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Ausführungsbeispiele betreffen allgemein Chipkarten.
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Gemäß Spezifikation darf eine SIM-Karte in Abhängigkeit verschiedener Betriebsparameter typischerweise nur einen gegebenen maximalen Strom verbrauchen. Typischerweise ist der Betriebsstrom einer SIM-Karte jedoch stark abhängig von den von der SIM-Karte ausgeführten Operationen und kann in einigen Szenarien oberhalb der zulässigen Grenze liegen. Entsprechend sind effiziente Maßnahmen wünschenswert, um den Stromverbrauch zu begrenzen ohne in Betriebszuständen mit geringerem Stromverbrauch die Leistungsfähigkeit zu reduzieren.
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Die Druckschrift
DE 10 2006 048 594 A1 beschreibt eine Schaltungsanordnung zum kontaktlosen Datenaustausch mit einem Lesegerät, aufweisend eine Antenne zum Umwandeln elektromagnetischer Strahlung in eine Antennenspannung, eine Analogschaltung zum Demodulieren von Informationssignalen, und eine Digitalschaltung zum Verarbeiten der Informationssignale, wobei die Digitalschaltung von der Analogschaltung mit Energie versorgt wird. Die Druckschrift
DE 696 37 439 T2 beschreibt ein Halbleitergerät, das eine Schwingkreisschaltung enthält, und eine Chipkarte, die das selbige benutzt, und ein Kommunikationssystem. Die Druckschrift
EP 0 977 144 A1 beschreibt einen Datenträger, insbesondere eine Chipkarte, mit zumindest einer Sende/Empfangsantenne sowie einer dieser nachgeschalteten Gleichrichterschaltung zum Bereitstellen einer Versorgungsspannung für zumindest eine getaktete Schaltungseinheit. Die Druckschrift US 2004 / 0 046 537 A1 beschreibt einen Stromspiegel, welcher einen Eingangsstrom empfängt und einen dem Eingangsstrom entsprechenden Ausgangsstrom liefert. Die Druckschrift US 2006 / 0 214 652 A1 beschreibt einen Spannungsregler mit Stromspiegel zum Auskoppeln eines Teil-Stroms. Die Druckschrift
EP 1 386 218 B1 beschreibt eine Frequenzregelschaltung für Schaltungsanordnungen.
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Gemäß einer Ausführungsform wird eine Chipkarte gemäß Anspruch 1 bereitgestellt.
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Die Figuren sollen dazu dienen, die Prinzipien der verschiedenen Ausführungsbeispiele zu illustrieren. Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die folgenden Figuren beschrieben.
- 1 zeigt eine Chipkarte.
- 2 zeigt eine Versorgungsschaltung gemäß einem Ausführungsbeispiel.
- 3 zeigt eine Versorgungsschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
- 4 zeigt eine Versorgungsschaltung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel.
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Die folgende detaillierte Beschreibung bezieht sich auf die beiliegenden Figuren, die Details und Ausführungsbeispiele zeigen.
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Durch Maßnahmen in der Programmierung, beispielsweise durch Einfügen von verlustleistungsarmen Operationen (z. B. NOP) oder eine möglicherweise temporäre (quasi-)statische Reduzierung der Systemfrequenz, kann der Stromverbrauch einer Chipkarte unterhalb einer erlaubten Grenze gehalten werden. Dafür ist jedoch ein erhöhter Aufwand für die Programmierung der Chipkarte erforderlich. Ferner muss dabei typischerweise ein vergleichsweise großer Sicherheitsabstand zum erlaubten Strom eingehalten werden, so dass die Leistungsfähigkeit geringer ist als eigentlich möglich.
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Es kann auch ein integrierter Automatismus vorgesehen werden, der den Systemtakt, wenn der aktuelle Stromverbrauchs eine justierte Schwelle überschreitet, ausblendet. Dies kann mit einer Regelschleife mit integrativem Verhalten mit einer relevanten Zeitkonstante erreicht werden, die auf aufgrund der notwendigen Synchronisierung typischerweise eine signifikante Totzeit hat. Die Zeitkonstante kann dabei so gewählt werden, dass kleine Verletzungen des Stromlimits nicht ausgeregelt werden, um eine hohe Leistungsfähigkeit des Systems zu gewährleisten. Für kurze Zeitkonstanten läuft die Integration schnell in Sättigung, sodass ausgeblendete Takte nicht vollständig berücksichtigt werden und somit im Mittel zu viele Takte ausgeblendet werden. Mit einer langen Zeitkonstante ist der Mechanismus gut geeignet einen Strommittelwert einzustellen.
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Allerdings erfolgt die Ausregelung auf Grund der Totzeit und der großen Nichtlinearität der Regelgröße periodisch, sodass es regelmäßig zu Überschreitungen kommt. Darüber hinaus erfolgt auch die Ausregelung starker Lastwechsel mit einer relevant großen Verzögerung, sodass die Spezifikation hinsichtlich der Dauer erlaubter Überschreitungen nur schwer eingehalten werden kann.
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Die auf Grund der Regelschleife entstehenden Taktpakete erzeugen hohe Lastwechsel im System die nur schwer auszuregeln sind.
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Im Folgenden wird eine Chipkarte mit einer Energieversorgung einer zu versorgenden Komponente beschrieben, die es ermöglicht, eine schnelle Regelschleife zu verwenden, um Spannung und Strom im geforderten Bereich sicher zu stellen. 1 zeigt eine Chipkarte 100.
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Die Chipkarte 100 weist ein oder mehreren zu versorgenden Komponenten 101 auf.
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Die Chipkarte 100 weist ferner eine Stromquelle 102 auf, die eingerichtet ist, der einen oder mehreren zu versorgenden Komponenten einen Versorgungsstrom mit vordefinierter Stromstärke bereitzustellen.
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In einer Ausführungsform wird in anderen Worten der Strom, der einer Menge von zu versorgenden Komponenten zur Verfügung gestellt wird, auf einen vordefinierten Wert (beispielsweise einen gemäß einer Spezifikation zulässigen Wert) festgelegt. Im Falle mehrerer zu versorgender Komponenten verbraucht beispielsweise jede der zu versorgenden Komponenten einen Teil des Versorgungsstroms, sodass den zu versorgenden Komponenten in Summe ein Versorgungsstrom mit der vordefinierten Stromstärke zugeführt wird. Eine zu versorgende Komponente ist beispielsweise ein interner Verbraucher der Chipkarte, wie beispielsweise eine Logikschaltung.
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Beispielsweise ist ein Längsregler (für die Energieversorgung) in einem Betriebszustand vorgesehen, in dem er eine Begrenzung des zur Verfügung stehenden Stromes bewirkt. Funktionalitäten zur Spannungsbegrenzung können verwendet werden, um ein zuverlässig arbeitendes System (z.B. eine korrekte Funktion der zu versorgenden Komponente) zu gewährleisten. Dieser Betriebszustand wird dadurch erreicht, dass der Längsregler als Stromquelle betrieben wird. Beispielsweise wird der Arbeitspunkt der Stromquelle über eine skalierte Kopie eines Regeltransistors und eine Stromreferenz eingestellt. Mittels dieser Stromreferenz kann der gewünschten Wert des Versorgungsstroms für eine zu versorgende Komponente eingestellt werden. Dabei kann ein zusätzlicher Anteil am Gesamtstrom weiterer Regler und zu versorgender Komponenten gegebenenfalls berücksichtigt werden.
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Die Chipkarte weist beispielsweise eine Referenzstromquelle auf, wobei die vordefinierte Stromstärke durch die Stromstärke der Referenzstromquelle vordefiniert ist.
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Die Temperaturabhängigkeit der Stromstärke der Referenzstromquelle ist beispielsweise einstellbar.
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Die Chipkarte kann auch einen Speicher aufweisen, der eingerichtet ist, einen Wert zu speichern, durch den die vordefinierte Stromstärke vordefiniert ist.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Chipkarte einen Regler auf, der eingerichtet ist, den Versorgungsstrom auf die vordefinierte Stromstärke zu regeln.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Chipkarte einen Regler auf, der eingerichtet ist, eine zu versorgende Komponente der ein oder mehreren zu versorgenden Komponenten derart zu steuern, dass eine Spannung zwischen zwei Knoten der zu versorgenden Komponente über einem vorgegeben Schwellwert oder dass die Spannung zwischen zwei vorgegebenen Schwellwerten liegt.
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Beispielsweise sind die zwei Knoten ein Energieversorgungseingangsknoten für ein hohes Versorgungspotential und ein Energieversorgungseingangsknoten für ein niedriges Versorgungspotential der zu versorgenden Komponente.
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Die zwei Knoten können auch zwei interne Knoten der zu versorgenden Komponente sein.
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Der Regler ist beispielsweise eingerichtet, die Spannung durch Steuern eines Taktsignals, das der zu versorgenden Komponente zugeführt wird, zu regeln.
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Der Regler ist beispielsweise eingerichtet, die Anzahl von Takten des Taktsignals pro Zeiteinheit zu verringern, wenn die Spannung unter dem vorgegebenen Schwellwert liegt.
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Der Regler kann beispielsweise eingerichtet sein, Takte des Taktsignals auszublenden, wenn die Spannung unter dem vorgegebenen Schwellwert liegt.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Stromquelle einen Stromspiegel auf, der eingerichtet ist, den Versorgungsstrom durch Spiegeln eines Referenzstroms bereitzustellen.
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Die ein oder mehrere zu versorgenden Komponenten sind beispielsweise mehrere zu versorgende Komponenten, und die Stromquelle ist beispielsweise eingerichtet, jeder der zu versorgenden Komponenten einen Versorgungsstrom zuzuführen, so dass die Summe der Stromstärken der Versorgungsströme gleich der vordefinierter Stromstärke ist.
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Die vordefinierte Stromstärke ist beispielsweise einstellbar.
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Gemäß einer Ausführungsform weist die Chipkarte einen Regler auf, der als die Stromquelle betrieben wird und die Spannung an der einen oder den mehreren zu versorgenden Komponenten (durch geeignete Maßnahmen) regelt.
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Im Folgenden werden Beispiele genauer beschrieben.
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Gemäß verschiedenen Ausführungsformen erfolgt die Integration der Abweichung des Betriebsstromes (Versorgungsstroms) von seinem Sollwert direkt auf der Kapazität zwischen Masse und der Versorgungsspannung. Gemäß einer Ausführungsform wird ein Längsregler als Stromquelle betrieben, sodass sich nach außen ein im Wesentlichen konstanter Stromverbrauch der zu versorgenden Komponente ergibt. Für die interne Schaltung der zu versorgenden Komponente ergibt sich dadurch ein erzwungener Strommangel, sobald deren Stromverbrauch den vorgegebenen Wert übersteigt. Der sich ändernde Stromverbrauch der zu versorgenden Komponente führt somit zu einer variierenden internen Spannung. Beispielsweise wird durch einen Unterspannungsschutz wird sichergestellt, dass die interne Betriebsspannung nicht unter ein definiertes Minimum fällt. Beispielsweise wird, falls die Spannung einen definierten Schwellwert unterschreitet, ein Oszillator, der ein Taktsignal für die zu versorgende Komponente bereitstellt, synchron gestoppt. Sobald die interne Versorgungsspannung wieder einen ausreichend hohen Wert erreicht hat, wird der Oszillator asynchron wieder aktiviert und ein Systemtakt erzeugt.
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2 zeigt eine Versorgungsschaltung 200.
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Die Versorgungsschaltung 200 ist beispielsweise auf einer Chipkarte angeordnet und dient zur Energieversorgung einer zu versorgenden Komponente 201.
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Die zu versorgende Komponente 201 ist über einen ersten Energieversorgungsknoten 202 mit Masse (oder VSS) verbunden und wird über einen zweiten Energieversorgungsknoten 203 mit Strom versorgt.
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Der zweite Energieversorgungsknoten 203 ist mit der Source-Anschluss eines ersten n-Kanal-Transistors 204 verbunden, dessen Drain-Anschluss mit einem externen Versorgungspotential verbunden ist und dessen Gate-Anschluss mit dem Gate-Anschluss eines zweiten n-Kanal-Transistors 205 verbunden ist. Der Drain-Anschluss des zweiten n-Kanal-Transistors 205 ist mit dem Versorgungspotential verbunden.
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Eine Referenzstromquelle 206 ist zwischen dem Source-Anschluss des zweiten n-Kanal-Transistors 205 und Masse angeordnet. Der Source-Anschluss des zweiten n-Kanal-Transistors 205 ist ferner mit einem Eingang eines Operationsverstärkers 207 verbunden. Dem Operationsverstärker 207 wird über einen zweiten Eingang eine Referenzspannung zugeführt. Der Ausgang des Operationsverstärkers 207 ist mit den Gate-Anschlüssen der n-Kanal-Transistoren 204, 205 verbunden.
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Ein erster Eingang 209 eines Reglers 208 ist mit dem Source-Anschluss des ersten n-Kanal-Transistors 204 verbunden und ein zweiter Eingang 210 des Reglers 208 ist mit dem Source-Anschluss des zweiten n-Kanal-Transistors 205 verbunden. Der Ausgang 211 des Reglers 208 ist mit der zu versorgenden Komponente zum Zuführen eines Steuersignals verbunden.
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Die Gate-Spannung der n-Kanal-Transistoren 204, 205 wird mittels des Operationsverstärkers 207 so eingestellt, dass das Source-Potential des zweiten n-Kanal-Transistors 205 der an den Operationsverstärker 207 angelegten Referenzspannung entspricht.
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Durch den Referenzstrom wird der durch den zweiten n-Kanal-Transistor 205 fließende Strom definiert. Unter der Annahme, dass das Source-Potential der n-Kanal-Transistoren 204, 205 identisch ist, arbeiten diese Transistoren als Stromspiegel. Der erste n-Kanal-Transistor 204 stellt damit der zu versorgenden Komponente 201 ein über den Spiegelfaktor des Stromspiegels a (z.B. a=1000) definiertes Vielfaches des Referenzstromes zur Verfügung.
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Übersteigt der nominelle Verbrauch der zu versorgenden Komponente 201 den zur Verfügung stehenden Strom, sinkt das Potential am zweiten Energieversorgungsknoten 203 (d.h. die Spannung an der zu versorgenden Komponente 201) ab. Der Regler 208 sorgt mittels geeigneter Maßnahmen dafür, dass der Stromverbrauch der zu versorgenden Komponente gerade so eingestellt wird, dass die Source-Potentiale der n-Kanal-Transistoren 204, 205 identisch sind. Die Annahme gleicher Source-Potentiale ist somit gerechtfertigt.
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Da der Verbrauch des Gesamtsystems durch den Stromfluss durch den ersten n-Kanal-Transistor 204 dominiert wird, lässt sich somit der Gesamtstrom im Wesentlichen über den Referenzstrom einstellen.
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Der Regler 208 kann den Stromverbrauch der zu versorgenden Komponente 201 durch Ausblenden von System- oder Oszillatortakten reduzieren und damit die Source-Potentiale auf dem gleichen Wert halten (im Folgenden bezeichnet als Variante 1).
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Der Regler 208 kann beispielsweise als Komparator zwischen den Knoten Source-Anschlüssen der n-Kanal-Transistoren realisiert sein (Variante 2).
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Ein Beispiel für eine Implementierung des Reglers 208 als Komparator ist in 3 dargestellt.
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3 zeigt eine Versorgungsschaltung 300.
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Die Versorgungsschaltung 300 weist analog zu der Versorgungsschaltung 200 eine zu versorgende Komponente 301, Energieversorgungsknoten 302, 303, n-Kanal-Transistoren 304, 305, eine Referenzstromquelle 306 und einen Operationsverstärker 307 auf.
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Der Regler 208 ist in diesem Beispiel wie folgt implementiert. Die beiden Eingänge eines zweiten Operationsverstärkers 308 sind mit dem Source-Anschluss des ersten n-Kanal-Transistors 304 bzw. dem Source-Anschluss des zweiten n-Kanal-Transistors 305 verbunden.
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Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 308 ist mit dem Gate-Anschluss eines p-Kanal-Transistors 309 verbunden, dessen Source-Anschluss mit dem Source-Anschluss des ersten n-Kanal-Transistors 304 verbunden ist und dessen Drain-Anschluss den Ausgang des Reglers darstellt, wobei das entsprechende Steuersignal in diesem Beispiel einen Oszillator 310 steuert, der der zu versorgenden Komponente 301 ein Taktsignal bereitstellt.
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Eine Arbeitspunktstromquelle 311 ist zwischen den Drain-Anschluss des p-Kanal-Transistors 309 und Masse geschaltet. Außerdem ist eine Steuerschaltung 312 zwischen dem Operationsverstärker 308 und Masse vorgesehen.
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In diesem Beispiel ist der Regler als Stromzweig mit einem Arbeitspunktstrom (bereitgestellt durch die Arbeitspunktstromquelle 311) ausgeführt. Der Regler steuert das Potential des Gates des p-Kanal-Transistors 309 so, dass das die Source-Potentiale der n-Kanal-Transistoren 304, 305 gleich sind (Variante 3a).
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Damit kann sowohl eine schnelle Reaktionszeit der Ausblendung von Takten des von dem Oszillator 310 bereitgestellten Taktsignals als auch ein präzises Abgleichen der Source-Potentiale realisiert werden. Insbesondere kann eine Übereinstimmung der Knotenpotentiale im Mittel erreicht werden.
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Die Steuerschaltung 312 kann zusätzlich vorgesehen sein, um das Potential des Gates des p-Kanal-Transistors 309 im Fall eines Stromverbrauchs der zu versorgenden Komponente unterhalb des durch den Referenzstroms eingestellten Wertes auf ein vordefiniertes Minimum zu begrenzen (Variante 3b).
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Eine Kapazität 313 kann zusätzlich vorgesehen sein, die eine dynamische Kopplung der Source-Anschlüsse der n-Kanal-Transistoren 304, 305 sicherstellt (Variante 3c). Da der Strom durch die n-Kanal-Transistoren nichtlinear von den jeweiligen Source-Potentialen abhängt, ist für eine präzise Stromregelung eine möglichst genaue Übereinstimmung der Source-Potentiale zu jedem Zeitpunkt erforderlich.
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In einer Ausführungsform weist die Chipkarte mehrere zu versorgende Spannungsdomänen (mit jeweils ein oder mehreren zu versorgenden Komponenten) auf, in denen ein zeitlich variabler, relevanter Stromverbrauch existiert.
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Im Folgenden wird angenommen, dass der die zu versorgende Komponente zu einer ersten Spannungsdomäne gehört und die Summe des Stromverbrauchs in allen weiteren Spannungsdomänen den zulässigen Maximalwert nicht übersteigt.
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In 4 ist eine Versorgungsschaltung dargestellt, bei der eine gewichtete Ausspiegelung der Versorgungsströme für (in diesem Beispiel) eine weitere Spannungsdomäne am Summenknoten (Source-Anschluss des zweiten n-Kanal-Transistors 205) subtrahiert wird und so bei der Einstellung des Arbeitspunktes des ersten n-Kanal-Transistors 204 berücksichtigt wird.
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4 zeigt eine Versorgungsschaltung 400.
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Die Versorgungsschaltung 400 weist analog zu der Versorgungsschaltung 200 eine zu versorgende Komponente 401, einen Energieversorgungsknoten 402, 403, n-Kanal-Transistoren 404, 405, eine Referenzstromquelle 406, einen Operationsverstärker 407 und einen Regler 408 auf.
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Es wird angenommen, dass die zu versorgende Komponente 401 zu einer ersten Spannungsdomäne gehört und dass die Chipkarte in diesem Beispiel eine zweite Spannungsdomäne mit einer zweiten zu versorgenden Komponente 409 aufweist.
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Analog zu der ersten zu versorgenden Komponente 401 weist die zweite zu versorgende Komponente einen ersten Energieversorgungsknoten 411, der mit Masse verbunden ist, und einen zweiten Energieversorgungsknoten 412 auf.
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Der zweite Energieversorgungsknoten 412 ist mit dem Drain-Anschluss eines ersten p-Kanal-Transistors 412 gekoppelt, dessen Source-Anschluss mit dem Versorgungspotential gekoppelt ist und dessen Gate-Anschluss mit dem Gate-Anschluss eines zweiten p-Kanal-Transistors 413 gekoppelt ist. Der Source-Anschluss des zweiten p-Kanal-Transistors 413 ist mit dem Source-Anschluss des zweiten n-Kanal-Transistors 405 gekoppelt. Der entsprechende Verbindungsknoten wird auch als Summenknoten bezeichnet.
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Ein zweiter Operationsverstärker 414 ist mit einem Eingang mit dem Drain-Anschluss des ersten p-Kanal-Transistor 412 verbunden und erhält über den zweiten Eingang eine zweite Referenzspannung. Der Ausgang des zweiten Operationsverstärkers 414 ist mit den Gaten-Anschlüssen der p-Kanal-Transistoren 412, 413 verbunden.
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Ist der Stromverbrauch in der weiteren Spannungsdomäne nahezu konstant, kann dieser als Vorhalt (z.B. bei der Referenzstromquelle 206) berücksichtigt werden. Auf eine Summenbildung wie bei der Versorgungsschaltung 400 an dem Summenknoten kann dann verzichtet werden.
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Wie in 4 gezeigt, kann der Längsregeltransistor für die zusätzliche Spannungsdomäne ein p-Kanal Transistor 412 sein (Variante 5). Alternativ kann ein n-Kanal-Transistor verwendet werden.
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Als p-Kanal-Transistoren und n-Kanal-Transistoren können in allen Ausführungsformen z.B. pMOS-Transistoren bzw. nMOS-Transistoren verwendet werden. Alternativ kann jede Art von Transistoren verwendet werden. Allgemein können jegliche Art von Elementen verwendet werden, bei denen sich der Widerstand bzw. der Stromfluss steuern lässt.
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Das Ausspiegeln erfolgt bei der Versorgungsschaltung 400 für die weitere Spannungsdomäne äquivalent zu dem Ausspiegeln für die erste Spannungsdomäne mit einem Spiegelfaktor a'. Fall a≠a' kann dieser Unterschied an anderer Stelle kompensiert werden.
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Die Drainspannung des zweiten p-Kanal-Transistors 413 (Auskoppeltransistor) kann kaskodiert werden , um den Spiegelfehler durch den endlichen Ausgangswiderstand der p-Kanal-Transistoren 412, 413 zu minimieren (Variante 6).
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Die Stromsubstraktion am Summenknoten Knoten kann gewichtet und gegebenenfalls chipindividuell justiert werden um eine etwaige Fehlanpassung auszugleichen (Variante 7).
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Die Gewichtung kann durch eine zusätzliche Umspiegelung realisiert werden (Variante 8), gegebenenfalls mit Kaskode.
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In einer Ausführungsform weist die Chipkarte mehrere zu versorgende Spannungsdomänen (mit jeweils ein oder mehreren zu versorgenden Komponenten) auf, in denen ein zeitlich variabler, relevanter Stromverbrauch existiert, wobei (im Unterschied zu dem Beispiel von 4) angenommen wird, die zu versorgende Komponente 201 zu einer ersten Spannungsdomäne gehört und die Summe des Stromverbrauchs in allen weiteren Spannungsdomänen den zulässigen Maximalwert zumindest temporär übersteigen kann.
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In diesem Fall können weitere Regler vorgesehen seien, die mittels geeigneter Maßnahmen in den zusätzlichen Domänen entstehenden Stromverbräuche reduzieren (Variante 9). Diese Regler können analog zu dem Regler 208 implementiert sein und analoge Maßnahmen in den weiteren Spannungsdomänen ergreifen (z.B. Takte ausblenden).
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Die Stärke des Referenzstroms, der von der Referenzstromquelle 206 geliefert wird, kann einstellbar sein, so dass verschiedene zulässige maximale Versorgungsströme erreicht werden können (Variante 10).
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Die Stärke des Referenzstroms, der von der Referenzstromquelle 206 geliefert wird, kann beispielsweise chipindividuell justierbar sein, z.B. um Fehler auszugleichen (Variante 11).
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Die Stärke des Referenzstroms, der von der Referenzstromquelle 206 geliefert wird, kann in seiner Temperaturabhängigkeit (z.B. chipindividuell) justierbar sein (Variante 12), sodass beispielsweise ein Kompromiss zwischen der Performance über Temperatur und dem Justiervorhalt gefunden werden kann.
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Die Justierung der Temperaturabhängigkeit kann beispielsweise durch einstellbares Mischen eines Referenzstroms mit positiver Temperaturabhängigekeit (PTAT-Referenzstrom für engl. proportional to absolute temperature) Referenzstroms mit negativer Temperaturabhängigekeit (NTAT-Referenzstrom für engl. negatively proportional to absolute temperature) erfolgen (Variante 13).
