DE102013100032A1

DE102013100032A1 - Beherrschung von Überschwingern bei Low-Drop-Spannungsreglern

Info

Publication number: DE102013100032A1
Application number: DE102013100032A
Authority: DE
Inventors: Sachin DEVEGOWDA
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2012-01-06
Filing date: 2013-01-03
Publication date: 2013-07-11
Also published as: US8797008B2; US20130176007A1

Abstract

Implementierungen von Einrichtungen und Techniken beherrschen, begrenzen oder steuern Überschwinger am Ausgang eines Reglers. Ein Offsetsignal wird hier zu einer Komponente des Reglers während zumindest einem Abschnitt des Hochfahrens des Reglers bereitgestellt.

Description

HINTERGRUNG
Verschiedene mobile oder tragbare elektronische Geräte können einen verringerten Stromverbrauch aufweisen, indem manche der Systeme innerhalb dieser Geräte bei niedrigen Spannungen (z.B. 3,0 V, 1,5 V etc.) betrieben werden. Eine Stromversorgungsmanagementeinheit innerhalb derartiger Geräte kann eine Eingangsspannung in verschiedene Versorgungsdomänen mit unterschiedlichen Ausgangsspannungen und Anforderungen wandeln. Beispielsweise könnte ein digitaler Block eine Spannungsskalierfähigkeit benötigen, während analoge Teile jeweils eine andere Versorgungsspannung benötigen könnten. Derartige Geräte oder Systeme können daher leicht viele verschiedene Versorgungsdomänen aufweisen.
Die Spannungswandlung zwischen Eingangsspannung und Ausgangsspannung wird häufig unter Benutzung von Low-Drop-Spannungsreglern (LDOs, vom englischen „low dropout“) vorgenommen. Derartige Low-Drop-Spannungsregler können allgemein bei niedrigen Spannungen effizient arbeiten und können eine geregelte Ausgangsspannung unter Benutzung kleiner differenzieller Eingangs-Ausgangsspannungen bereitstellen. Eine geregelte Ausgangsspannung eines Low-Drop-Spannungsreglers beruht üblicherweise auf einem Vergleich eines Rückkopplungssignals von dem Ausgang des Low-Drop-Spannungsreglers mit einer Referenzspannung.
Beim Hochfahren eines Low-Drop-Spannungsreglers können jedoch Überschwinger in der Ausgangsspannung auftreten. Ein Überschwinger ist als eine Spitzenspannung über einer nominellen Spannung für irgendeinen Stufeneingang an dem Low-Drop-Spannungsregler definiert. Größere Überschwingerspannungen können die Verlässlichkeit einer mit dem Ausgang des Low-Drop-Spannungsreglers gekoppelten Schaltung beeinflussen oder sogar eine Zerstörung der Schaltung verursachen. Beispielsweise kann üblicherweise ein Spannungsüberschwinger beim Hochfahren eines Low-Drop-Spannungsreglers mindestens 100 mV über einer nominellen Spannung liegen.
Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, Spannungsregler und entsprechende Verfahren bereitzustellen, bei welchen dieses Problem von auftretenden Überschwingern beherrscht wird und somit eine Verlässlichkeit von Schaltungen erhöht wird bzw. eine Zerstörung von Schaltungen zumindest in manchen Fällen verhindert wird.
KURZZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Es wird eine Schaltung nach Anspruch 1, ein System nach Anspruch 7, ein Verfahren nach Anspruch 12 sowie ein Spannungsregler nach Anspruch 21 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
In der detaillierten Beschreibung wird auf die beiliegenden Figuren Bezug genommen. In den Figuren identifiziert die am weitesten links stehende Ziffer jedes Bezugszeichens die Figur, in welcher das Bezugszeichen das erste Mal auftritt. Die Benutzung des gleichen Bezugszeichens in verschiedenen Figuren weist auf ähnliche oder identische Elemente hin.
1 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Spannungsreglers, wie eines Low-Drop-Spannungsreglers, bei welchem Techniken gemäß Ausführungsbeispielen implementiert sein können.
2 ist ein Graph, welcher eine typische Antwort beim Hochfahren eines Spannungsreglers wie in 1 dargestellt zeigt.
3 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Reglers und einer Offsetschaltung gemäß einer Implementierung.
4 ist ein Graph, welcher ein Beispiel für eine Antwort beim Hochfahren eines Reglers und einer Offsetschaltung wie in 3 dargestellt zeigt.
5 ist ein Flussdiagramm, welches ein Verfahren zum Beherrschen und Steuern von Überschwingern an einem Ausgang eines Spannungsreglers gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Überblick
Ausführungsbeispiele von Einrichtungen und Techniken beherrschen, steuern und/oder begrenzen Überschwinger am Ausgang eines Reglers. Bei verschiedenen Implementierungen wird einer Komponente des Reglers während zumindest einem Abschnitt des Hochfahrens des Reglers ein Offsetsignal bereitgestellt, womit Überschwinger verringert, wenn nicht beseitigt werden. Beispielsweise wird bei einer Implementierung zu Beginn des Hochfahrens ein Spannungsoffset zu einer Rückkopplungsspannung an einem Eingang des Spannungsreglers hinzuaddiert. Der Offset wird anschließend entfernt, wenn die Rückkopplungsspannung ein vorgegebenes minimales Gleichtaktpotenzial erreicht (d.h. die Reglerrückkopplungsschaltung wird auf eine vorgegebene Schwellenschleifenverstärkung geladen).
Bei manchen Implementierungen wird das Offsetsignal durch eine mit dem Spannungsregler gekoppelte Schaltung, wie in einem System, bereitgestellt. Bei anderen Implementierungen ist die Offsetschaltung ein integraler Bestandteil des Spannungsreglers. Der Offset kann durch eine Zeitablaufsteuereinrichtung, einen Schalter oder eine Kombination von Komponenten, welche der Offsetschaltung und/oder dem Spannungsregler zugeordnet sind, gesteuert werden. Bei einem Ausführungsbeispiel wird das Offsetsignal durch einen Strombegrenzer gesteuert und dem Spannungsregler basierend auf der strombegrenzenden Arbeitsweise des Strombegrenzers zugeführt.
Verschiedene Implementierungen zum Minimieren oder Eliminieren von Überschwingern an einem Ausgang eines Spannungsreglers, einschließlich Techniken und Einrichtungen, werden unter Bezugnahme auf die Figuren diskutiert. Die diskutierten Techniken und Einrichtungen können auf verschiedene Ausgestaltungen von Spannungsreglern, Schaltungen und Geräten angewendet werden.
Die offenbarten Techniken und Einrichtungen bieten verschiedene Vorteile. Bei manchen Ausführungsbeispielen umfassen diese Vorteile: 1) schnelles Hochfahren mit geringem oder keinen Überschwingern an dem Ausgang, 2) einen Offset, welcher automatisch und dynamisch während des Hochfahrens einund ausgeschaltet wird, und 3) dass keine zusätzliche digitale Logik benötigt wird, um die Techniken zu implementieren. Weitere Vorteile können sich aus der folgenden Beschreibung basierend auf den diskutierten Techniken und/oder Einrichtungen ergeben.
Detaillierte Implementierungen von Ausführungsbeispielen werden untenstehend detaillierter beschrieben. Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele können dabei miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist.
Repräsentativer Spannungsregler
1 zeigt einen repräsentativen Low-Drop-Spannungsregler (LDO) 100, bei welchem Techniken gemäß Ausführungsbeispielen implementiert sein können. Während hier ein Low-Drop-Spannungsregler (LDO) als Beispiel verwendet wird, ist dies nicht als Einschränkung anzusehen, sondern dient lediglich der Vereinfachung der Diskussion. Die diskutierten Techniken und Einrichtungen sind auf verschiedene Arten von Spannungsund Stromreglern mit verschiedenen Schaltungen und Ausgestaltungen anwendbar. Dementsprechend wird im Folgenden auch der allgemeine Begriff „Regler“ verwendet.
Wie in der Darstellung der 1 gezeigt wird der Regler 100 durch eine Eingangsspannung V_BATT versorgt und erzeugt eine Ausgangsspannung V_AUS. Die Ausgangsspannung V_AUS wird basierend auf einer Differenz zwischen einer Referenzspannung V_REF und einer Rückkopplungsspannung V_RK geregelt. Ein Fehlerverstärker 102 empfängt V_REF und V_RK an differenziellen Eingängen und gibt ein Potenzial V_GATE basierend auf einer Differenz zwischen den Eingängen aus. Der Fehlerverstärker 102 kann einen Operationsverstärker (op amp, vom englischen „operational amplifier“) oder dergleichen umfassen. Bei einer Implementierung umfasst der Fehlerverstärker 102 einen Transkonduktanz-Operationsverstärker (OTA, vom englischen „operational transconductance amplifier“).
Das Potenzial V_GATE betreibt eine Durchlasseinrichtung 104, welche beispielsweise einen Transistor wie einen Feldeffekttransistor umfassen kann, und welche es einem Strom ermöglicht, in Abhängigkeit von dem Potenzial V_GATE von der Eingangsspannung V_BATT über einen Spannungsteiler umfassend eine Anzahl von Widerständen (z.B. R1 und R2) zu dem einem Ausgang, welcher die Ausgangsspannung V_AUS bereitstellt, zu fließen. Zur Vereinfachung wird im Folgenden auch dieser Ausgang mit V_AUS bezeichnet. Eine Rückkopplungsschleife sendet das Ausgangspotenzial (oder einen Bruchteil/ein Vielfaches des Ausgangspotenzials) als Rückkopplungssignal V_RK an einen der Eingänge des Fehlerverstärkers 102. Somit umfasst eine Spannungsregelschleife den Fehlerverstärker 102, die Durchlasseinrichtung 104, einen oder mehrere Widerstände des Spannungsteilers (z.B. R1 und/oder R2) und einen Rückkopplungspfad von dem Spannungsteiler (Reglerausgang) zurück zu dem Fehlerverstärker 102 (z.B. die Rückkopplungspannung V_RK).
Zudem kann der Regler 100 wie in 1 dargestellt eine Ausgangskapazität (oder „externe Kapazität“) C_EXT, beispielsweise in Form eines Kondensators, umfassen. Die Kapazität C_EXT kann eine Pufferung für mit dem Regler 100 gekoppelte instantane Lasten bereitstellen, kann eine Filterung der Ausgangsspannung V_AUS bereitstellen, und dergleichen. In manchen Fällen kann die Ausgangsspannung V_AUS des Reglers 100 unter Überschwingern leiden, wenn sich die Kapazität C_EXT während des Hochfahrens des Reglers 100 auflädt.
Bei manchen Ausführungsbeispielen kann der Regler 100 einen Strombegrenzer 106 umfassen, welcher eingerichtet ist, einen Stromfluss durch den Regler 100 während zumindest eines Abschnitts des Hochfahrens des Reglers 100 zu bestimmen. Beispielsweise kann der Strombegrenzer 106 den Strom durch den Regler 100 auf einen begrenzten Wert I_BEG wie in 1 dargestellt begrenzen. Der Strombegrenzer 106 kann von dem Quelleneingang V_BATT einen Abtaststrom I_ABTAST ebenso wie einen Referenzstrom I_REF empfangen, um den Strom I_BEG durch den Regler 100 zu bestimmen. Bei einem Beispiel kann wie in 1 dargestellt der Abtaststrom I_ABTAST an dem Strombegrenzer 106 über eine weitere Durchlasseinrichtung 108 empfangen werden, welche durch die Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers 102 gesteuert wird. Die Durchlasseinrichtungen 104 und/oder 108 können aus Transistoren gebildet sein, beispielsweise Feldeffekttransistoren (FETs), Übergangsfeldeffekttransistoren (JFETs, vom englischen „junction field effect transistor“), Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren (MOSFETs), Bipolartransistoren (BJTs, vom englischen „bipolar junction transistors), und dergleichen, wobei einer oder mehrere Transistoren bereitgestellt sein können.
Bei einer Implementierung kann der Strombegrenzer 106 die Durchlasseinrichtung 104 auf ein festes Potenzial klemmen, wodurch die Größe des Stroms I_AUS begrenzt wird, welcher den Spannungsteiler und den Reglerausgang V_AUS versorgt und die Kapazität C_EXT auflädt. Bezug nehmend beispielsweise auf 1 und 2 fährt die Reglerausgangsspannung V_AUS ausgehend von einem Massepotenzial nach oben, und die Kapazität C_EXT (welche beispielsweise einen Wert von einigen Mikrofarad aufweisen kann) nimmt große instantane plötzlich ansteigende Ströme auf, wenn sie beginnt, sich aufzuladen. Der Strombegrenzer 106 kann auf die ansteigenden Ströme reagieren, indem er die Durchlasseinrichtung 104 auf ein festes Potenzial klemmt (d.h. den Regler 100 in eine Überstromschutzbetriebsart versetzt). Die Durchlasseinrichtung 104 wird im Wesentlichen eine Konstantstromquelle, welche den Strom I_BEG zur Verfügung stellt, um die Kapazität C_EXT und den Ausgang V_AUS zum Quellenpotenzial V_BATT hin aufzuladen. Nach einer kleinen begrenzten Zeit werden die ansteigenden Ströme von der Kapazität C_EXT im Allgemeinen abklingen.
Die Spannung an dem Ausgang V_AUS während des Hochfahrens des Reglers 100 ist mit einer stark gestrichelten Linie in 2 als eine Kurve 200 dargestellt. Die Ausgangskurve 200 ist als im Wesentlichen lineare Rampe dargestellt, was das Klemmen der Durchlasseinrichtung 104 durch den Strombegrenzer 106 während des Hochfahrens des Reglers 100 widerspiegelt. Der konstante Strom I_BEG lädt die Spannungsregelschleife einschließlich des Fehlerverstärkers 102 (ebenso wie interne Knoten des Fehlerverstärkers 102) auf. Beispielsweise benötigt der Fehlerverstärker 102 beim Hochfahren eine endliche Zeit, bis er vollständig „eingeschaltet“ ist. Die internen Knoten des Fehlerverstärkers 102 benötigen Zeit, sich auf ihre stabilen Betriebspunkte aufzuladen, bevor der Fehlerverstärker 102 mit dem Regeln beginnen kann. Zudem benötigt die Spannungsregelschleife Zeit, eine minimale „Schleifenverstärkung“ zu erreichen. Die Rückkopplungswiderstände (z.B. die Spannungsteilerwiderstände R1 und R2) und die zugeordneten Kapazitäten (z.B. C_EXT) können während dem Aufladen zu zusätzlichen Zeitverzögerungen führen.
Zum Beginn des Hochfahrens ist wie in dem Graph in der 2 gezeigt die Spannungsregelschleife inaktiv, und der Regler 100 regelt nicht. An dem Fehlerverstärker 102 liegt ein Voraktivierungszustand vor: Die Tail-Stromquelle ist ausgeschaltet, die Eingangstransistoren sind ausgeschaltet, und die Lasten sind ausgeschaltet. Nach dem Beginn des Hochfahrens fangen der Fehlerverstärker 102 und die Spannungsregelschleife an, sich aufzuladen, und die Ausgangsspannung V_AUS fängt an, basierend auf dem Strom I_BEG anzusteigen.
Zu einer Zeitdauer T_EA_UP erreicht die Spannungsregelschleife eine minimale Schleifenverstärkung. Die Spannungsregelschleife fährt fort, sich aufzuladen, und der Fehlerverstärker 102 schaltet ein. Bei dem Fehlerverstärker 102 wird die Tail-Stromquelle stabilisiert, die Ströme in den differenziellen Zweigen werden stabilisiert, der Eingang für V_RK erreicht ein minimales Eingangsgleichtaktpotenzial, und die Lasttransistoren sind in einem stabilen Zustand (z.B. Gate-Anschlüsse bei einer Spannung, bei welcher Vgs > Vth gilt, wobei Vgs eine Gate-Source-Spannung und Vth eine Schwellenspannung ist). Weiter sind die Ströme durch die zwei differenziellen Pfade des Fehlerverstärkers 102 im Wesentlichen gleich, und der Fehlerverstärker 102 weist eine endliche Transkonduktanz (gm) auf und ist bereit, zu verstärken. In der Zwischenzeit fährt die Ausgangsspannung V_AUS weiter nach oben.
Zu der Zeitdauer T_NOM ist die Ausgangsspannung V_AUS aufgrund des konstanten Stroms I_BEG auf die nominelle Betriebsspannung V_NOM hochgefahren. Allgemein gilt T_NOM = C_EXT·V_NOM/I_BEG.
Schließlich ist zu einer Zeit T_VLOOP die Spannungsregelschleife voll aktiv, basierend darauf, dass sie eine vorgegebene Schwellenschleifenverstärkung erreicht hat. Wenn die Schleifenverstärkung der Spannungsregelschleife groß genug ist (z.B. den vorgegebenen Schwellenwert erreicht), hört der Strombegrenzer 106 auf, die Durchlasseinrichtung 104 zu klemmen, und der Regler 100 verlässt die Konstantstrombetriebsart und geht in eine Spannungsregelbetriebsart über.
Wie in 2 dargestellt ist, schießt, wenn die Aktivierung der Spannungsregelschleife zu spät ist (d.h. T_VLOOP später ist als T_NOM) V_AUS über die nominelle Betriebsspannung V_NOM hinaus und fährt damit fort, zu der Quellenspannung V_BATT hin anzusteigen. Zusätzliche Zeitverzögerungen können eine Folge eines Filters in der Rückkopplungsschleife, einer Bandbreite der Spannungsregelschleife und/oder einer Anstiegszeit interner Knoten des Fehlerverstärkers sein. Sobald der Strombegrenzer 106 aufhört, die Durchlasseinrichtung 104 zu klemmen, fällt die Ausgangsspannung V_AUS auf die nominelle Spannung V_NOM zurück, da der Regler 100 den Ausgang normal regelt.
In 2 ist zudem ein Aktivierungssignal C_{BEG_AKTIV} für den Strombegrenzer 106 dargestellt. Dieses Signal ist als von dem Beginn des Hochfahrens ab bis zu der Zeitdauer T_VLOOP, zu der die Spannungsregelschleife einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht hat (z.B. ist die Verstärkung der Spannungsregelschleife groß genug zur Spannungsregelung) und der Strombegrenzer 106 den Strom durch den Regler 100 nicht mehr begrenzt, aktiv dargestellt.
Implementierungsbeispiele
3 ist ein schematisches Blockdiagramm eines Reglers 100 und einer Offsetschaltung 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel. Es ist zu bemerken, dass die Offsetschaltung 300 als separate Komponente, welche mit dem Regler 100 gekoppelt ist, als ein integraler Teil des Reglers 100 oder als Teil eines Systems, welches den Regler 100 und die Offsetschaltung 300 beinhaltet, implementiert sein kann. Die Darstellung der 3 ist unter Verwendung einer Integration von Regler 100 und Offsetschaltung 300 dargestellt und beschrieben. Diese Darstellung dient jedoch nur zur Vereinfachung der Diskussion. Die Techniken und Einrichtungen, welche bezüglich einer Überschwingerbeherrschung für Regler beschrieben sind, sind nicht auf die in 3 dargestellte Anordnung begrenzt und können auch auf andere Anordnungen angewendet werden.
Verschiedene Implementierungen von Offsetschaltungen 300 können weniger Komponenten als dargestellt aufweisen. Andere Implementierungen von Offsetschaltungen 300 können zusätzliche Komponenten oder verschiedene Kombinationen der beschriebenen Komponenten aufweisen.
Allgemein wird, wenn die Spannungsregelschleife eine hinreichende Schleifenvestärkung und Bandbreite aufweist, um eine Übergabe von einer strombegrenzten Schleifenbetriebsart zu einer Spannungsregelschleifenbetriebsart auszulösen, es keinen Spannungsüberschwinger an dem Ausgang des Reglers 100 geben. Bezüglich 2 bedeutet dies, dass, wenn T_EA_UP und T_VLOOP hinsichtlich der Dauer geringer sind als T_NOM, es keinen Überschwinger geben wird.
Bei verschiedenen Implementierungen fügt eine Offsetschaltung 300 einen Offset zu einem Potenzial an der Spannungsregelschleife hinzu (addiert beispielsweise eine Offsetspannung zu der Rückkopplungsspannung V_RK) während zumindest einem Abschnitt des Hochfahrens des Reglers 100, wodurch ein Überschwinger an dem Ausgang des Reglers 100 verringert oder eliminiert wird. Bei einer Implementierung ist die Offsetschaltung 300 eingerichtet, einen Offsetwert zumindest einem der zwei differenziellen Eingänge des Fehlerverstärkers 102 während zumindest einem Abschnitt eines Hochfahrens des Reglers 100 bereitzustellen. Bei einer anderen Implementierung ist die Offsetschaltung 300 eingerichtet, dem ersten Eingang und/oder dem zweiten Eingang des Fehlerverstärkers 102 den Offsetwert bereitzustellen, bis die Spannungsregelschleife eine vorgegebene Schwellenschleifenverstärkung erreicht.
Bei verschiedenen Implementierungen kann der Offsetwert (d.h. das Offsetsignal) eine Offsetspannung und/oder einen Offsetstrom umfassen. Beispielsweise ist bei einer Implementierung wie in 3 gezeigt eine Spannungsregelschleife mit einem ersten Eingang (V_RK) des Fehlerverstärkers 102 gekoppelt, und eine Referenzspannung V_REF ist mit dem zweiten Eingang des Fehlerverstärkers 102 gekoppelt. Die Offsetschaltung 300 ist eingerichtet, den Offsetwert (z.B. V_OFF und/oder I_OFF) der Spannungsregelschleife bereitzustellen, während eine Spannung an dem ersten Eingang (V_RK) des Fehlerverstärkers 102 kleiner ist als die Referenzspannung V_REF. Bei einem anderen Beispiel ist die Offsetschaltung 300 eingerichtet, den Offsetwert (z.B. V_OFF und/oder I_OFF) mit der Referenzspannung V_REF an dem zweiten Eingang des Fehlerverstärkers 102 zu kombinieren, während eine Spannung an dem ersten Eingang (V_RK) des Fehlerverstärkers 102 kleiner ist als eine Spannung an dem zweiten Eingang (V_REF) des Fehlerverstärkers 102.
Die Addition des Offsetsignals hat den Effekt, T_EA_UP (d.h. die Zeitdauer, welche die Spannungsregelschleife benötigt, eine minimale Schleifenverstärkung zu erreichen) und T_VLOOP (d.h. die Zeitdauer, welche die Schleifenverstärkung benötigt, einen vorgegebenen Schwellenwert zu erreichen, und zu der der Strombegrenzer das Klemmen der Durchlasseinrichtung 104 löst) zu verringern. Die Addition des Offsetsignals hat zudem den Effekt, T_NOM (d.h. die Zeitdauer, welche die Ausgangsspannung V_AUS benötigt, auf die nominelle Spannung V_NOM aufgrund eines konstanten limitierten Stroms hochzufahren) zu vergrößern. Dementsprechend hat die Addition des Offsetsignals den Effekt, zu bewirken, dass die für die Schleifenverstärkung der Spannungsregelschleife benötigte Zeit, um einen vorgegebenen Schwellenwert zu erreichen, geringer ist als die Zeit, welche die Ausgangsspannung V_AUS des Reglers 100 benötigt, die nominelle Betriebsspannung V_NOM zu erreichen.
Bei einer Implementierung, welche als Beispiel in 3 dargestellt ist, umfasst eine Offsetschaltung 300: eine Strom/Spannungsquelle V_DD, welche eingerichtet ist, ein Offsetsignal I_OFF zu erzeugen; einen Schalter 302 (wie die bezüglich 104 und 108 beschriebenen Durchlasseinrichtungen), welcher eingerichtet ist, das Offsetsignal I_OFF mit einem Signal V_RK an einem Eingang des Reglers 100 in Abhängigkeit von einem Einschaltsignal (C_{BEG_AKTIV}) zu kombinieren, und eine Zeitsteuerkomponente (beispielsweise den Strombegrenzer 106), welche eingerichtet ist, das Einschaltsignal (C_{BEG_AKTIV}) während eines Hochfahrens des Spannungsreglers 100 an den Schalter 302 zu senden. Bei einer Implementierung bestimmt, da die Zeitsteuerkomponente (z.B. der Strombegrenzer 106) das Einschaltsignal (C_{BEG_AKTIV}) an den Schalter 302 sendet, die Zeitsteuerkomponente, wann das Offsetsignal (wie beispielsweise I_OFF oder eine Spannung V_OFF) zu der Rückkopplungsspannung V_RK hinzugefügt wird.
Beispielsweise wird, wenn der Schalter 302 das Einschaltsignal (C_{BEG_AKTIV}) von der Zeitsteuerkomponente erhält, der Schalter 302 geschlossen, um ein Offsetsignal (z.B. I_OFF) mit dem Rückkopplungssignal V_RK in der Spannungsregelschleife des Reglers 100 zu kombinieren, was dem Hinzufügen einer Offsetspannung V_OFF entspricht. Bei einer alternativen Implementierung kann der Schalter 302 eingerichtet sein, ein Offsetsignal –V_OFF mit der an einem Eingang des Reglers 100 empfangenen Referenzspannung V_REF zu kombinieren. In diesem Fall kann das Offsetsignal die entgegengesetzte Polarität aufweisen, da es mit dem anderen differenziellen Eingang bei dem Fehlerverstärker 102 kombiniert wird. Dies hat das gleiche Ergebnis wie das Kombinieren eines Offsetsignals V_OFF mit der Feedbackspannung V_RK.
Bei einer Implementierung ist die Zeitsteuerkomponente (z.B. der Strombegrenzer 106) eingerichtet, das Einschaltsignal (C_{BEG_AKTIV}) an den Schalter 302 zu beenden, wenn mindestens zwei differenzielle Eingänge (z.B. V_REF und V_RK) des Spannungsreglers 100 im Wesentlichen gleiche Werte, beispielsweise gleiche Spannungen oder gleiche Ströme, aufweisen. Bei einem Beispiel ist die Zeitsteuerkomponente ein Strombegrenzer 106, und der Strombegrenzer 106 ist eingerichtet, die Addition der Offsetspannung V_OFF zu der Rückkopplungsspannung V_RK bei Beginn des Hochfahrens des Reglers 100 zu ermöglichen und die Addition der Offsetspannung V_OFF zu der Rückkopplungsspannung V_RK zu beenden, wenn die Rückkopplungsspannung V_RK ein vorgegebenes minimales Gleichtaktpotenzial erreicht. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel ist der Strombegrenzer 106 eingerichtet, die Addition der Offsetspannung V_OFF zu der Rückkopplungsspannung V_RK zu Beginn des Hochfahrens des Reglers 100 zu ermöglichen und die Addition der Offsetspannung V_OFF zu der Rückkopplungsspannung V_RK zu beenden, wenn eine Schleifenverstärkung der Spannungsregelschleife einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht.
In 4 zeigt ein oberer Graph ein Beispiel für eine Antwort (V_AUS) eines Reglers 100 und einer Offsetschaltung 300 wie in 3 gezeigt beim Hochfahren. Die dick gestrichelte Linie 400 zeigt eine Spannungsantwort an dem Ausgang des Reglers 100 ohne Überschwingerkorrektur. Mit der Anwendung der offenbarten Techniken und Einrichtungen zeigt sich kein Überschwinger, wie durch die durchgehenden Linien des Graphen gezeigt.
Von einer Zeit 0 bis T_EA_UP ist die Konstanzstrombetriebsart in dem Regler 100 aktiv, wie oben beschrieben. V_AUS steigt vom Massepotenzial ausgehend zu V_BATT an. Weiterhin ist der Fehlerverstärker 102 anfänglich ausgeschaltet, und die Spannungsregelschleife ist anfänglich inaktiv. Sobald Strom beginnt, in dem Regler 100 zu fließen, kann die Rückkopplungsspannung V_RK ausgedrückt werden als: V_RK = V_AUS/M + V_OFF, wobei M das Teilerverhältnis des widerstandsbasierten Spannungsteilers (z.B. R1, R2) ist. Mit der Addition der Offsetspannung V_OFF steigt die Rückkopplungsspannung V_RK schneller auf ein minimales Gleichtakteingangspotenzial für eine minimale Schleifenverstärkung an.
Von der Zeit T_EA_UP zu der Zeit T_VLOOP verstärkt der Fehlerverstärker 102, sodass die Spannungsregelschleife reagiert, um V_AUS um den Wert von V_OFF herunterzubringen. Somit wird die Spannung V_AUS durch V_OFF modifiziert oder versetzt. Die Ausgangsspannung V_AUS des Reglers 100 kann ausgedrückt werden als: V_AUS = (V_REF·Acl – V_OFF), wobei Acl = Aol/(1 + M·Aol).
Wenn Aol groß ist, gilt Acl = 1/M. Daher, V_AUS = V_REF·M – V_OFF.
Der Effekt ist, dass das Hochfahren von V_AUS langsamer wird (wie in 4 gezeigt) und so T_NOM (die Zeit, welche der Reglerausgang V_AUS benötigt, die nominelle Spannung V_NOM zu erreichen) vergrößert wird. Aol ist die offene Schleifenverstärkung und Acl ist die geschlossene Schleifenverstärkung, d.h. die Verstärkung bei geschlossenem Regelkreis.
Wie oben erwähnt können die gleichen Ergebnisse wie hier diskutiert erreicht werden, indem –V_OFF zu V_REF an dem entsprechenden Eingang des Fehlerverstärkers 102 hinzuaddiert wird.
Zu der Zeit T_VLOOP wird die Stromklemme auf die Durchlasseinrichtung 104 aufgehoben. Dies ist in dem Graph der 4 durch die Kurve gezeigt, die ein Ansteigen der Ausgangsspannung zu der nominellen Spannung V_NOM von der Zeit T_VLOOP zu der Zeit T_NOM darstellt. Da die Dauer T_NOM größer ist als die Dauer T_VLOOP, gibt es keine Überschwingerspannung bei V_AUS.
Zudem wird zu der Zeit T_VLOOP wie in 4 gezeigt das Einschaltsignal (C_{BEG_AKTIV}) von dem Strombegrenzer 106 in einen Auszustand (beispielsweise logisch 0) gebracht. Dies beendet wiederum das Beaufschlagen der Spannungsregelschleife (oder eines anderen Punktes) mit der Offsetspannung V_OFF.
Repräsentative Verfahren
5 zeigt ein repräsentatives Verfahren 500 gemäß einem Ausführungsbeispiel zum Steuern einer Spannungsausgabe eines Reglers (wie des Reglers 100). Dies umfasst ein Implementieren von Überschwingersteuerungs-, -beherrschungs- und/oder -begrenzungstechniken und/oder entsprechenden Einrichtungen an oder in dem Regler. Ein Beispiel für ein Verfahren 500 umfasst es, zu bestimmen, wann ein oder mehrere Teile der Reglerschaltung mit einem Offset beaufschlagt werden, um Überschwinger zu verringern oder zu beseitigen. Bei verschiedenen Implementierungen wird der Offset zu Beginn eines Hochfahrens des Reglers beaufschlagt und entfernt, wenn durch den Regler eine vorgegebene Schleifenverstärkung erreicht wird. Das Verfahren 500 wird unter Bezugnahme auf die 1–4 beschrieben.
Die Reihenfolge, in welcher das Verfahren beschrieben wird, ist nicht als einschränkend auszulegen, da beschriebene Verfahrensblöcke auch in anderer Reihenfolge kombiniert werden können, um ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zu bilden. Das Verfahren kann mittels jeglicher geeigneter Hardware, Software, Firmware oder Kombination hiervon implementiert werden.
In einem Block 502 umfasst das Verfahren ein Aufladen einer Spannungsregelschleife während eines Hochfahrens des Reglers, wie des Reglers 100. Unter „Aufladen“ ist dabei insbesondere ein Hochfahren auf eine Betriebsspannung zur verstehen. Bei verschiedenen Implementierungen umfasst dieses Aufladen ein Aufladen anderer Komponenten des Reglers, beispielsweise eines differenziellen Verstärkers, einer oder mehrerer Kapazitäten, eines oder mehrerer Widerstände und dergleichen.
Beispielsweise umfasst bei einer Implementierung das Verfahren ein Aufladen eines Fehlerverstärkers (wie des Fehlerverstärkers 102) des Reglers während dem Hochfahren des Reglers. Bei einer anderen Implementierung umfasst das Verfahren ein Aufladen des Reglers über eine Durchlasseinrichtung (wie die Durchlasseinrichtung 104). Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Durchlasseinrichtung während zumindest einem Abschnitt des Hochfahrens strombegrenzt.
In einem Block 504 umfasst das Verfahren ein Addieren eines Offsets zu einer Spannung an der Spannungsregelschleife während dem Aufladen der Spannungsregelschleife. Alternativ umfasst das Verfahren ein Addieren eines Offsets zu einem Strom an der Spannungsregelschleife während des Aufladens. Weitere Implementierungen umfassen ein Addieren eines Offsets zu anderen Teilen des Reglers (z.B. einem Spannungs- oder Stromreferenzeingang, einem oder mehreren Fehlerverstärkereingängen etc.).
Bei einer Implementierung umfasst das Verfahren ein Verringern einer Zeitdauer, welche die Spannungsregelschleife benutzt, um eine vorgegebene minimale Schleifenverstärkung zu erreichen, basierend auf dem Addieren des Offsets zu der Spannung an der Spannungsregelschleife. Bei einer anderen Implementierung umfasst das Verfahren ein Verringern einer Zeitdauer basierend auf dem Addieren des Offsets zu der Spannung an der Spannungsregelschleife, welche die Spannungsregelschleife benötigt, eine vorgegebene maximale Schleifenverstärkung zu erreichen.
Bei einer Implementierung umfasst das Verfahren ein Vergrößern einer Zeitdauer basierend auf dem Addieren des Offsets zu der Spannung an der Spannungsregelschleife, welche ein Ausgang des Spannungsreglers benötigt, eine vorgegebene nominelle Betriebsspannung zu erreichen. Beispielsweise kann bei verschiedenen Implementierungen ein momentaner Wert des Ausgangs des Spannungsreglers basierend auf dem Addieren des Offsets zu der Spannung an der Spannungsregelschleife verringert werden.
Bei einem Block 506 umfasst das Verfahren ein Entfernen des Offsets, wenn die Spannungsregelschleife eine vorgegebene Schwellenschleifenverstärkung erreicht. Bei einer Implementierung umfasst das Verfahren ein Aufladen des Spannungsreglers auf einen vorgegebenen nominellen Wert, nachdem der Offset entfernt wurde.
Bei einer Implementierung sind eine Zeitdauer, welche die Spannungsregelschleife benötigt, um eine vorgegebene minimale Schleifenverstärkung zu erreichen, und eine Zeitdauer, welche die Spannungsregelschleife benötigt, um eine vorgegebene maximale Schleifenverstärkung zu erreichen, geringer als eine Zeitdauer, welche ein Ausgang des Spannungsreglers benötigt, eine vorgegebene nominelle Betriebsspannung zu erreichen, basierend auf dem Hinzufügen des Offsets zu der Spannung an der Spannungsregelschleife.
Bei anderen Implementierungen können andere Techniken in dem Verfahren 500 in verschiedenen Kombinationen enthalten sein.
Zusammenfassung
Obwohl bestimmte Implementierungen von Ausführungsbeispielen oben stehend beschrieben wurden, ist zu bemerken, dass diese Ausführungsbeispiele nicht als einschränkend auszulegen sind, sondern lediglich Beispiele zur Implementierung der Erfindung darstellen.

Claims

Schaltung zum Begrenzen eines Spannungsüberschwingers bei einem Spannungsregler (100), umfassend: eine Quelle (V_DD) zum Erzeugen eines Offsetsignals (I_OFF), einen Schalter (302), welcher eingerichtet ist, das Offsetsignal (I_OFF) von der Quelle (V_DD) in Abhängigkeit von einem Einschaltsignal (C_{BEG_AKTIV}) mit einem Signal (V_RK) an einem Eingang des Spannungsreglers (100) zu kombinieren, und eine Zeitsteuerkomponente (106), welche eingerichtet ist, das Einschaltsignal (C_{BEG_AKTIV}) während eines Hochfahrens des Spannungsreglers (100) an den Schalter (302) zu senden.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Zeitsteuerkomponente (106) eingerichtet ist, das Einschaltsignal (C_{BEG_AKTIV}) an den Schalter (302) zu beenden, wenn mindestens zwei differenzielle Eingänge des Spannungsreglers (100) im Wesentlichen gleiche Ströme und/oder Spannungen aufweisen.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei das Offsetsignal (I_OFF) eine Offsetspannung und/oder einen Offsetstrom umfasst.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Schalter (302) eingerichtet ist, das Offsetsignal (I_OFF) mit einer Rückkopplungsspannung (V_RK) an einer Spannungsregelschleife des Spannungsreglers (100) zu kombinieren.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1–3, wobei der Schalter (302) eingerichtet ist, das Offsetsignal mit einer Referenzspannung (V_REF), welche von dem Spannungsregler (100) empfangen wird, zu kombinieren.
Schaltung nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die Schaltung eingerichtet ist, eine Spannung an einem Ausgang des Spannungsreglers (100) mit einem Offset zu beaufschlagen.
System, umfassend: einen Low-Drop-Spannungsregler (100), umfassend: einen Fehlerverstärker (102) mit einem ersten Eingang, welcher mit einer Referenzspannung (V_REF) verbunden ist, und einem zweiten Eingang, welcher mit einer Rückkopplungsspannung (V_RK) verbunden ist, wobei ein Ausgangswert des Spannungsreglers (100) von der Referenzspannung (V_REF) und der Rückkopplungsspannung (V_RK) abhängt, und eine Spannungsregelschleife, welche mit dem zweiten Eingang des Fehlerverstärkers (102) gekoppelt ist und eingerichtet ist, die Rückkopplungsspannung (V_RK) bereitzustellen, wobei das System weiter umfasst: eine Offsetschaltung (300), welche eingerichtet ist, während zumindest einem Abschnitt eines Hochfahrens des Spannungsreglers (100) eine Offsetspannung zu der Rückkopplungsspannung (V_RK) zu addieren.
System nach Anspruch 7, weiter umfassend einen Strombegrenzer (106), welcher eingerichtet ist, zumindest während eines Abschnitts des Hochfahrens des Spannungsreglers (100) einen Stromfluss durch den Spannungsregler (100) zu bestimmen und zu bestimmen, wann die Offsetspannung zu der Rückkopplungsspannung (V_RK) addiert wird.
System nach Anspruch 8, wobei der Strombegrenzer (106) eingerichtet ist, die Addition der Offsetspannung zu der Rückkopplungsspannung (V_RK) zu Beginn des Hochfahrens des Spannungsreglers (100) zu aktivieren und die Addition der Offsetspannung zu der Rückkopplungsspannung (V_RK) zu deaktivieren, wenn die Rückkopplungsspannung (V_RK) ein vorgegebenes minimales Gleichtaktpotenzial erreicht.
System nach Anspruch 8, wobei der Strombegrenzer (106) eingerichtet ist, die Addition der Offsetspannung zu der Rückkopplungsspannung (V_RK) zu Beginn des Hochfahrens des Spannungsreglers (100) zu aktivieren und die Addition der Offsetspannung zu der Rückkopplungsspannung (V_RK) zu deaktivieren, wenn eine Schleifenverstärkung der Spannungsregelschleife einen vorgegebenen Schwellenwert erreicht.
System nach Anspruch 10, wobei eine Zeitdauer, welche die Schleifenverstärkung der Spannungsregelschleife benötigt, den vorgegebenen Schwellenwert zu erreichen, kleiner ist als eine Zeitdauer, welche ein Ausgang des Spannungsreglers benötigt, eine nominelle Betriebsspannung zu erreichen.
Verfahren zum Steuern eines Spannungsausgangs eines Spannungsreglers (100), umfassend: Aufladen einer Spannungsregelschleife während eines Hochfahrens des Spannungsreglers (100), Addieren eines Offsets zu einer Spannung an der Spannungsregelschleife während des Aufladens der Spannungsregelschleife, und Entfernen des Offsets, wenn die Spannungsregelschleife eine vorgegebene Schwellenschleifenverstärkung erreicht.
Verfahren nach Anspruch 12, weiter umfassend Aufladen eines Fehlerverstärkers (102) des Spannungsreglers (100) während des Hochfahrens des Spannungsreglers (100) und Addieren der Offsetspannung zu einer Spannung (V_RK, V_REF) an einem Eingang des Fehlerverstärkers (102) während des Aufladens des Fehlerverstärkers.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, weiter umfassend Aufladen des Spannungsreglers (100) über eine Durchlasseinrichtung (104), wobei die Durchlasseinrichtung (104) während zumindest eines Abschnitts des Hochfahrens strombegrenzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–14, weiter umfassend Aufladen des Ausgangs des Spannungsreglers auf einen vorgegebenen nominellen Wert nach dem Entfernen des Offsets.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–15, weiter umfassend Verringern einer Zeitdauer, welche die Spannungsregelschleife benötigt, eine vorgegebene minimale Schleifenverstärkung zu erreichen, basierend auf dem Addieren des Offsets zu der Spannung an der Spannungsregelschleife.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–16, weiter umfassend Verringern einer Zeitdauer, welche die Spannungsregelschleife benötigt, eine vorgegebene maximale Schleifenverstärkung zu erreichen, basierend auf dem Addieren des Offsets zu der Spannung an der Spannungsregelschleife.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–17, weiter umfassend Vergrößern einer Zeitdauer, welche eine Ausgabe des Spannungsreglers benötigt, eine vorgegebene nominelle Betriebsspannung zu erreichen, basierend auf dem Addieren des Offsets zu der Spannung an der Spannungsregelschleife.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–18, wobei ein momentaner Wert der Ausgabe des Spannungsreglers (100) basierend auf dem Addieren des Offsets zu der Spannung an der Spannungsregelschleife verringert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12–19, wobei eine Zeitdauer, welche die Spannungsregelschleife benötigt, eine vorgegebene minimale Schleifenverstärkung zu erreichen, und eine Zeitdauer, welche die Spannungsregelschleife benötigt, eine vorgegebene maximale Schleifenverstärkung zu erreichen, basierend auf dem Addieren des Offsets zu der Spannung an der Spannungsregelschleife geringer sind als eine Zeitdauer, welche eine Ausgabe des Spannungsreglers (100) benötigt, eine vorgegebene nominelle Betriebsspannung zu erreichen.
Low-Drop-Spannungsregler, umfassend: einen Fehlerverstärker (102) mit zumindest einem ersten Eingang und einem zweiten Eingang, eine mit dem ersten Eingang des Fehlerverstärkers (102) gekoppelte Spannungsregelschleife, und eine Offsetschaltung (300), welche eingerichtet ist, dem ersten Eingang und/oder dem zweiten Eingang des Fehlerverstärkers (102) während zumindest einem Abschnitt eines Hochfahrens des Spannungsreglers einen Offsetwert bereitzustellen.
Low-Drop-Spannungsregler nach Anspruch 21, weiter umfassend eine mit dem zweiten Eingang des Fehlerverstärkers gekoppelte Referenzspannung, wobei die Offsetschaltung (300) eingerichtet ist, der Spannungsregelschleife den Offsetwert bereitzustellen, während eine Spannung an dem ersten Eingang des Fehlerverstärkers kleiner ist als die Referenzspannung (V_REF).
Low-Drop-Spannungsregler nach Anspruch 21 oder 22, wobei die Offsetschaltung (300) eingerichtet ist, den Offsetwert mit der Referenzspannung (V_REF) an dem zweiten Eingang des Fehlerverstärkers (102) zu kombinieren, während eine Spannung an dem ersten Eingang des Fehlerverstärkers (102) kleiner ist als eine Spannung an dem zweiten Eingang des Fehlerverstärkers.
Low-Drop-Spannungsregler nach einem der Ansprüche 21–23, wobei die Offsetschaltung (300) eingerichtet ist, den Offsetwert dem ersten Eingang und/oder dem zweiten Eingang des Fehlerverstärkers (102) bereitzustellen, bis die Spannungsregelschleife eine vorgegebene Schwellenschleifenverstärkung erreicht.