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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft das Messen eines Induktivitätsstroms,
insbesondere zur Schaltsteuerung in Spannungsreglerschaltungen,
wie etwa in DC-DC-Wandlern.
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HINTERGRUND
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Viele
elektronische Vorrichtungen, wie etwa DC-DC-Wandler oder Vorrichtungen
zur Steuerung von Elektromotoren, erfordern eine genaue Messung eines
Stroms durch eine Induktivität. Bei einer sehr bekannten
Maßnahme zur Messung eines Stroms durch eine Induktivität,
wie beispielsweise in den
US-Patenten
Nr. 5,731,731 B1 und
5,420,777 B1 beschrieben, wird ein Widerstand
verwendet, der mit der Induktivität in Reihe geschaltet
ist. Diese herkömmliche Lösung erhöht
jedoch die Verlustleistung und verringert die Effizienz der elektronischen
Vorrichtung.
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Die
US 6,377,034 B1 beschreibt
einen Lösungsansatz, bei dem Erfassungstransistoren verwendet
werden, um einen Strom aus Strömen durch Leistungstransistoren
abzuleiten, die dem Induktivitätsstrom während
entsprechender Schaltzyklen eines Abwärtswandlers entsprechen.
Die Schaltung ist in
1 gezeigt. Die Schaltung
1 ist
so ausgeführt, dass sie den Strom misst, der über
einen ersten Transistor
2 und einen zweiten Transistor
3 in
die Induktivität
17 eingespeist wird. Der erste
Transistor
2 ist mit einem Drain-Anschluss an einen Eingangsspannungsleiter
8 (VIN),
mit dem Gate an das Schaltsignal
4 und mit dem Source-Anschluss
an den ersten Anschluss einer Induktivität
17 gekoppelt.
Ein erster Erfassungstransistor
7 ist mit einem Gate und
einem Drain-Anschluss mit dem Gate bzw. Drain-Anschluss des ersten
Transistors
2 verbunden und mit einem Source-Anschluss
an einen ersten Eingang eines ersten Verstärkers
13 und
an einen Drain-Anschluss eines dritten Transistors
12 gekoppelt,
bei dem ein Source-Anschluss an einen zweiten Versorgungsspannungsleiter
9 gekoppelt
und ein Gate mit dem Gate eines vierten Transistors
15 verbunden
ist. Der Source-Anschluss des vierten Transistors
15 ist
mit dem zweiten Versorgungsspannungsleiter
9 verbunden,
und sein Drain-Anschluss ist mit einem Ausgangsanschluss
18 und
einem zweiten Anschluss verbunden, der an den zweiten Versorgungsspannungsleiter
9 gekoppelt
ist. Der erste Transistor
2 und der zweite Transistor
3 sind
in einem DC-DC-Wandler enthalten. Ein zweiter Erfassungstransistor
10 ist über
ein Gate mit dem Gate des zweiten Transistors
3 und über
einen Drain-Anschluss mit dem Drain-Anschluss des zweiten Transistors
3 und
mit dem ersten Anschluss der Induktivität
17 verbunden.
Der Source-Anschluss des zweiten Erfassungstransistors
10 ist
an den Ausgangsanschluss
18 gekoppelt. Der erste und der
zweite Transistor werden so betrieben, dass einer eingeschaltet
ist, während der andere ausgeschaltet ist, sodass der Strom
durch den Ausgangsanschluss den Strom durch die Induktivität
darstellt, unabhängig davon, ob der erste oder der zweite
Transistor den Induktivitätsstrom einspeist.
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Bei
dieser Schaltung aus dem Stand der Technik wird kein Serienwiderstand
verwendet, und sie ermöglicht eine genaue Bestimmung des
Induktivitätsstroms. Die Schaltung ist jedoch sehr komplex und
verbraucht selbst zu viel Leistung, was die Effizienz der Schaltung
beeinträchtigt.
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KURZZUSAMMENFASSUNG
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektronische Vorrichtung
und ein Verfahren zum Messen eines Stroms durch eine Induktivität
bereitzustellen, die weniger komplex sind und weniger Leistung verbrauchen
als Schaltungen aus dem Stand der Technik.
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Bei
einem Aspekt der Erfindung wird eine elektronische Vorrichtung bereitgestellt,
die eine Schaltung zum Messen eines Stroms in einer Induktivität
aufweist. Der Strom in der Induktivität wird durch Schalten
eines ersten Leistungstransistors und eines zweiten Leistungstransistors
gesteuert, die jeweils eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode
und ein Steuergate haben. Die Messschaltung weist einen ersten Erfassungstransistor
mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einem Steuergate
auf. Der erste Erfassungstransistor ist mit einem Steuergate an
das Steuergate des ersten Leistungstransistors und mit einer zweiten
Elektrode an die zweite Elektrode des ersten Leistungstransistors gekoppelt.
Die Messschaltung weist auch einen zweiten Erfassungstransistor
mit einer ersten Elektrode, einer zweiten Elektrode und einem Steuergate auf.
Der zweite Erfassungstransistor ist mit dem Steuergate an das Steuergate
des zweiten Leistungstransistors und mit der zweiten Elektrode an
die zweite Elektrode des zweiten Leistungstransistors gekoppelt.
Es gibt einen Verstärker, der entweder in einer ersten
Konfiguration oder in einer zweiten Konfiguration betrieben werden
kann. Der Verstärker kann dann so ausgeführt sein,
dass er während einer ersten Zeitperiode die erste Konfiguration
und während einer zweiten Zeitperiode die zweite Konfiguration
annimmt. Die erste und die zweite Zeitperiode können nicht überlappende
Taktperioden sein. Der Verstärker kann dann entweder so
betrieben werden, dass er während der ersten Zeitperiode
einen Ausgangsstrom bereitstellt, der von einem ersten Strom durch
den ersten Erfassungstransistor abhängig ist, oder während
einer zweiten Zeitperiode den Ausgangsstrom in Abhängigkeit
von einem zweiten Strom durch den zweiten Erfassungstransistor bereitstellt.
Dies sorgt dafür, dass ein Strom durch den ersten Leistungstransistor
mit dem ersten Erfassungstransistor und ein Strom durch den zweiten
Leistungstransistor mit dem zweiten Erfassungstransistor erfasst
wird. Die Induktivität wird entweder über den ersten
Leistungstransistor oder den zweiten Leistungstransistor gespeist.
Das bedeutet, dass der gesamte Induktivitätsstrom immer
korrekt, jedoch nur mit einem einzigen Verstärker erfasst
wird.
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Bei
einer Ausführungsform kann der Verstärker so ausgelegt
sein, dass er den Spannungspegel an der ersten Elektrode des ersten
Erfassungstransistors auf den Pegel an der ersten Elektrode des ersten
Leistungstransistors bringt (in der ersten Konfiguration). Der Verstärker
kann so ausgeführt sein, dass er den Spannungspegel an
der ersten Elektrode des zweiten Erfassungstransistors auf den Spannungspegel
der ersten Elektrode des zweiten Leistungstransistors bringt (in
der zweiten Konfiguration). Dies sorgt dafür, dass die
Spannungspegel an allen Elektroden des ersten Erfassungstransistors
in der ersten Zeitperiode im Wesentlichen denjenigen des ersten
Leistungstransistors entsprechen und die Spannungspegel an allen
Elektroden des zweiten Erfassungstransistors während der
zweiten Zeitperiode im Wesentlichen denjenigen des zweiten Leistungstransistors
entsprechen. Ein Strom durch den ersten Leistungstransistor kann
dann auf einfache Weise mit dem ersten Erfassungstransistor erfasst
werden. Ein Strom durch den zweiten Leistungstransistor kann auf
einfache Weise mit dem zweiten Erfassungstransistor erfasst werden.
Gemäß diesem Aspekt der Erfindung wird ein konfigurierbarer
Verstärker zum Einstellen der Spannungspegel an den Erfassungstransistoren
verwendet. Der Verstärker kann so ausgeführt sein,
dass er eine der beiden Spannungen einstellt. Bei der Erfindung
werden vorteilhaft die verschiedenen Schaltphasen (eingeschalteten
Phasen) der Leistungstransistoren verwendet. Da einer der Transistoren
eingeschaltet ist, können die Transistoren separat abgetastet
werden. Der Verstärker ist jedoch so ausgeführt,
dass er für beide Erfassungsverstärker verwendet
wird. Dies verringert im Wesentlichen den Leistungsverbrauch und
die Komplexität der Schaltung.
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Der
Verstärker kann ein Stromeingangsverstärker sein,
der so ausgeführt ist, dass er abwechselnd den Strom durch
den ersten Erfassungstransistor oder den Strom durch den zweiten
Erfassungstransistor empfängt und einen Erfassungsstrom
an einem Ausgang bereitstellt, der von den Strömen durch
den ersten oder durch den zweiten Erfassungstransistor abhängig
ist.
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Bei
einer Ausführungsform kann der Verstärker ein
Stromeingangsverstärker sein, der dann so konfigurierbar
sein kann, dass er in der ersten Konfiguration verwendet wird. Der
Stromeingangsverstärker kann so ausgeführt sein,
dass er an die zweite Elektrode des ersten Leistungstransistors
gekoppelt ist. Der Leistungstransistor kann ein MOSFET sein, und
die zweite Elektrode kann dann der Drain-Anschluss des Leistungs-MOSFETs
sein. Der Stromeingangsverstärker kann einen Stromspiegel
aufweisen, der mit einer Seite an den Drain-Anschluss des Leistungs-MOSFETs
gekoppelt ist. Die andere Seite des Stromspiegels kann dann so ausgeführt
sein, dass sie das Potenzial des Drain-Anschlusses des Leistungs-MOSFETs
auf die zweite Elektrode des ersten Erfassungstransistors spiegelt.
Der erste Erfassungstransistor kann ein MOSFET sein, und die zweite
Elektrode kann der Drain-Anschluss dieses MOSFETs sein. Die Stromspiegelkonfiguration
kann dann dafür sorgen, dass das Potenzial an den Drain-Anschlüssen
des Leistungs-MOSFETs und des Erfassungstransistors im Wesentlichen
gleich ist. Die Aspektverhältnisse des Leistungs-MOSFETs
und des Erfassungs-MOSFETs können so ausgebildet sein,
dass der Strom durch den Erfassungs-MOSFET ein wohl definierter
Teil des Stroms durch den Leistungs-MOSFET ist.
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Die
Verstärkerstufe kann auch so konfigurierbar sein, dass
sie in der zweiten Konfiguration verwendet wird. Der zweite Leistungstransistor
kann dann ein Leistungs-MOSFET sein. Der zweite Erfassungstransistor
kann auch ein MOSFET sein. Die zweiten Elektroden des zweiten Leistungstransistors und
des zweiten Erfassungstransistors können dann die Drain-Anschlüsse
beider Transistoren sein. Der Stromeingangsverstärker kann
dann zwischen der zweiten Elektrode des zweiten Leistungstransistors und
der zweiten Elektrode des zweiten Erfassungstransistors gekoppelt
sein. Dies stellt sicher, dass das Potenzial oder der Spannungspegel
an der zweiten Elektrode des Erfassungstransistors in der zweiten Konfiguration
im Wesentlichen den gleichen Spannungspegel annimmt wie die zweite
Elektrode des zweiten Leistungstransistors. Die erste Konfiguration kann
sich dann auf eine Schaltphase beziehen, in welcher der erste Leistungstransistor
eingeschaltet (leitend) ist und der zweite Leistungstransistor abgeschaltet
ist. Die zweite Konfiguration kann sich dann auf eine Schaltphase
beziehen, in der der zweite Leistungstransistor eingeschaltet und
der erste Leistungstransistor abgeschaltet ist.
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Die
Erfindung stellt auch ein Verfahren zum Messen eines Stroms in einer
Induktivität bereit, der durch Schalten eines ersten Leistungstransistors
und eines zweiten Leistungstransistors gesteuert wird. Das Verfahren
kann ein Verfahren zum Betreiben einer elektronischen Vorrichtung,
wie beispielsweise eines DC-DC-Wandlers, insbesondere eines Abwärts-,
Aufwärts- oder eines Abwärts-/Aufwärts-Wandlers
sein. Ein erster Strom durch den ersten Leistungstransistor kann
in einer ersten Zeitperiode mit einem ersten Erfassungstransistor
erfasst werden. Ein zweiter Strom durch den zweiten Leistungstransistor
kann während einer zweiten Zeitperiode mit einem zweiten
Erfassungstransistor erfasst werden. Ein Verstärker kann
in einer ersten Konfiguration verwendet werden, um einen Ausgangsstrom bereitzustellen,
der während der ersten Zeitperiode von dem ersten Strom
abhängig ist. Der Verstärker kann dann in einer
zweiten Konfiguration verwendet werden, um den Ausgangsstrom während
der zweiten Zeitperiode in Abhängigkeit von dem zweiten Strom
bereitzustellen. Dies stellt sicher, dass nur ein Verstärker
zur Erfassung beider Ströme verwendet werden kann, die
in Kombination den gesamten Induktivitätsstrom angeben.
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Der
Verstärker kann auch in der ersten Konfiguration konfiguriert
sein und verwendet werden, um in der ersten Zeitperiode einen Spannungspegel an
einer Elektrode des ersten Erfassungstransistors einzustellen. Darüber
hinaus kann der Verstärker in der zweiten Konfiguration
konfiguriert sein und verwendet werden, um während der
zweiten Zeitperiode einen Spannungspegel an einer Elektrode des
zweiten Erfassungstransistors einzustellen. Dies sorgt dafür,
dass der gleiche Verstärker verwendet werden kann, um nacheinander
Spannungspegel des ersten Erfassungstransistors und des zweiten
Erfassungstransistors einzustellen. Die Komplexität der
Schaltung wird verringert, und die Genauigkeit der Messung ist hoch.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Aspekte der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.
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1 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild einer Schaltung zur Messung eines Stroms
durch eine Induktivität gemäß dem Stand
der Technik;
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2 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild einer elektronischen Vorrichtung zur
Aufwärtswandlung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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3 zeigt
einige Änderungen der Ausführungsform aus 2;
und
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4 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild einer elektronischen Vorrichtung zur
Abwärtswandlung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
EINER BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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2 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild einer elektronischen Vorrichtung 1 zur
Aufwärtswandlung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung. Die elektronische Vorrichtung kann eine integrierte
elektronische Vorrichtung, wie etwa eine integrierte Halbleiterschaltung
zur DC-DC-Umwandlung und insbesondere ein Aufwärtswandler
sein. Einige Teile der elektronischen Vorrichtung können
nicht integriert sein, wie beispielsweise die Induktivität
L oder der Bufferkondensator CL. Die primäre Spannungsversorgung
VIN kann extern an die Vorrichtung angelegt werden. Die Leistungstransistoren
MD und MSW können entweder integriert oder extern sein.
Die Ausgangsspannung VOUT wird durch DC-DC-Umwandlung von der Eingangsspannung
VIN abgeleitet. Dies wird mit Leistungsschaltern MD und MSW durchgeführt.
In dieser Ausführungsform sind die beiden Schalter Leistungs-MOSFETs.
Das Bezugszeichen MD bezieht sich auf die Tatsache, dass dieser
MOSFET mit einer Diode ersetzt werden kann. Der andere Transistor
MSW kann auch als Hauptschalter bezeichnet werden. Die beiden Transistoren
MD und MSW werden abwechselnd mit Steuersignalen GD und GS ein-
und ausgeschaltet, die an die Steuergates der Transistoren angelegt
werden. Die Signale können in einer Steuerstufe erzeugt
und in einem Gatetreiber zwischengespeichert werden, die beide nicht
gezeigt sind. Die Steuerstufe und der Gatetreiber können
auch in der elektronischen Vorrichtung 1 integriert sein.
Die Signale GD und GS können nicht überlappende
Taktsignale sein. Die Signale GD und GS können auch pulsbreitenmoduliert
sein, um den Ausgangsspannungspegel und/oder den Induktivitätsstrom
IL einzustellen und zu steuern. Die Transistoren MDS und MSWS sind
der erste und der zweite Erfassungstransistor. Die Erfassungstransistoren werden
zur Erfassung der Ströme durch den entsprechenden Leistungstransistor
MD und MSW verwendet. Die Schaltung 100 ist so ausgeführt,
dass sie einen Erfassungsstrom ISENSE bereitstellt, der proportional
zum Strom IL durch die Induktivität L ist. Der Strom IL
durch die Induktivität L entspricht entweder dem Strom
durch den ersten Leistungstransistor MD oder durch den zweiten Leistungstransistor
MSW, da nur einer der beiden Transistoren auf einmal eingeschaltet
ist.
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Das
Steuergate des ersten Erfassungstransistors MDS empfängt
auch das Treibersignal GD für den ersten Leistungstransistor
MD. Die Source-Anschlüsse der Transistoren MD und MDS sind
beide an eine Seite der Induktivität L, d. h. an den Knoten VIND
gekoppelt. Der Drain-Anschluss des Leistungstransistors MD stellt
die Ausgangsspannung VOUT bereit. Das Steuergate des zweiten Erfassungstransistors
MSWS wird auch mit dem Treibersignal GS angesteuert, das für
den zweiten Leistungstransistor MSW verwendet wird. Die Source-Anschlüsse
von MSW und MSWS sind beide an Masse gekoppelt. Der Drain-Anschluss
des Transistors MSW ist an den Knoten VIND, d. h. an die Source-Anschlüsse
der Transistoren MD und MDS, und an eine Seite der Induktivität
L gekoppelt. Das bedeutet, dass die Erfassungstransistoren MDS und
MSWS sowie ihre entsprechenden Leistungstransistoren MD und MSW
an ihren Steuergates und ihren Source-Anschlüssen zusammengekoppelt
sind. Die Drain-Anschlüsse der Erfassungstransistoren MDS
und MSWS sind durch die Schalter S7 und S2 an einen Verstärker
gekoppelt.
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Der
Verstärker weist die Transistoren M1, M2, M3, M4, M5, M6,
M7 und M8 und die Schalter S1 bis S7 auf. Der Verstärker
kann durch die Schalter konfiguriert werden. Der Verstärker
ist im Allgemeinen so konfiguriert, dass er eine erste Konfiguration und
eine zweite Konfiguration annimmt. Die erste Konfiguration wird
während einer ersten Zeitperiode angenommen, in der alle
mit F1 bezeichneten Schalter geschlossen (leitend) und die mit F2
bezeichneten Schalter offen (nicht leitend) sind. Während
der zweiten Zeitperiode sind alle mit F2 bezeichneten Schalter geschlossen
(leitend), und die weiteren Schalter, die mit F1 bezeichnet sind,
sind offen (nicht leitend).
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Die
Basisstufe des Stromverstärkers weist die Transistoren
M3, M4, M5, M6 und die Stromquelle I0 auf. Alle Transistoren M3
bis M6 können die gleichen Abmessungen haben (d. h. beispielsweise
das gleiche Verhältnis Breite/Länge ihrer Kanäle).
Dies sorgt dafür, dass jeder Transistor M3 bis M6 den gleichen
Drain-Strom ID = I0/2 hat. Die Stromverstärkerstufe weist
ferner einen Stromspiegel M1, M2, Transistoren M7 und M8 und Schalter
S1 bis S7 auf.
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In
der ersten Konfiguration dient der Verstärker dazu, eine
Spannung am Drain-Anschluss des Erfassungstransistors MDS (Knoten
V3) zu erzeugen, die nahe der aktuellen Ausgangsspannung VOUT an
dem Drain-Anschluss des Leistungstransistors MD ist oder dieser
entspricht. Der Verstärker bringt den Spannungspegel am
Knoten V3 näher an den Ausgangsspannungspegel VOUT. In
der zweiten Konfiguration dient der Verstärker dazu, eine
Spannung am Drain-Anschluss des Erfassungstransistors MSWS (Knoten
V1) zu erzeugen, die der Spannung am Drain-Anschluss (Knoten V2)
des Leistungstransistors MSW, d. h. der Spannung VIND entspricht. Das
bedeutet, dass in der ersten Konfiguration der erste Erfassungstransistor
MDS die gleichen Spannungspegel am Drain (V3 VOUT), am Source-Anschluss
(VIND) und am Steuergate (GD) wie der Leistungstransistor MD empfängt.
Somit ist der Strom durch MDS eine wohldefinierte Funktion des Stroms
durch den Leistungstransistor (er kann beispielsweise dazu proportional
sein). Der Strom durch den Erfassungstransistor MDS kann dann von
den Aspektverhältnissen (Kanalbreite zu Kanallänge)
der Transistoren MD und MDS abhängig sein. In der zweiten Konfiguration
ist der Strom durch den Leistungstransistor MSWS proportional zum
Strom durch den Leistungstransistor MSW. Der Strom durch den Erfassungstransistor
MDS ist von den Aspektverhältnissen (Kanalbreite zu Kanallänge)
der Transistoren MSW und MSWS abhängig.
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Der
Verstärker weist die Transistoren M1 bis M8 auf. Der Transistor
M1 ist mit seinem Source-Anschluss an VOUT gekoppelt. Das Steuergate
und der Drain-Anschluss des Transistors M1 sind zusammengekoppelt
(diodengekoppelt) und an den Drain-Anschluss des Transistors M3
gekoppelt. Das Gate des Transistors M1 ist an das Gate des Transistors
M2 gekoppelt. Der Source-Anschluss des Transistors M2 ist an den
Knoten V3 gekoppelt. Der Knoten V3 ist an eine Seite des Schalters
S6 gekoppelt. Die andere Seite des Schalters S6 ist an VOUT gekoppelt.
Der Drain-Anschluss des Transistors M2 ist an den Drain-Anschluss
des Transistors M6 gekoppelt. Die Gates der Transistoren M3, M4,
M5 und M6 sind zusammengekoppelt. Der Drain-Anschluss des Transistors
M6 ist an den Drain-Anschluss des Transistors M2 gekoppelt. Der
Source-Anschluss des Transistors M6 ist an den Knoten V2 gekoppelt.
Die Drain-Anschlüsse und Gates der Transistoren M4 und
M5 sind zusammengekoppelt und an eine Stromquelle I0 gekoppelt.
Der Source-Anschluss des Transistors M4 ist an den Knoten V1 gekoppelt,
und der Source-Anschluss des Transistors M5 ist an den Knoten V2
gekoppelt. Der Source-Anschluss des Transistors M3 ist auch an den
Knoten V1 gekoppelt. Der Knoten V1 ist an die Schalter S3 und S2
gekoppelt, um entweder auf den Drain-Anschluss des Erfassungstransistors
MSWS oder Masse geschaltet zu werden. Der Knoten V2 ist an die Schalter
S1 und S4 gekoppelt, um entweder auf den Drain-Anschluss des Leistungstransistors
MSW (Knoten VIND) oder Masse geschaltet zu werden. Die Schalter
S1 und S2 werden mit dem Gatetreibersignal GS des Leistungstransistors
MSW angesteuert, während die Schalter S3 und S4 mit dem
invertierten Treibersignal GS angesteuert werden. Das bedeutet,
dass entweder die Schalter S1, S2 oder die Schalter S3, S4 leitend
sind. Ein Inverter I1 kann vorgesehen sein, um das invertierte Signal
GS zu erzeugen. Die Schalter S7 und S8 werden mit dem angesteuerten
Treibersignal GD des Leistungstransistors MD angesteuert. Das invertierte Gatetreibersignal
GD wird zur Ansteuerung des Schalters S6 verwendet. Das bedeutet,
dass entweder die Schalter S7 und S8 oder der Schalter S6 leitend
sind/ist. Ein Inverter I2 kann vorgesehen sein, um das invertierte Gatetreibersignal
GD für den Schalter GD zu erzeugen. Darüber hinaus
gibt es Transistoren M7 und M8, deren Steuergates an die Drain-Anschlüsse
der Transistoren M2 und M6 gekoppelt sind. Der Drain-Anschluss des
Transistors M7 ist an den Schalter S5 gekoppelt, um selektiv an den
Knoten V3 gekoppelt zu werden. Der Source-Anschluss des Transistors
M7 ist an den Knoten V2, d. h. entweder über den Schalter
S1 an den Drain-Anschluss des Leistungstransistors MSW oder über
den Schalter S4 an Masse gekoppelt. Der Drain-Anschluss des Transistors
M8 ist an den Knoten V1, d. h. entweder über den Schalter
S2 an den Drain-Anschluss des Erfassungstransistors MSWS oder über den
Schalter S3 an Masse gekoppelt. Der Drain-Anschluss des Transistors
M8 stellt den Erfassungsstrom ISENSE bereit, der von dem Strom durch
die Induktivität L abhängig ist (beispielsweise
proportional dazu ist).
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Der
Verstärker ist so konfiguriert, dass er dafür
sorgt, dass entweder der Strom durch MDS, der proportional zu dem
Strom durch MD ist, oder der Strom durch MSWS, der proportional
zu dem Strom durch MSW ist, dazu verwendet wird, den Strom ISENSE
durch den Transistor M8 zu definieren. Der Strom ISENSE kann dann
als Indikator für die Höhe des Stroms durch die
Induktivität verwendet werden, da er von dem Strom durch
den Leistungstransistor MD oder dem Strom durch den Leistungstransistor MSW
abhängig ist (oder sogar proportional dazu ist). Da nur
einer der Leistungstransistoren MD oder MSW eingeschaltet ist, geben
die Ströme durch die Transistoren den Strom durch die Induktivität
L an.
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Der
Verstärker arbeitet als Stromeingangsverstärker.
In der ersten Konfiguration (Phase F1) ist ein Stromspiegel M1,
M2 zwischen dem Knoten V3 und VOUT gekoppelt. Die Schalter S3, S4,
S5 und S7 sind geschlossen (leitend). Die Schalter S1, S2 und S6
sind offen (nicht leitend). Der Strom ISDS, der im Wesentlichen
proportional zu dem Strom ID durch den Transistor MD ist, wird in
den Transistor M7 und von dort zu Masse gespeist. ID ist jedoch
gleich dem Strom IL durch die Induktivität L, da der Leistungsschalter
MSW abgeschaltet ist (nicht leitend ist). Da die Spannungspegel
an den Knoten V1 und V2 gleich und über die Schalter S3,
84 an Masse gekoppelt sind, kann der Strom ISENSE durch den Transistor M8
eine wohldefinierte Funktion des Stroms ISDS durch M7 sein. Der
Strom ISENSE durch M8 kann proportional zu dem Strom ISDS durch
M7 sein. Wenn der Strom IL steigt, steigen auch der Strom ID und
der Strom ISDS. Der zusätzliche Strom führt dazu,
dass der Spannungspegel am Steuergate des Transistors M7 steigt
und die Transistoren M7 und M8 ihre Drain-Ströme erhöhen,
bis der Drain-Strom M6 gleich I0/2 ist. Dieser Steuermechanismus
wird dazu verwendet, sicherzustellen, dass der Strom durch M8 von
dem Induktivitätsstrom IL abhängig ist (z. B.
proportional dazu ist).
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In
der zweiten Konfiguration (Phase F2) ist der Knoten V3 an VOUT gekoppelt.
Der Transistor M7 ist durch den Schalter S5 von dem Knoten V3 entkoppelt.
Die Knoten V1 und V2 (d. h. die Source-Anschlüsse der Transistoren
M3 bis M6) sind an die Drain-Anschlüsse der Transistoren
MSWS bzw. MSW gekoppelt. Der Strom ISWS durch den Erfassungstransistor
MSWS ist von dem Strom ISW durch den Leistungstransistor MSW abhängig.
Der Leistungstransistor MSW und der Erfassungstransistor MSWS empfangen
beide den halben Arbeitsstrom I0 (I0/2). Der variable Anteil des
Stroms durch MSW ist ISW. Der variable Anteil des Stroms durch MSWS
ist ISENSE. Die Stromspiegelkonfiguration mit den Transistoren M3,
M4, M5, M6 und den Transistoren M1 und M2 sorgt dafür,
dass der Spannungspegel am Knoten V1 auf den Knoten V2 gespiegelt
wird und die Drain-Anschlüsse der Transistoren MSW und MSWS
den gleichen Spannungspegel haben. ISENSE reflektiert dann die Höhe
und die Änderungen des Stroms ISW. ISW ist jedoch gleich
dem Strom IL durch die Induktivität L.
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Die
Stromverstärkerstufe 100 stellt mindestens einen
ersten Knoten (V3) bereit, der in der ersten Konfiguration einen
ersten Spannungspegel annimmt, und mindestens einen zweiten Knoten
(V1), der in der zweiten Konfiguration einen zweiten Spannungspegel
annimmt. Der Spannungspegel am ersten Knoten ändert sich
in der zweiten Konfiguration. Der Spannungspegel am zweiten Knoten ändert
sich in der ersten Konfiguration Der erste Knoten ist in der zweiten
Konfiguration an einen Versorgungsspannungspegel gekoppelt (in dieser
Ausführungsform handelt es sich um den positiven Versorgungsspannungspegel,
die Ausgangsspannung VOUT). In der ersten Konfiguration ist der
zweite Knoten an einen Versorgungsspannungspegel gekoppelt (in dieser Ausführungsform
handelt es sich um den negativen Versorgungsspannungspegel, Masse
GND). Das bedeutet, dass der erste Knoten und der zweite Knoten auf
einer ersten und einer zweiten Seite des Stromverstärkers,
die gegenüberliegen, angeordnet sein können (zum
Beispiel auf einer ersten Seite, die an den positiven Versorgungsspannungspegel
gekoppelt ist, und einer zweiten Seite, die an den negativen Versorgungsspannungspegel
gekoppelt ist).
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3 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung. Die elektronische Vorrichtung 1 kann eine
Schaltung 100 aufweisen, die im Wesentlichen der Schaltung 100,
die in 2 gezeigt ist, ähnlich ist. Teile und
Komponenten mit den gleichen Bezugszeichen haben die gleiche Funktionalität
wie in 3. Diese Ausführungsform ist jedoch so
ausgeführt, dass sie ohne die in 2 gezeigten
Schalter S7 und S6 arbeitet. Der Schaltvorgang und die zeitliche
Abstimmung der Schalter S6 und S7 kann besonders anspruchsvoll und
schwer einstellbar sein. Es kann somit vorteilhaft sein, die Widerstände
R1 und R2 zwischen VOUT und den Drain-Anschlüssen der Transistoren
M1 bzw. M2 zu koppeln. Die Schalter S7 und 56 können dann
weggelassen werden. Auch ohne die Schalter S6, S7 arbeitet die Schaltung 100 wie
oben beschrieben, und der Strom ISENSE kann weiterhin von dem Induktivitätsstrom
IL abhängig sein.
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4 zeigt
ein vereinfachtes Schaltbild einer elektronischen Vorrichtung 1 zur
Abwärtswandlung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung. Die elektronische Vorrichtung 1 kann eine
integrierte elektronische Vorrichtung wie etwa eine integrierte Halbleiter-Schaltung
zur DC-DC-Umwandlung, insbesondere ein Abwärtswandler sein.
Einige Teile der elektronischen Vorrichtung können nicht
integriert sein, wie etwa die Induktivität L oder der Bufferkondensator
CL. Die primäre Spannungsversorgung VIN kann extern an
die Vorrichtung angelegt werden. Die Leistungstransistoren MD und
MSW können entweder integriert oder extern sein. Ähnlich
wie die Ausführungsformen aus 2 und 3 werden
die beiden Transistoren MD und MSW abwechselnd mit den Steuersignalen
GD und GS, die an die Steuergates der Transistoren angelegt werden,
ein- und abgeschaltet. Die elektronische Vorrichtung 1 kann
auch entsprechende Steuer- und Treiberstufen zur Erzeugung der Signale
GD und GS aufweisen, die nicht gezeigt sind. Die Treibersignale
GS und GD können nicht überlappende Taktsignale
mit der gleichen Taktfrequenz sein. Sie können in Übereinstimmung
mit einem Pulsbreitenmodulationsschema moduliert sein, um den Ausgangsspannungspegel
VOUT und/oder den Induktivitätsstrom IIND einzustellen
und zu steuern. Die Schaltung 100 arbeitet im Wesentlichen ähnlich
wie die Schaltung 100 aus den 2 und 3.
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Der
Transistor M1 ist entweder mit seinem Source-Anschluss an VIN oder
an VIND gekoppelt. Das Steuergate und der Drain-Anschluss des Transistors
M1 sind zusammengekoppelt (diodengekoppelt). Der Drain-Anschluss
des Transistors M1 ist auch an den Drain-Anschluss des Transistors
M3 gekoppelt. Das Gate des Transistors M1 ist an das Gate des Transistors
M2 gekoppelt. Der Source-Anschluss des Transistors M2 ist an den
Knoten V3 gekoppelt. Der Knoten V3 ist an einen Schalter S6 gekoppelt, dessen
andere Seite an VIN gekoppelt ist. Der Drain-Anschluss des Transistors
M2 ist an den Drain-Anschluss des Transistors M6 gekoppelt. Die Gates
der Transistoren M3, M4, M5 und M6 sind zusammengekoppelt. Der Drain-Anschluss
des Transistors M6 ist an den Drain-Anschluss des Transistors M2
gekoppelt. Der Source-Anschluss des Transistors M6 ist an den Knoten
V2 gekoppelt. Die Drain-Anschlüsse und Gates der Transistoren
M4 und M5 sind zusammengekoppelt und an eine Stromquelle I0 gekoppelt.
Der Source-Anschluss des Transistors M4 ist an den Knoten V1 gekoppelt,
und der Source-Anschluss des Transistors M5 ist an den Knoten V2
gekoppelt. Der Source-Anschluss des Transistors M3 ist auch an den
Knoten V1 gekoppelt. Der Knoten V1 ist an die Schalter S3 und S4
gekoppelt, um entweder auf die Quelle des Erfassungstransistors
MDS oder auf Masse geschaltet zu werden. Der Knoten V2 ist an Masse
GND gekoppelt. Die Schalter S1, S2 und S5 werden mit dem Gatetreibersignal
GS des Leistungstransistors MSW angesteuert, während die
Schalter S6 und S7 mit dem invertierten Treibersignal GS angesteuert
werden. Es kann ein Inverter I1 zur Erzeugung des invertierten Treibersignals
vorgesehen sein. Der Schalter S4 wird mit dem Treibersignal GD für
den Leistungstransistor MD angesteuert. Das invertierte Gatetreibersignal GD
wird zur Ansteuerung des Schalters S3 verwendet. Es kann ein Inverter
I2 zur Erzeugung des invertierten Gatetreibersignals vorgesehen
sein. Darüber hinaus gibt es Transistoren M7 und M8, deren
Steuergates an die Drain-Anschlüsse der Transistoren M2 und
M6 gekoppelt sind. Der Drain-Anschluss des Transistors M7 ist an
den Schalter S5 gekoppelt, um während der Phase F1 selektiv
mit dem Knoten V3 verbunden zu werden. Der Source-Anschluss des Transistors
M7 ist an den Knoten V2, d. h. entweder über den Schalter
S1 an den Drain-Anschluss des Leistungstransistors MSW oder über
den Schalter S4 an Masse gekoppelt. Der Drain-Anschluss des Transistors
M8 ist an den Knoten V1, d. h. entweder über den Schalter
S4 an den Source-Anschluss des Erfassungstransistors MDS oder über
den Schalter S3 an Masse gekoppelt. Der Drain-Anschluss des Transistors
M8 stellt den Erfassungsstrom ISENSE bereit, der so ausgebildet
sein kann, dass er von dem Strom IIND durch die Induktivität
L abhängig ist (zum Beispiel proportional dazu ist).
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Die
Transistoren MDS und MSWS bilden den ersten und zweiten Erfassungstransistor
und sind so ausgeführt, dass sie die Ströme durch
die entsprechenden Leistungstransistoren MD und MSW erfassen. Die
Schaltung 100 ist im Allgemeinen so ausgeführt,
dass sie einen Erfassungsstrom ISENSE bereitstellt, der proportional
zu dem Strom IIND durch die Induktivität L ist, der entweder
dem Strom durch den ersten Leistungstransistor MD oder den zweiten Leistungstransistor
MSW entspricht, von denen nur einer auf einmal eingeschaltet ist.
Die elektronische Vorrichtung wandelt die Eingangsspannung VIN in die
Ausgangsspannung VOUT um, die am Kondensator CL zwischengespeichert
wird.
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Das
Steuergate des ersten Erfassungstransistors MDS empfängt
auch das Treibersignal GD für den ersten Leistungstransistor
MD. Die Drain-Anschlüsse der Transistoren MD und MDS sind
beide an eine Seite der Induktivität L, d. h. an den Knoten VIND
gekoppelt. Der Source-Anschluss des Leistungstransistors MD ist
an Masse GND gekoppelt. Das Steuergate des zweiten Erfassungstransistors MSWS
wird auch mit dem Treibersignal GS angesteuert, das für
den zweiten Leistungstransistor MSW verwendet wird. Die Drain-Anschlüsse
von MSW und MSWS sind beide an VIN gekoppelt. Der Source-Anschluss
des Transistors MSW ist an den Knoten VIND gekoppelt, d. h. er ist
auch an die Drain-Anschlüsse der Transistoren MD und MDS
und an eine Seite der Induktivität L gekoppelt. Das bedeutet,
dass die Erfassungstransistoren MDS und MSWS und ihre jeweiligen
Leistungstransistoren MD und MSW an ihren Steuergates und ihren
Drain-Anschlüssen zusammengekoppelt sind. Die Source-Anschlüsse
der Erfassungstransistoren MDS und MSWS und der Source-Anschluss
des Leistungstransistors MSW können über die Schalter
S4, S1 und S2 selektiv an den Stromeingangsverstärker gekoppelt
werden.
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Der
Verstärker weist die Transistoren M1, M2, M3, M4, M5, M6,
M7 und M8 und die Schalter S1 bis S7 auf. Der Verstärker
kann durch die Schalter S1 bis S7 konfiguriert werden. Der Verstärker
ist so konfiguriert, dass er wie zuvor beschrieben während
einer Phase F1 eine erste Konfiguration und während einer
Phase F2 eine zweite Konfiguration annimmt.
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In
der Phase F1 sind die Schalter S1, S2, S3 und S5 leitend, und der
Leistungstransistor MSW und der Erfassungstransistor MSWS sind eingeschaltet (das
Signal GS ist hoch und das Signal GD ist niedrig). Die Transistoren.
M3, M4, M5 und M6 werden mit der Stromquelle I0 vorgespannt. Jeder
Transistor M3 bis M6 hat einen Drain-Strom I0/2. Dieser Drain-Strom
fließt auch durch die Transistoren M1 und M2 (Stromspiegel)
und durch die Transistoren MSW und MSWS. Die Spannungspegel an den
Knoten V3 und V4 sind im Wesentlichen die Gleichen. Das bedeutet,
dass die Transistoren MSW und MSWS in der Phase F1 am Drain-Anschluss,
am Gate und am Source-Anschluss die gleichen Spannungspegel haben.
Wenn der Induktivitätsstrom IIND durch die Induktivität
L steigt, steigen auch der Strom ISW durch MSW und der Strom ISWS
durch MSWS. Die Transistoren M3 und M6 sind auf einen Drain-Strom
von I0/2 vorgespannt. Wenn mehr Strom in M2 und M6 eingespeist wird,
fließt der zusätzliche Strom durch den Transistor
M7. Die Gatespannung des Transistors M7 steigt, wenn der Strom ISWS steigt,
und sinkt, wenn der Strom ISWS sinkt. Der Transistor M8 hat die
gleiche Source- und Gatespannung wie der Transistor M7. Somit ist
der Drain-Strom ISENSE des Transistors M8 von dem Induktivitätsstrom
IIND abhängig (z. B. proportional dazu).
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In
der zweiten Konfiguration während der Phase F2 wird der
Strom durch den Transistor MD mit dem Transistor MDS und mit dem
gleichen Stromverstärker mit den Transistoren M1 bis M8
und den Schaltern S1 bis S7 erfasst. In der Phase F2 sind die Schalter
S1, S2, S3 und S5 nicht leitend, und die Schalter S4, S6 und S7
sind leitend. Der Induktivitätsstrom IIND wird nun durch
den Transistor MD als Strom ID eingespeist. Der Strom ID fließt
von Masse zu VIND und dann durch die Induktivität L. Die
Spannungspegel V1 und V2 an der niedrigeren Seite des Stromverstärkers
sind nun im Wesentlichen gleich. Der Ruhewert des Stroms ISDS (und
somit auch von ISENSE) ist I0. Wenn IIND steigt, steigt auch ID.
Dies führt zu einer Erhöhung der Gatespannung
des Transistors M8 und somit zu einem steigenden ISENSE. Wenn IIND
sinkt, sinkt auch die Gatespannung des Transistors M8, und ISENSE
sinkt. Somit ist auch in der Phase F2 der Drain-Strom ISENSE des
Transistors M8 von dem Induktivitätsstrom IIND abhängig
(z. B. proportional dazu). Der Strom durch die Erfassungstransistoren
MDS, MSWS und somit der Erfassungsstrom ISENSE kann dann eine Funktion
der Aspektverhältnisse (Kanalbreite zu Kanallänge)
der Transistoren MD, MSW bzw. MDS, MSWS sein.
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Der
Stromverstärker ist so ausgeführt, dass er dafür
sorgt, dass entweder der Strom durch MDS, der proportional zu dem
Strom durch MD ist, oder der Strom durch MSWS, der proportional
zu dem Strom durch MSW ist, dazu verwendet wird, den Strom ISENSE
durch den Transistor M8 zu definieren. Der Strom ISENSE kann dann
als Indikator für die Höhe des Stroms durch die
Induktivität verwendet werden, da er entweder von dem Strom
durch den Leistungstransistor MD oder dem Strom durch den Leistungstransistor
MSW abhängig ist (oder sogar proportional dazu ist). Da
nur einer der Leistungstransistoren MD oder MSW eingeschaltet ist,
geben die Ströme durch die Transistoren den Strom durch
die Induktivität L an.
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Die
Erfindung wurde im Vorhergehenden zwar anhand besonderer Ausführungsformen
beschrieben, sie ist jedoch nicht auf diese Ausführungsformen
beschränkt, und der Fachmann wird zweifellos weitere Alternativen
finden, die im Umfang der Erfindung, wie sie beansprucht ist, liegen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 5731731
B1 [0002]
- - US 5420777 B1 [0002]
- - US 6377034 B1 [0003]