrieben Komponenten durch gleichwertige ersetzt werden und bestimmte Merkmale der Erfindung können unabhängig von dem Gebrauch von anderen Merkmalen eingesetzt werden, wie es für einen Fachmann offensichtlich ist, nachdem er den Nutzen dieser Beschreibung der Erfindung kennt. Des Weiteren, da die hier beschriebenen Verfahrungen und Beschreibungen lediglich beispielhaft sind, können andere Verfahren und Schaltungen eingesetzt werden, wobei der Nutzen, der hier offenbarten Konzepte, noch immer ausgenutzt werden kann.

Claims (20)

  1. Ein Verfahren zur Verlängerung der Batterielebensdauer in einer batteriegestützten Spannungsversorgung aufweisend Spannungsregler, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen einer ersten Spannungsversorgung, die geregelt werden soll, wobei die erste Versorgungsspannung wenigstens zeitweise durch eine Batteriequelle erzeugt wird; Vorsehen eines Spannungsregler, der die erste Versorgungsspannung empfangt; und Erzeugen einer veränderlichen Ausgangstreibersteuerspannung, die sich wenigstens teilweise in Bezug auf den Spannungspegel der ersten Versorgungsspannung verändert; wobei die Veränderung der Ausgangstreibersteuerspannung in Bezug auf den Spannungspegel der ersten Versorgungsspannung die Lebensdauer der Batterie verlängert.
  2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die veränderliche Ausgangstreibersteuerspannung einen Steueranschluss eines Transistors steuert.
  3. Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein Leitungsverlust des Transistors durch das Verändern der Ausgangstreibersteuerspannung verändert wird, so dass der Wirkungsgrad des Spannungsreglers sich mit der Veränderung der Ausgangstreibersteuerspannung ändert.
  4. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die erste Versorgungsspannung zeitweise durch eine Wechselspannungsquelle erzeugt wird.
  5. Das Verfahren nach Anspruch 4, wobei das batteriegestützte Versorgungsspannungssystem, eine Mehrzahl von Spannungsreglern umfasst, die eine Mehrzahl von veränderlichen Ausgangstreibersteuerspannungen aufweisen, die sich wenigstens teilweise in Bezug auf den Spannungspegel der ersten Versorgungsspannung verändern.
  6. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die veränderliche Ausgangstreibersteuerspannung sich in einem inversen Verhältnis zu der ersten Versorgungsspannung verändert.
  7. Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei die erste Versorgungsspannung wenigstens zeitweise durch eine Wechselspannungsquelle erzeugt wird, wobei die veränderliche Ausgangstreibersteuerspannung wenigstens zeitweise einen größeren Wert aufweist, wenn die erste Versorgungsspannung durch eine Batteriequelle erzeugt wird, als wenn die erste Versorgungsspannung durch eine Wechselspannungsquelle erzeugt wird.
  8. Ein Verfahren zur Steuerung der Ausgangstreibersteuerspannung von einem Spannungsregler, wobei das Verfahren umfasst: Vorsehen einer ersten Versorgungsspannung, die durch den Spannungsregler geregelt werden soll; Verwenden einer Steuerbauelementspannung als eine Steuerbauelementspannungsversorgung für wenigstens einen Teil des Steuerschaltkreises des Spannungsreglers; Verwenden einer Treiberbauelementspannung als eine Treiberbauelementspannungsversorgung für wenigstens einen Teil des Treiberschaltkreises des Spannungsreglers, wobei der Treiberschaltkreis ein Treibersignal steuert, das einen Ausgangstransistor des Spannungsreglers steuert; Verändern der Treiberbauelementspannung, so dass der Treiberbauelementspannungspegel wenigstens teilweise von dem Spannungspegel der ersten Versorgungsspannung abhängt; und Vorsehen einer geregelten Ausgangsspannung von dem Spannungsregler, wobei der Wirkungsgrad des Spannungsreglers von der Treiberbauelementspannung abhängt.
  9. Ein Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Treiberbauelementspannung außerhalb der integrierten Spannungsreglerschaltung des Spannungsreglers erzeugt wird.
  10. Ein Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei die Treiberbauelementspannung innerhalb der integrierten Spannungsreglerschaltung des Spannungsreglers erzeugt wird.
  11. Ein Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei ein Leitungsverlust des Ausgangstransistors durch das Verändern der Treiberbauelementspannung verändert wird.
  12. Ein Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei sich die Treiberbauelementspannung in einem inversen Verhältnis zu dem Spannungspegel der ersten Versorgungsspannung ändert.
  13. Ein Informationsverarbeitungssystem umfassend: eine erste Versorgungsspannung, die erste Versorgungsspannung wird wenigstens zeitweise durch ein Batteriesystem erzeugt, wobei die erste Versorgungsspannung einen veränderlichen Spannungspegel aufweist; einen Spannungsregler, wobei der Spannungsregler an die erste Spannung angeschlossen ist, wobei der Spannungsregler die erste Spannung regelt um eine Spannungsreglerausgangsspannung bereitzustellen; eine zweite Versorgungsspannung, wobei die zweite Versorgungsspannung wenigstens teilweise für den Steuerschaltkreis des Spannungsreglers verwendet wird; und eine veränderliche dritte Versorgungsspannung, wobei die dritte Versorgungsspannung wenigstens teilweise für den Treiberschaltkreis des Spannungsreglers verwendet wird, wobei der Treiberschaltkreis ein Steuersignal liefert, das an den Steueranschluss eines Ausgangstransistors des Spannungsreglers angeschlossen ist, wobei ein Spannungspegel von einer veränderlichen dritten Versorgungsspannung von dem Spannungspegel der ersten Versorgungsspannung abhängt.
  14. Das Informationsverarbeitungssystem nach Anspruch 13, wobei die erste Versorgungsspannung ebenfalls von einer Wechselspannungsversorgung erzeugt werden kann.
  15. Das Informationsverarbeitungssystem nach Anspruch 13, weiterhin beinhaltend eine Vielzahl von Spannungsreglern, wobei jeder der Mehrzahl der Spannungsregler an die erste Versorgungsspannung angeschlossen ist, wobei wenigstens zwei oder mehrere der Mehrzahl von Spannungsreglern, die jeweils eine veränderliche Versorgungsspannung aufweisen, die von dem Treiberschaltkreis eines jeden Spannungsreglers verwendet wird, wobei der Spannungspegel der veränderlichen Versorgungsspannung sich in Bezug auf die erste Versorgungsspannung ändert.
  16. Das Informationsverarbeitungssystem nach Anspruch 13, weiterhin umfassend einen Spannungspegelanpassungsschaltkreis, der außerhalb der integrierten Spannungsreglerschaltung vorgesehen ist, wobei der Spannungspegelanpassungsschaltkreis eine veränderliche dritte Versorgungsspannung als eine Ausgangsgröße aufweist.
  17. Ein Informationsverarbeitungssystem nach Anspruch 13, wobei die veränderliche dritte Versorgungsspannung innerhalb der integrierten Spannungsreglerschaltung erzeugt wird.
  18. Ein Informationsverarbeitungssystem nach Anspruch 13, wobei der Ausgangstransistor ein erster MOSFET Baustein ist, wobei der MOSFET Leitungsverlust des MOSFET Bausteins sich in Bezug auf den Spannungspegel einer dritten veränderlichen Versorgungsspannung verändert.
  19. Ein Informationsverarbeitungssystem nach Anspruch 18, weiterhin aufweisend einen zweiten MOSFET Baustein, wobei jeder, der ersten und der zweiten MOSFET Bausteine ein veränderliches Gatesteuersignal empfängt, das sich in Bezug auf den Spannungspegel der ersten Versorgungsspannung ändert.
  20. Ein Informationsverarbeitungssystem nach Anspruch 13, wobei die zweite Versorgungsspannung einen konstanten Spannungspegel aufweist.
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