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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung und auf ein Verfahren zum Abschalten einer Spannungsversorgung, die beispielsweise zum Betrieb einer integrierten Schaltung eingesetzt werden kann.
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Einer integrierten Schaltung können während des Betriebs zeitgleich unterschiedliche Versorgungsspannungen zugeführt werden. An die Versorgungsspannungen werden sowohl während des Betriebs als während eines Abschaltens der integrierten Schaltung hohe Anforderungen gestellt.
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Vor diesem Hintergrund schafft die vorliegende Erfindung eine verbesserte Vorrichtung zur Spannungsversorgung und ein verbessertes Verfahren zum Abschalten einer Spannungsversorgung gemäß den Hauptansprüchen. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass ein Schaltelement genutzt werden kann, um sicherzustellen, dass ein vorbestimmtes Verhältnis zwischen unterschiedlichen Versorgungsspannungen eingehalten wird. Die unterschiedlichen Versorgungsspannungen können zum Betrieb einer integrierten Schaltung vorgesehen sein. Das Verhältnis kann sich auf eine Differenzspannung zwischen den unterschiedlichen Versorgungsspannungen beziehen. Das Schaltelement ermöglicht es insbesondere, dass das vorbestimmte Verhältnis auch während eines Abschaltens der Versorgungsspannungen eingehalten werden kann. Auf diese Weise kann eine Abschaltreihenfolge der Versorgungsspannungen beeinflusst werden. Es kann beispielsweise sichergestellt werden, dass eine erste Versorgungsspannung erst dann auf einen vorbestimmten Wert abfallen kann, wenn auch eine zweite Versorgungsspannung auf einen vorbestimmten Wert abgefallen ist. Somit kann während des Abschaltens das Absinken der unterschiedlichen Versorgungsspannungen synchronisiert werden.
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Die vorliegende Erfindung schafft eine Vorrichtung zur Spannungsversorgung, mit folgenden Merkmalen:
einer ersten Leitung mit einem ersten Anschluss zum Aufnehmen einer ersten Versorgungsspannung und einem zweiten Anschluss zum Abgeben der ersten Versorgungsspannung;
einer zweiten Leitung mit einem dritten Anschluss zum Aufnehmen einer zweiten Versorgungsspannung und einem vierten Anschluss zum Abgeben der zweiten Versorgungsspannung;
einem Schalter, der in der ersten Leitung angeordnet ist;
einer Steuerung, die ausgebildet ist, um den Schalter abhängig von einem Verhältnis zwischen der ersten Versorgungsspannung und der zweiten Versorgungsspannung zu betätigen; und
einer Verbindung, die ausgebildet ist, um den zweiten Anschluss mit dem vierten Anschluss zu verbinden.
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Die Vorrichtung kann eingesetzt werden, um einen elektrischen Schaltkreis mit der ersten und der zweiten Versorgungsspannung zu versorgen. Bei dem elektrischen Schaltkreis kann es sich um eine integrierte Schaltung, beispielsweise einen Prozessor, ASIC oder FPGA handeln. Der zweite Anschluss der Vorrichtung kann mit einem ersten Versorgungsspannungseingang und der vierte Anschluss der Vorrichtung kann mit einem zweiten Versorgungsspannungseingang des elektrischen Schaltkreises verbunden werden. Verbunden kann hier generell als elektrisch leitend verbunden verstanden werden, beispielsweise unter Verwendung einer elektrischen Leitung oder Leiterbahn. Während eines Normalbetriebs der Vorrichtung kann die erste Versorgungsspannung einen Wert aufweisen, der um einen vorbestimmten Wert größer als ein Wert der zweiten Versorgungsspannung ist. Während eines Abschaltvorgangs der Vorrichtung kann sowohl die erste Versorgungsspannung als auch die zweite Versorgungsspannung bis auf Null abfallen. Durch den Schalter, die Steuerung und die Verbindung kann gewährleistet werden, dass die erste Versorgungsspannung und die zweite Versorgungsspannung während des Abschaltvorgangs in einem vorbestimmten Verhältnis zueinander stehen. Das Verhältnis kann eine Differenzspannung zwischen der ersten Versorgungsspannung und der zweiten Versorgungsspannung definieren. So kann gewährleistet werden, dass die Differenzspannung einen vorbestimmten Wert nicht überschreitet, wenn die erste Versorgungsspannung kleiner als die zweite Versorgungsspannung ist. Größer bzw. kleiner kann in Bezug auf die Spannungen als betragsmäßig größer bzw. betragsmäßig kleiner verstanden werden. Die Differenzspannung kann somit einen negativen Wert aufweisen, wenn ein aktueller Wert der ersten Versorgungsspannung während des Abschaltvorgangs auf einen Wert fällt, der kleiner als ein aktueller Wert der zweiten Versorgungsspannung ist. Der Schalter ist ausgebildet, um in einem geschlossenen Zustand einen Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zuzulassen. Dabei kann der Schalter einen sehr geringen elektrischen Widerstand aufweisen. Ferner ist der Schalter ausgebildet, um in einem geöffneten Zustand einen Stromfluss zwischen dem ersten Anschluss und dem zweiten Anschluss zu verhindern. Dabei kann der Schalter einen sehr hohen Widerstand aufweisen. Die Steuerung ist ausgebildet, um den Schalter abhängig von dem Verhältnis zwischen den Versorgungsspannungen zu öffnen, offen zu halten, zu schließen oder geschlossen zu halten. Dazu kann die Steuerung ausgebildet sein, um die erste Versorgungsspannung und die zweite Versorgungsspannung zu erfassen. Die Steuerung kann ausgebildet sein, um den Schalter basierend auf einer Differenz zwischen der ersten Spannung und der zweiten Spannung anzusteuern. Dazu kann die Steuerung aus passiven Bauelementen, beispielsweise Widerständen aufgebaut sein. Alternativ kann die Steuerung aktive Bauelemente umfassen. Über die Verbindung können die Leitungen sowohl während eines Normalbetriebs der Vorrichtung als auch während des Abschaltvorgangs elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Besteht die Verbindung nur während des Abschaltvorgangs oder nur wenn der Schalter geöffnet ist, so kann die Verbindung ein Schaltelement umfassen, das entsprechend dem Schalter von der Steuerung gesteuert wird.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Verbindung ein Widerstand sein. Der Widerstand kann die erste Leitung mit der zweiten Leitung verbinden. Dadurch kann bei geöffnetem Schalter eine an dem zweiten Anschluss anliegende Spannung der zweiten Versorgungsspannung nachgeführt werden. Umso größer ein Wert des Widerstands ist, umso größer ist der Unterschied zwischen der Spannung an dem zweiten Anschluss und der zweiten Versorgungsspannung. Der Wert des Widerstands kann so gewählt werden, dass der Unterschied eine vorbestimmte Differenzspannung nicht überschreitet. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass sich die Spannung an dem zweiten Anschluss maximal um die vorbestimmte Differenzspannung von der Spannung an dem vierten Anschluss unterscheidet.
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Beispielsweise kann die Steuerung ausgebildet sein, um den Schalter zu schließen, wenn die erste Versorgungsspannung größer als die zweite Versorgungsspannung ist und den Schalter zu öffnen, wenn die erste Versorgungsspannung kleiner als die zweite Versorgungsspannung ist. Somit kann der Schalter während des Normalbetriebs, bei dem die erste Versorgungsspannung größer als die zweite Versorgungsspannung ist, durchgängig geschlossen sein. Auch während des Abschaltvorgangs kann der Schalter geschlossen bleiben, solange die erste Versorgungsspannung größer als die zweite Versorgungsspannung ist. Erst wenn die erste Versorgungsspannung unter einen Wert der ersten Versorgungsspannung fällt, wird der Schalter geöffnet. Dabei kann eine Differenzspannung eingestellt sein, so dass der Schalter erst geöffnet wird, wenn die erste Versorgungsspannung einen Wert annimmt, der der um die Differenzspannung reduzierten zweiten Versorgungsspannung entspricht.
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Somit kann die Vorrichtung ausgebildet sein, um den Schalter geschlossen zu halten, solange die erste Versorgungsspannung größer als die um einen vorbestimmten Differenzwert reduzierte zweite Versorgungsspannung ist. Ferner kann die Vorrichtung ausgebildet sein, um den Schalter zu öffnen, wenn die erste Versorgungsspannung kleiner als die die um den vorbestimmten Differenzwert reduzierte zweite Versorgungsspannung ist. Der Differenzwert kann durch eine Spezifikation einer durch die Vorrichtung mit den Versorgungsspannungen versorgten Schaltung vorgegeben sein. Die Spezifikation der Schaltung kann beispielsweise vorgeben, dass die erste Versorgungsspannung während des gesamten Betriebs der Schaltung größer als die um den Differenzwert reduzierte zweite Versorgungsspannung bleiben muss.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst die Steuerung einen Spannungsteiler, der den ersten Anschluss mit dem dritten Anschluss verbindet. Auf diese Weise erhält die Steuerung fortlaufend Informationen über aktuelle Werte der ersten Versorgungsspannung und der zweiten Versorgungsspannung.
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Beispielsweise kann die Steuerung eine Reihenschaltung aus einem ersten Widerstand und einem zweiten Widerstand umfassen. Ein erster Kontakt des ersten Widerstands kann mit dem ersten Anschluss, ein zweiter Kontakt des ersten Widerstands mit einem Steuereingang des Schalters, ein erster Kontakt des zweiten Widerstands mit dem dritten Anschluss und ein zweiter Kontakt des zweiten Widerstands mit dem Steuereingang des Schalters verbunden sein. Ein solcher Spannungsteiler ist kostengünstig realisierbar. Durch eine geeignete Auswahl der Werte der eingesetzten Widerstände lässt sich sowohl eine Verlustleistung während des Normalbetriebs als auch der Differenzwert, um den die erste Versorgungsspannung unter die zweite Versorgungsspannung fallen darf, bevor der Schalter öffnet, einstellen.
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Gemäß einer Ausführungsform kann der Schalter ein Transistor sein, wobei ein Steuereingang des Transistors mit der Steuerung verbunden ist. Ein Transistor weist während des Normalbetriebs der Vorrichtung, in der der Transistor leitend ist, eine geringe Verlustleistung auf.
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Die Vorrichtung kann eine erste Spannungsquelle zum Bereitstellen der ersten Versorgungsspannung an den ersten Anschluss und eine zweite Spannungsquelle zum Bereitstellen der zweiten Versorgungsspannung an den zweiten Anschluss aufweisen. Die Spannungsquellen können als Spannungswandler realisiert werden. Beispielsweise kann eine Betriebsspannung durch die erste Spannungsquelle auf einen Sollwert der ersten Versorgungsspannung und durch die zweite Spannungsquelle auf einen Sollwert der zweiten Versorgungsspannung herabgesetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann die Vorrichtung eine dritte Leitung mit einem fünften Anschluss zum Aufnehmen einer dritten Versorgungsspannung und einen sechsten Anschluss zum Abgeben der dritten Versorgungsspannung aufweisen. Ferner kann die Vorrichtung einen weiteren Schalter, der in der zweiten Leitung angeordnet ist, eine weitere Steuerung, die ausgebildet ist, um den Schalter abhängig von einem Verhältnis zwischen der zweiten Versorgungsspannung und der dritten Versorgungsspannung zu betätigen und eine weitere Verbindung aufweisen, die ausgebildet ist, um den vierten Anschluss mit dem sechsten Anschluss zu verbinden.
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Der weitere Schalter, die weitere Steuerung und die weitere Verbindung können entsprechend dem bereits vorhandenen Elementen Schalter, Steuerung und Verbindung realisiert sein. Während eines Normalbetriebs der Vorrichtung kann die zweite Versorgungsspannung einen Wert aufweisen, der um einen vorbestimmten Wert größer als ein Wert der dritten Versorgungsspannung ist. Während eines Abschaltvorgangs der Vorrichtung kann auch die dritte Versorgungsspannung bis auf Null abfallen. Durch den weiteren Schalter, die weitere Steuerung und die weitere Verbindung kann gewährleistet werden, dass die zweite Versorgungsspannung und die dritte Versorgungsspannung während des Abschaltvorgangs in einem vorbestimmten Verhältnis zueinander stehen. Das Verhältnis kann eine Differenzspannung zwischen der zweiten Versorgungsspannung und der dritten Versorgungsspannung definieren. So kann gewährleistet werden, dass die Differenzspannung einen vorbestimmten Wert betragsmäßig nicht überschreitet, wenn die zweite Versorgungsspannung kleiner als die dritte Versorgungsspannung ist. Somit können drei Versorgungsspannungen überwacht werden. Das Prinzip lässt sich auf weitere Versorgungsspannungen erweitern.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner eine Schaltung, mit folgenden Merkmalen:
einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
einem Schaltungselement mit einem ersten Versorgungsspannungsanschluss, einem zweiten Versorgungsspannungsanschluss und einem Masseanschluss, wobei der erste Versorgungsspannungsanschluss mit dem zweiten Anschluss der Vorrichtung und der zweite Versorgungsspannungsanschluss mit dem vierten Anschluss der Vorrichtung verbunden sind.
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Die Vorrichtung zur Spannungsversorgung kann somit vorteilhaft zur Spannungsversorgung eines Schaltelements, beispielsweise eines Chips eingesetzt werden. Die Vorrichtung und das Schaltelement können gemeinsam auf einer Leiterplatte angeordnet sein und über Leiterbahnen der Leiterbahnen miteinander verbunden sein.
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Die vorliegende Erfindung schafft ferner ein Verfahren zum Abschalten einer Spannungsversorgung, die eine erste Leitung mit einem ersten Anschluss zum Aufnehmen einer ersten Versorgungsspannung und einem zweiten Anschluss zum Abgeben der ersten Versorgungsspannung sowie eine zweite Leitung mit einem dritten Anschluss zum Aufnehmen einer zweiten Versorgungsspannung und einen vierten Anschluss zum Abgeben der zweiten Versorgungsspannung umfasst, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Unterbrechen der ersten Leitung, wenn die erste Versorgungsspannung um einen vorbestimmten Differenzwert unter die zweite Versorgungsspannung fällt; und
Verbinden des vierten Anschluss mit dem zweiten Anschluss, um die zweite Versorgungsspannung nach dem Unterbrechen der ersten Leitung an den zweiten Anschluss bereitzustellen.
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Durch eine geeignete Realisierung können die Schritte des Unterbindens und Verbindens durch eine sich selbst regulierende elektrische Schaltung ausgeführt werden, die keine externe Ansteuerung benötigt. Die elektrische Schaltung kann ausschließlich aus Widerständen und einem Transistor aufgebaut sein.
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Die Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung;
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2 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4 ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5 eine Darstellung von Spannungsverläufen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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6 ein Schaltbild einer Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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1 zeigt ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung eines Prozessors 100. Die Vorrichtung zur Spannungsversorgung weist eine Energiequelle 102 (Power Supply) auf, die ausgebildet ist, um drei unterschiedliche Versorgungsspannungen in Höhe von 1,3 V, 3,3 V und 5 V bereitzustellen. Die 5 V Versorgungsspannung wird über eine erste Leitung 110, die 3,3 V Versorgungsspannung über eine zweite Leitung 112 und die 1,3 V Versorgungsspannung über eine dritte Leitung 114 an den Prozessor 110 bereitgestellt. Auf der Seite des Prozessors 100 ist jeder Leitungen 110, 112, 114 mit jeweils einem Kondensator 120 verbunden. Die erste Leitung 110 und die zweite Leitung 112 sind über eine Diode 122 verbunden.
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Viele moderne Prozessoren 100 oder ähnliche Schaltungen sind mit verschiedenen Spannungen zu versorgen. Die verschiedenen Spannungen können beispielsweise zur Versorgung des Kerns (Core), der Ein- und Ausgänge und eines Analog-Digital-Wandlers erforderlich sein. Beim Abschalten des Prozessors darf die höhere Versorgungsspannung nie unter die niedrigere Versorgungspannung bzw. unter einen spezifizierten Grenzwert fallen. Abhängig vom jeweiligen Stromverbrauch bzw. von zusätzlichen externen Komponenten, die auch über diese Spannungen versorgt werden, können die Versorgungsspannungen ein unterschiedliches Abklingverhalten aufweisen. Da eine Entladung von unterschiedlichen Versorgungsspannungen somit unterschiedlich schnell erfolgen kann, muss durch externe Komponenten gewährleistet werden, dass die höhere Versorgungsspannung nicht unter die niedrigere Versorgungspannung bzw. unter den spezifizierten Grenzwert fällt.
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Im Prozessor 100 befinden sich parasitäre Strukturen in Form von Transistorstrukturen, welche fälschlicherweise durchschalten würden, wenn beim Abschalten die höhere Versorgungsspannung unter die niedrigere fällt. Ein Einschalten der parasitären Strukturen würde dann möglicherweise zu einer Beschädigung des Prozessors 100 führen.
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Da die parasitären Strukturen erst bei einer bestimmten Unterschreitung der niederen Versorgungsspannung durch die höhere Versorgungsschaltung anschalten, ist es möglich die höhere Versorgungsspannung zumindest bis zu einem Grenzwert unter die niedrigere Versorgungsschaltung fallen zu lassen. Bei den meisten heute erhältlichen Prozessoren 100 liegt dieser Grenzwert bei ca. 0,5 V.
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Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine so genannte externe Schottky Diode 122 mit einer Flußspannung < 0,5 V zwischen den Versorgungsspannungen eingesetzt, um sicherzustellen, dass die höhere Spannung beim Entladen nicht unter die niedrigere Spannung fallt. In dem gezeigten Anwendungsfall besteht die Gefahr einer Unterschreitung nur zwischen der 5 V Versorgung über die erste Leitung 110 und der 3.3 V Versorgung über die zweite Leitung 112, abhängig vom jeweiligen Stromverbrauch. Als Lösungsansatz wird die Schottky Diode 122 eingesetzt, die zwischen die 5 V und die 3.3 V Versorgung gehängt wird. Schottky Dioden 122 mit niedrigen Flußspannungen haben jedoch bei Hochtemperatur den Nachteil hohe Leckströme (bis zu I00 mA) zu verursachen. Daher sind Schottky Dioden 122 in Anwendungen mit hohen Umgebungstemperaturen nur sehr bedingt einsetzbar.
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2 zeigt ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung weist eine erste elektrische Leitung 110 und eine zweite elektrische Leitung 112 auf. Die erste Leitung 110 verbindet einen ersten Anschluss 210 mit einem zweiten Anschluss 211. Die zweite Leitung 112 verbindet einen dritten Anschluss 212 mit einem vierten Anschluss 213.
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An den ersten Anschluss 210 kann von einer ersten Spannungsquelle eine erste Versorgungsspannung angelegt werden und über die erste Leitung 110 an den zweiten Anschluss 211 übertragen werden. An den dritten Anschluss 212 kann von einer zweiten Spannungsquelle eine zweite Versorgungsspannung angelegt werden und über die zweite Leitung 112 an den vierten Anschluss 213 übertragen werden. Der dritte Anschluss 212 kann mit einem ersten Spannungseingang einer Schaltung, beispielsweise einer integrierten Schaltung, verbunden sein, um zum Betrieb einer ersten Funktionseinheit der Schaltung die erste Versorgungsspannung an die Schaltung bereitzustellen. Der vierte Anschluss 213 kann mit einem zweiten Spannungseingang der Schaltung verbunden sein, um zum Betrieb einer zweiten Funktionseinheit der Schaltung die zweite Versorgungsspannung an die Schaltung bereitzustellen. Gemäß der Spezifikation der Schaltung wird gefordert, dass die erste Versorgungsspannung während eines Normalbetriebs der Schaltung einen Sollwert aufweist, der größer als ein Sollwert der zweiten Versorgungsspannung ist. Für einen Abschaltvorgang definiert die Spezifikation, dass ein Wert der ersten Versorgungsspannung nur um einen vorbestimmten Betrag unter einen Wert der zweiten Versorgungsspannung fallen darf.
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Um diese Anforderung zu erfüllen, weist die Vorrichtung zur Spannungsversorgung einen Schalter 230, eine Steuerung 232 und eine Verbindung 234 auf.
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Der Schalter 230 ist in der ersten Leitung 210 zwischen dem ersten Anschluss 210 und dem zweiten Anschluss 211 angeordnet. Der Schalter 230 ist ausgebildet, um im geschlossenen Zustand einen mit dem ersten Anschluss 210 verbundenen Abschnitt der ersten Leitung 110 mit einem mit dem zweiten Anschluss 211 verbundenen Abschnitt der ersten Leitung 110 elektrisch leitend zu verbinden. Im geöffneten Zustand ist der Schalter 230 ausgebildet, um den mit dem ersten Anschluss 210 verbundenen Abschnitt der ersten Leitung 110 von dem mit dem zweiten Anschluss 211 verbundenen Abschnitt der ersten Leitung 110 elektrisch zu isolieren oder zumindest einen Spannungsausgleich zwischen dem ersten Anschluss 110 und dem zweiten Anschluss 111 zu unterbinden.
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Die Steuerung 232 ist ausgebildet, um den Schalter 230 zu steuern. Insbesondere ist die Steuerung 232 ausgebildet, um den Schalter 230 zu schließen oder geschlossen zu halten, wenn sich die erste und die zweite Versorgungsspannung innerhalb der Spezifikationen befinden, und den Schalter 230 zu öffnen oder offen zu halten, wenn sich die erste und die zweite Versorgungsspannung außerhalb der Spezifikationen befinden. Die erste und die zweite Versorgungsspannung können sich außerhalb der Spezifikationen befinden, wenn ein Verhältnis zwischen der erste und der zweiten Versorgungsspannung außerhalb der Spezifikation liegt, beispielsweise wenn eine Differenzspannung zwischen der erste und der zweiten Versorgungsspannung größer als spezifiziert wird oder ist. Um einen Wert der ersten Versorgungsspannung mit einem Wert der zweiten Versorgungsspannung vergleichen zu können oder den Wert der ersten Versorgungsspannung in Relation zu dem Wert der zweiten Versorgungsspannung setzen zu können, ist die Steuerung 232 ausgebildet, um sowohl eine Information über einen aktuellen Wert der ersten Versorgungsspannung als auch eine Information über einen Wert der zweiten Versorgungsspannung zu erhalten. Dazu kann die Steuerung 232 sowohl mit einem Abschnitt der ersten Leitung 110 zwischen dem ersten Anschluss 210 und dem Schalter 230 als auch mit der zweiten Leitung 112 verbunden sein. Die Steuerung 232 ist ausgebildet, um die Information über den aktuellen Wert der ersten Versorgungsspannung und die Information über den Wert der zweiten Versorgungsspannung auszuwerten oder in Beziehung zueinander zu setzten und ansprechend darauf eine Steuerinformation an den Schalter 230 auszugeben. Die Steuerinformation kann ein Öffnen des Schalters 230 bewirken, wenn ein Wert der ersten Versorgungsspannung tiefer als spezifiziert unter einem Wert der zweiten Versorgungsspannung liegt. Andererseits kann die Steuerinformation ein Schließen des Schalters 230 bewirken, wenn der Wert der ersten Versorgungsspannung nicht tiefer als spezifiziert unter einem Wert der zweiten Versorgungsspannung liegt.
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Die Verbindung 234 ist ausgebildet, um die an dem vierten Anschluss 213 der zweiten Leitung 112 anliegende Spannung an den zweiten Anschluss 211 der ersten Leitung 110 anzulegen. Dies kann insbesondere dann erfolgen, wenn der Schalter 230 geöffnet ist und der zweite Anschluss 211 nicht über eine mit dem ersten Anschluss 210 verbundene Spannungsquelle versorgt wird. Dazu kann die Verbindung eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen dem mit dem zweiten Anschluss 211 verbundenen Abschnitt der ersten Leitung 110 und der zweiten Leitung 112 bereitstellen. Die elektrisch leitfähige Verbindung kann einen elektrischen Widerstand aufweisen, der einen Spannungsabfall bewirkt. Der Widerstand kann so dimensioniert sein, dass für den Zustand des geöffneten Schalters 230 der Spannungsabfall an dem Widerstand kleiner als die Differenzspannung ist, um die die erste Versorgungsspannung gemäß Spezifikation unter der ersten Versorgungsspannung liegen darf. Auf diese Weise kann eine an dem zweiten Anschluss 211 anliegende Spannung der an dem dritten Anschluss 213 anliegenden Spannung nachgeführt werden.
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3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Abschalten einer Spannungsversorgung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei der Spannungsversorgung kann es sich um die in 2 gezeigte Vorrichtung zur Spannungsversorgung mit der ersten und der zweiten Leitung zur Übertragung der ersten und der zweiten Versorgungsspannung handeln.
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In einem Schritt 341 kann ein Verhältnis zwischen der erste Versorgungsspannung und der zweiten Versorgungsspannung überwacht werden. Insbesondere kann überprüft werden, ob die erste Versorgungsspannung um einen vorbestimmten Differenzwert unter die zweite Versorgungsspannung gefallen ist. Ist die erste Versorgungsspannung zu weit unter die zweite Versorgungsspannung gefallen, so kann die erste Leitung in einem Schritt 343 unterbrochen werden. In einem Schritt 345 kann die erste Leitung mit der zweiten Leitung verbunden werden, um die zweite Versorgungsspannung nach dem Unterbrechen der ersten Leitung an den zweiten Anschluss bereitzustellen. Insbesondere die Schritte 341, 345 können fortlaufend auch während eines Normalbetriebs der Spannungsversorgung ausgeführt werden.
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4 zeigt ein Schaltbild einer Vorrichtung zur Spannungsversorgung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung basiert auf dem bereits anhand von 2 beschriebenen Ansatz. Die Vorrichtung ist ausgebildet, um einen Prozessor 100, beispielsweise den anhand von 1 beschriebenen Prozessor, mit drei unterschiedlichen Versorgungsspannungen zu versorgen. Der Prozessor 100 soll stellvertretend für eine Schaltung stehen, die während des Betriebs zeitgleich zwei oder mehr unterschiedliche Betriebsspannungen benötigt.
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Die Vorrichtung weist eine Energiequelle 102 (Power Supply) auf, die ausgebildet ist, um drei unterschiedliche Versorgungsspannungen, beispielsweise in Höhe von 1,3 V, 3,3 V und 5 V bereitzustellen. Die 5 V Versorgungsspannung wird über eine erste Leitung 110, die 3,3 V Versorgungsspannung über eine zweite Leitung 112 und die 1,3 V Versorgungsspannung über eine dritte Leitung 114 an den Prozessor 100 bereitgestellt. Auf der Seite des Prozessors 100 ist jeder Leitungen 110, 112, 114 mit jeweils einem Kondensator 120 verbunden.
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In der ersten Leitung 110 ist ein Schalter 230 angeordnet. In 4 ist der Schalter in einem geöffneten Zustand gezeigt, so dass die Leitung 110 zwischen der Energiequelle 102 und dem Prozessor 100 unterbrochen ist. Der Schaler 230 kann geschlossen werden, um einen Stromfluss durch die Leitung 110 zu ermöglichen.
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Die erste Leitung 110 ist über einen Widerstand 234 mit der zweiten Leitung 112 verbunden. Der Widerstand 234 ist mit einem Abschnitt der ersten Leitung 110 verbunden, der zwischen dem Schalter 230 und dem Prozessor 100 angeordnet ist. Der Widerstand kann einen Widerstandswert von 240 Ohm aufweisen. Fliest bei geöffneten Schalter 230 ein Strom von 2 mA durch den Widerstand 234 in den Prozessor 100 hinein, so fällt eine Spannung von 0,48 V an dem Widerstand 234 ab. Somit ist die über die erste Leitung 110 an dem Prozessor 100 anliegende Spannung um ca. 0,5 kleiner als die über die zweite Leitung 112 an dem Prozessor 100 anliegende Spannung.
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Dieses Ausführungsbeispiel basiert auf der Idee, einen Schalter 230 einzusetzen der dann schaltet, wenn sich die höhere Spannung der ersten Leitung 110 an die niedrigere Spannung der zweiten Leitung 112 annähert. Der Schalter 230 kann beispielsweise als ein Bipolar Transistor oder ein MOSFET ausgeführt sein.
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Zusätzlich zu dem Schalter 230 ist neben dem generell vorhandenen Pufferkondensator 120 noch ein Widerstand 234 vorgesehen.
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Nähert sich im Abschaltfall die höhere Spannung, hier 5 V, der ersten Leitung 110 an die niedrigere Spannung, hier 3.3 V, an, so öffnet der Schalter 230 und trennt den mit der ersten Leitung 110 verbundenen Pin des Mikroprozessors 100 von der höheren Versorgungspannungsquelle der Energieversorgung 102. Über den Pufferkondensator 120 und den Widerstand 234 wird nun sichergestellt, dass die höhere Spannung von ursprünglich 5 V maximal um einen Grenzwert unter die niedrigere Spannung von ursprünglich 3.3 V fallen kann und somit parallel mit dieser nach unten läuft, wie es in 5 gezeigt ist. Der Grenzwert ergibt sich aus dem Produkt aus einem Versorgungsstrom der von dem mit der ersten Leitung 110 verbundenen Anschluss des Prozessors 100 aufgenommen wird und einem Wert des Widerstands 234. Hier weist der Grenzwert einen Wert auf, der kleiner gleich 0.5 V ist.
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Da der Schalter 230 nicht sehr leckstrombehaftet ist, kann ein solcher Aufbau auch im Hochtemperaturbereich eingesetzt werden.
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5 zeigt eine Darstellung von Spannungsverläufen gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In vertikaler Richtung ist die Spannung in Volt und in horizontaler Richtung die Zeit aufgetragen. Gezeigt ist ein erster Spannungsverlauf einer ersten Spannung 510, der einen zeitlichen Verlauf der ersten Versorgungsspannung auf der in 4 gezeigten ersten Leitung 110 darstellen kann. Ferner ist ein zweiter Spannungsverlauf einer zweiten Spannung 512 gezeigt, der einen zeitlichen Verlauf der zweiten Versorgungsspannung auf der in 4 gezeigten zweiten Leitung 112 darstellen kann.
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Zu Beginn weist die erste Spannung 510 einen konstanten Wert von hier 5 V und die zweite Spannung 512 einen konstanten Wert von hier 3,3 V auf. Diese Werte können Sollspannungen während eines Normalbetriebs des in 4 gezeigten Prozessors 100 darstellen. Ansprechend auf den Beginn eines Abschaltvorgangs weisen die erste Spannung 510 und die zweite Spannung 512 abfallende Spannungswerte auf. Dabei fällt die erste Spannung 510 stärker als die zweite Spannung 512 ab und weist schließlich einen niedrigeren Wert als die zweite Spannung 512 auf. Zu einem Zeitpunkt, an dem die erste Spannung 510 einen Wert erreicht hat, der um einen Grenzwert 550, hier 0,5 V, niedriger als die zweite Spannung 512 zu diesem Zeitpunkt ist, ändert sich der Spannungsverlauf der ersten Spannung 510. Ab diesem Zeitpunkt fällt die erste Spannung 510 parallel zu der zweiten Spannung 512 ab, so dass sich zeitlich folgende Werte der ersten Spannung 510 und der zweiten Spannung 512 jeweils um den Grenzwert 550 unterscheiden. Die erste Spannung 510 und die zweite Spannung 512 können so lange abfallen, bis beide Spannungen das Massepotential, beispielsweise 0 V, erreicht haben.
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6 zeigt ein Schaltbild einer Schaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Schaltung basiert auf dem anhand der 2 bis 5 beschriebenen Ansatz, wobei eine Umsetzung mit Bipolartransistor als Schaltelement 230 gezeigt ist.
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Gezeigt sind eine erste Leitung 110, eine zweite Leitung 112 und eine dritte Leitung 114. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die erste Leitung 110 mit einer +5 V Spannungsquelle, die zweite Leitung 112 mit einer 3,3 V Spannungsquelle und die dritte Leitung 114 mit einer 1,3 V Spannungsquelle verbunden.
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Ein Transistor 230, hier ein Bipolartransistor ist in der ersten Leitung 110 angeordnet. Ein Emitteranschluss des Transistors 230 ist mit der +5 V Spannungsquelle verbunden. Ein Collectoranschluss des Transistors 230 ist mit einem Anschluss 211 (VDDM) des Prozessors 100, über einen Widerstand 234 mit der zweiten Leitung 112 und über einen Kondensator 120 mit Masse sowie einem weiteren Anschluss (VSSM) des Prozessors 100 verbunden. Der Basisanschluss des Transistors 230 ist mit einem aus einem ersten Widerstand und einem zweiten Widerstand gebildeten Spannungsteiler 230 verbunden. über den ersten Widerstand ist der Basisanschluss mit der +5 V Spannungsquelle verbunden. über den zweiten Widerstand ist der Basisanschluss mit der zweiten Leitung 112 verbunden.
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Die 3,3 V Spannungsquelle ist über die zweite Leitung 112 mit einem Anschluss 213 (VDDMF) des Prozessors 100 und über einen Kondensator 120 mit Masse sowie einem weiteren Anschluss (VSSMF/VSSAF) des Prozessors 100 verbunden und über einen Widerstand mit Masse verbunden.
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Die 1,3 V Spannungsquelle ist über die dritte Leitung 114 mit einem Anschluss 615 (VDDAF) des Prozessors 100 und über einen Kondensator 120 mit Masse sowie einem weiteren Anschluss (VSSMF/VSSAF) des Prozessors 100 verbunden.
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Die +5 V Spannungsquelle ist ferner über eine weitere Leitung 616 über einen Widerstand mit einem Referenzanschluss (VAREF/VAREF) des Prozessors 100 und zusätzlich über einen Kondensator 120 mit Masse und mit einem Masseanschluss (VAGND) des Prozessors 100 verbunden.
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Die 3,3 V Spannungsquelle ist ferner über eine weitere Leitung 618 über einen Widerstand mit einem weiteren Referenzanschluss (VFAREF) des Prozessors 100 und zusätzlich über einen Kondensator 120 mit Masse und mit einem weiteren Masseanschluss (VFAGND) des Prozessors 100 verbunden.
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Beispielsweise können die gezeigten Kondensatoren eine Kapazität von 100 nF, der Widerstand 234 einen Widerstandswert von 240 Ohm, der Widerstand der Leitung 616 einen Widerstandswert von 33 Ohm und der Widerstand der Leitung 618 einen Widerstandswert von 10 Ohm aufweisen. Diese Werte sind jedoch nur beispielhaft gewählt.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Prozessor
- 102
- Energieversorgung
- 110
- erste Leitung
- 112
- zweite Leitung
- 114
- dritte Leitung
- 120
- Kondensator
- 122
- Diode
- 210
- erster Anschluss
- 211
- zweiter Anschluss
- 212
- dritter Anschluss
- 213
- vierter Anschluss
- 230
- Schalter
- 232
- Steuerung
- 234
- Verbindung
- 510
- erste Spannung
- 512
- zweite Spannung
- 550
- Differenzspannung
- 615
- Anschluss
- 616
- weitere Leitung
- 618
- weitere Leitung
