DE102013114248B4 - Stromparkender Schaltregler mit geteiltem Induktor - Google Patents

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Abstract

Verfahren eines Regulierens eines Spannungspegels an einer Last, welches umfasst: Konfigurieren eines Stromsteuerungsmechanismus (M11, M12), um einen Strom durch einen ersten Induktor (L11) und durch einen zweiten Induktor (L2) zu erzeugen, welche in Reihe gekoppelt sind; sowie Konfigurieren eines Spannungssteuerungsmechanismus (M13, M14), um einen Anteil des Stromes bereitzustellen, um den Spannungspegel an der Last (210, 320) zu regulieren, wobei der zweite Induktor (I2) die Last (210, 320) von einer parasitären Kapazität (CPA) des Stromsteuerungsmechanismus (M11, M12) isoliert, indem eine Schaltfrequenz des Spannungssteuermechanismus (M13, M14) höher als eine Resonanzfrequenz eines Schwingkreises, welcher durch den zweiten Induktor (L2) und die parasitäre Kapazität (CPA) gebildet wird, ist.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Regelschaltkreise.
  • HINTERGRUND
  • Herkömmliche Geräte wie Mikroprozessoren und Graphikprozessoren, wie sie in digitalen Hochleistungssystemen vorkommen, können abhängig von der Prozessierungsarbeitslast einen wechselnden Strombedarf haben. Zum Beispiel kann der Strombedarf drastisch ansteigen, wenn ein Logikblock nach einem Wartezustand wieder gestartet wird, oder wenn eine neue Anfrage eine umfangreiche Berechnung, wie die Erzeugung eines neuen Bildes, einleitet. Umgekehrt kann der Strombedarf dramatisch abfallen, wenn ein Logikblock untätig wird. Wenn der Strombedarf zunimmt, ohne dass genügend Leistung vorhanden ist, so kann die für das Gerät bereitgestellte Versorgungsspannung unter ein kritisches Spannungsniveau herabsinken, was gegebenenfalls dazu führen kann, dass das Gerät nicht mehr ordnungsgemäß funktioniert. Wenn der Strombedarf sinkt und die dem Gerät zur Verfügung gestellte Versorgungsspannung über ein kritisches Spannungsniveau anwächst, so kann es passieren, dass Schaltkreise innerhalb des Gerätes nicht mehr ordnungsgemäß funktionieren, oder dass sie sogar zerstört werden.
  • In diesem Zusammenhang offenbart die WO 2012176006 A1 einen Wandler zum Übertragen von Energie zwischen einem ersten Gleichstromsystem mit einer ersten Gleichspannung V1 und einem zweiten Gleichstromsystem mit einer Gleichspannung V2. Der Wandler umfasst einen ersten Wechselstrom-Gleichstromwandler zum Wandeln einer Gleichspannung in eine erste Wechselspannung und einen zweiten Wechselstrom-Gleichstromwandler zum Wandeln einer Gleichspannung in eine zweite Wechselspannung. Der Wandler umfasst ferner zwei Induktoren L1, L2 und eine Kapazität C. Die ersten Anschlüsse der Induktoren und der Kapazität sind zusammen verbunden. Der zweite Anschluss des Induktors L1 und der zweite Anschluss der Kapazität C sind mit der ersten Wechselspannung verbunden und der zweite Anschluss des Induktors L2 und der zweite Anschluss der Kapazität C sind mit der zweiten Wechselspannung verbunden. Der Wert der Kapazität C, des Induktors L1 und des Induktors L2 sind ausgewählt, um eine geforderte Leistungsübertragung zu ermöglichen und einen Strom in den Induktoren zu minimieren.
  • Die DE 22 50 575 A betrifft eine Schaltung zum verlustarmen Konstantregeln einer Gleichspannung an einer Last, mit einem ersten Zweipunkt-Schaltregler, einer Drossel mit einer Freilaufdiode und einem ohmschen Widerstand in Reihenschaltung mit der Last und mit einem den Schaltregler schaltenden Trigger, welcher durch einen Regelverstärker in Abhängigkeit von einem Soll-Istwertvergleich für den Gleichstrom in der Drossel mit Istwerterfassung am ohmschen Widerstand steuerbar ist. Zum Konstantregeln einer mit hohem Laststrom belasteten Gleichspannung ist ein zweiter Zweipunkt-Schaltregler über eine für den Laststrom durchlässige Diode einem Kondensator und einem hochohmigen Spannungsteiler sowie auch der Last parallelgeschaltet. Ein diesen Schaltregler schaltender Trigger wird durch einen Regelverstärker in Abhängigkeit von einem Soll-Istwertvergleich für die Gleichspannung an der Last mit Istwerterfassung am Spannungsteiler gesteuert. Unabhängig davon wird der erste Zweipunkt-Schaltregler jeweils zum Konstantregeln des Gleichstromes in der Drossel und zur Begrenzung des Laststromes verwendet.
  • Ein konventioneller Mehrphasenschaltregler (multi-phase switching regulator) ist ein elektrisches Energieumwandlungsgerät (electric power conversion device), welches eine Energieversorgung mit einem Gerät verbindet, diesem Gerät Strom zur Verfügung stellt und reagierend auf Änderungen im Strombedarf eine Versorgungsspannung aufrecht erhält. Ein konventioneller Mehrphasenschaltregler stützt sich für die Spannungsumwandlung auf einen großen Induktor und dieser große Induktor begrenzt das Vermögen des konventionellen Mehrphasenschaltreglers, schnell auf drastische Änderungen im Strombedarf (d. h. auf Stromsprünge) zu reagieren. Eine typische 30 A Phase des konventionellen Mehrphasenschaltreglers kann einen 0,5 μH Induktor für die Spannungsumwandlung verwenden. Die Stromantwort ist begrenzt auf di/dt = V/L, was für V = 11 V (Absenken einer 12 V Eingangsspannung auf eine 1 V Versorgungsspannung) und L = 0,5 μH einen Wert von 22 A/μs ergibt. Das Erhöhen des Eingangsstromes für ein Gerät um 10 A würde wenigstens 500 ns erfordern. Die Synchronisierung des Schaltvorgangs der Pulsweitenmodulation kann die Stromreaktionszeit des konventionellen Mehrphasenschaltreglers zusätzlich um einige Mikrosekunden erhöhen. Wenn eine Taktperiode des Gerätes kleiner als die Stromreaktionszeit ist, so kann das Gerät den ordnungsgemäßen Betrieb versagen. Eine 500 MHz Taktung hat eine Periode von 2 ns, so dass während der Stromreaktionszeit Hunderte von Taktperioden ablaufen.
  • Folglich gibt es einen Bedarf an Verbesserungen bezüglich der Regulierung von Spannungspegeln und/oder anderen Problemen, die mit dem Stand der Technik verbunden sind.
  • ZUSAMMENFASSUNG
  • Es werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Regelung eines Spannungswertes an einer Last gemäß der unabhängigen Ansprüche bereitgestellt. Das Verfahren konfiguriert einen Stromsteuerungsmechanismus, welcher Strom durch einen ersten und durch einen zweiten Induktor erzeugt, die in Reihe geschaltet sind, und es konfiguriert einen Mechanismus zur Spannungssteuerung, der einen Teil des Stromes dazu bereitstellt, den Spannungspegel zu regulieren. Der zweite Induktor isoliert die Last von einer parasitären Kapazität des Stromsteuerungsmechanismus. Ein Gerät zur Regelung des Spannungspegels an der Last umfasst den Stromsteuerungsmechanismus, welcher an eine elektrische Energiequelle gekoppelt ist, und konfiguriert ist, einen Strom durch den ersten Induktor und durch den zweiten Induktor zu erzeugen, welche in Reihe geschaltet sind, sowie den Mechanismus zur Spannungssteuerung, welcher an den zweiten Induktor gekoppelt ist und konfiguriert ist, einen Anteil des Stromes zur Regelung des Spannungspegels bereitzustellen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1A stellt gemäß einer Ausführungsform ein elektrisches Energieumwandlungssystem dar, welches ein elektrisches Energieumwandlungsgerät umfasst, welches als ein stromparkender Schaltregler (current-parking switching regulator) mit einem einzigen Induktor implementiert ist.
  • 1B stellt gemäß einer Ausführungsform einen Mehrphasenschaltregler (multi-phase switching regulator) dar, welcher mehrere elektrische Energieumwandlungsgeräte enthält.
  • 2 stellt gemäß einer Ausführungsform einen stromparkenden Schaltregler mit einem geteilten Induktor dar.
  • 3A stellt gemäß einer Ausführungsform ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Regulierung des Spannungspegels dar, welcher einer Last bereitgestellt wird.
  • 3B stellt gemäß einer Ausführungsform Wellenformen dar, welche mit dem stromparkender Schaltregler mit geteiltem Induktor aus 2 korrespondieren.
  • 3C stellt gemäß einer Ausführungsform Wellenformen dar, welche mit dem stromparkender Schaltregler mit geteiltem Induktor aus 2 korrespondieren, wenn ein Stromsprung stattfindet.
  • 4 stellt gemäß einer Ausführungsform ein weiteres Ablaufdiagramm für ein Verfahren zur Regulierung des Spannungspegels dar, welcher einer Last bereitgestellt wird.
  • 5 stellt gemäß einer Ausführungsform ein Diagramm eines stromparkenden Schaltreglers mit einem geteilten Induktor aus 2 innerhalb eines Systems dar.
  • 6 stellt ein beispielhaftes System dar, in welchem die verschiedenen Architekturen und Funktionalitäten der verschiedenen, vorangegangenen Ausführungsformen implementiert werden können.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Ein elektrisches Energieumwandlungsgerät stellt einen gewünschten Spannungspegel an einer Last, wie zum Beispiel einem Gerät, bereit. Das elektrische Energieumwandlungsgerät wandelt Energie, welche von einer Energiequelle (zum Beispiel Batterie oder Hauptenergieversorgung) erhalten wird, in einen Versorgungsspannungspegel um, welcher der Last bereitgestellt wird. Ein Induktor wird verwendet, um der Last zusätzlichen Strom zu liefern und den Pegel der Ausgangsspannung mit Hilfe von Schaltmechanismen zu regeln, welche den mittleren Strom modulieren, der durch den Induktor fließt. Ein Kondensator ist zwischen die Last und Erde gekoppelt, um jeglichen überschüssigen Strom zu speichern (die Differenz zwischen dem Strom, der vom Induktor bereitgestellt wird und dem Strom, der der Last geliefert wird).
  • 1A stellt gemäß einer Ausführungsform ein elektrisches Energieumwandlungssystem 100 dar, welches ein elektrisches Energieumwandlungsgerät 120 enthält, das als ein stromparkender Schaltregler mit einem einzigen Induktor L1 implementiert ist. Das elektrische Energieumwandlungsgerät 120 kann eine Phase eines Mehrphasenschaltreglers sein, wie in 1B gezeigt. Das elektrische Energieumwandlungsgerät 120 ist konfiguriert, einen gewünschten Ausgangsspannungspegel (VLast) an der Last 110 durch Umwandlung der Energie, welche von einer elektrischen Energiequelle 108 erhalten wird, bereitzustellen. Das elektrische Energieumwandlungsgerät 120 enthält einen Stromsteuerungsmechanismus und einen Spannungssteuerungsmechanismus. Der Stromsteuerungsmechanismus ist an die elektrische Energiequelle 108 gekoppelt, und die Steuerung 105 ist betreibbar, den Mittelwert des Stromes IL1, welcher durch den Induktor L1 fließt, zu steuern und sicherzustellen, dass ein minimaler Strom über die mehreren Phasen eines Mehrphasenschaltreglers bereitgestellt wird. Wie dargestellt kann der Stromsteuerungsmechanismus zum Beispiel einen oder mehrere erste Schaltmechanismen M1 und einen oder mehrere zweite Schaltmechanismen M2 beinhalten. Jeder der Schaltmechanismen M1 und M2 kann zum Beispiel n-Typ Leistungs-MOSFETs (Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren) und/oder andere Schaltmechanismen enthalten. Obwohl einzelne Schaltmechanismen M1 und M2 zum besseren Verständnis dargestellt sind, wird man einsehen, dass eine Vielzahl von Schaltmechanismen M1 und M2 parallel verbunden werden können, um die Stromkapazität zu erhöhen, um Leitungsverluste zu verringern und Ähnliches.
  • Die Steuerung 105 ist konfiguriert, um ein oder mehr Steuersignale auf die Schaltmechanismen M1 und M2 anzuwenden. Zum Beispiel kann die Steuerung 105 konfiguriert werden, Signale mit Pulsweitenmodulation (pulse width modulation, PWM) oder Pulsfrequenzmodulation (pulse frequency modulation, PFM), eine Kombination von PWM und PFM und/oder andere Steuersignale zu erzeugen, um die Schaltmechanismen M1 und M2 entsprechend einem Duty-Faktor (duty factor) selektiv einzuschalten. Unabhängig von der speziellen Konfiguration ist die Steuerung 105 konfiguriert, Steuersignale so bereitzustellen, dass die Schaltmechanismen M1 und M2 nicht gleichzeitig eingeschaltet sind. Mit anderen Worten ist jeweils nur einer der Schaltmechanismen M1 und M2 zu einem Zeitpunkt eingeschaltet. Gleichzeitiges Einschalten der Schaltmechanismen M1 und M2 stellt einen direkten Pfad zwischen der elektrischen Energiequelle 108 und Erde bereit, wodurch das elektrische Energieumwandlungsgerät 120 und/oder die Last 110 möglicherweise beschädigt werden und/oder ein ungewünscht hoher Leistungsverbrauch entsteht.
  • Im Gegensatz zu konventionellen elektrischen Energieumwandlungsgeräten, beinhaltet das elektrische Energieumwandlungsgerät 120 einen Spannungssteuerungsmechanismus zusätzlich zu einem Stromsteuerungsmechanismus. Der Spannungssteuerungsmechanismus ist zwischen dem Stromsteuerungsmechanismus (stromabwärts (downstream) des Induktors L1) und der Last 110 gekoppelt und ist betreibbar, die Spannung VLast zu steuern. Der Spannungssteuerungsmechanismus ist betreibbar, die Menge des Induktorstroms IL1 zu steuern, welcher dem Kondensator C1 geliefert wird. Als solcher umfasst der Spannungssteuerungsmechanismus einen oder mehrere Schaltmechanismen M3 und einen oder mehrere Schaltmechanismen M4. Die Schaltmechanismen M3 und M4 können zum Beispiel planare n-Typ MOSFETs (Metalloxidhalbleiterfeldeffekttransistoren) und/oder andere Schaltmechanismen enthalten. Obwohl nur einzelne Schaltmechanismen M3 und M4 zum besseren Verständnis illustriert sind, wird es einsichtig sein, dass eine Vielzahl von Schaltmechanismen M3 und M4 parallel verbunden werden können, um die Stromkapazität zu erhöhen, um die Leitungsverluste zu verringern und Weiteres.
  • Ein konventionelles Energieumwandlungsgerät enthält nicht die Schaltmechanismen M3 und M4, der Induktor L1 wäre daher dort direkt mit dem Kondensator C1 und der Last 110 verbunden. Jeder Überschussstrom, welcher durch den Induktor L1 fließt und nicht von der Last 110 verbraucht wird, sammelt sich auf dem Kondensator C1 an, und jeder Strom, welcher von der Last 110 verbraucht wird und welcher den Strom überschreitet, welcher vom Induktor L1 geliefert wird, wird vom Kondensator C1 gespeist. Der Induktor L1 widersetzt sich Stromänderungen, wodurch verhindert wird, dass die im Induktor L1 gespeicherte Energie der Last 110 auf einen Schlag bereitgestellt wird, wenn der Strombedarf der Last 110 ansteigt. Diese Eigenschaft von Induktoren zusammen mit der Speicherkapazität des Kondensators C1 führen dazu, dass VLast während Gleichgewichtsbetrieb (d. h., wenn der Strombedarf der Last 110 relativ konstant ist) relativ stabil ist. Gleichwohl tritt eine „Welligkeit” bei VLast auf, die unter anderem von der Größe des Induktors L1, der Größe des Kondensators C1 und/oder der Schaltfrequenz der Steuerung 105 abhängt. Allgemein gesprochen vermindert sich die Ausgangswelligkeit im Gleichgewichtsbetrieb (das heißt bei näherungsweise konstantem Strombedarf an der Last 110) proportional mit wachsender Größe des Induktors L1. Dementsprechend kann der Induktor L1 geeignet groß dimensioniert werden, um eine Spannung VLast bereitzustellen, welche nicht außerhalb eines gewünschten Versorgungsspannungsbereichs für die Last 110 schwankt. Wie jedoch bereits erklärt wurde, ist ein konventionelles elektrisches Energieumwandlungsgerät typischerweise nicht in der Lage, schnell genug auf Änderungen des Strombedarfs der Last 110 zu reagieren. Die große Induktivität von L1, welche notwendig ist, um die Welligkeit von VLast zu reduzieren, vergrößert die Reaktionszeit, wodurch größere Spannungsabweichungen erzeugt werden, wenn sich der Strombedarf der Last 110 ändert. Der Spannungssteuerungsmechanismus, welcher in dem elektrischen Energieumwandlungsgerät 120 enthalten ist, erlaubt eine schnellere Reaktionszeit in Bezug auf Änderungen im Strombedarf der Last 110, ohne dass es erforderlich ist, die Größe des Induktors zu verkleinern, was dazu führen kann, dass sich die Welligkeit bei der Spannung VLast erhöht.
  • Im Vergleich zu den Schaltmechanismen M1 und M2 kann die Spannung über die Schaltmechanismen M3 und M4 wesentlich kleiner als der Spannungsabfall über dem Induktor L1 sein. Zum Beispiel kann die Spannung auf der flußabwärtigen Seite des Induktors L1 im Wesentlichen äquivalent zur Ausgangsspannung an der Last 110 sein. Da die Schaltmechanismen M3 und M4 verglichen mit den Schaltmechanismen M1 und M2 eine niedrigere Spannung schalten, können die Schaltmechanismen M3 und M4 im Gegensatz zu den Schaltmechanismen M1 und M2 aus Niedrigspannungsbauteilen, wie „planaren” MOS-Transistoren, aufgebaut sein. Niedrigspannungsbauteile können im Vergleich zu Hochspannungsbauteilen wie Leistungs-MOSFETs typischerweise mit höheren Frequenzen geschaltet werden. Daher ist der Leitungsverlust aufgrund von Schalten der Schaltmechanismen M3 und M4 niedriger als der der Schaltmechanismen M1 und M2. Daher können die Schaltmechanismen M3 und M4 mit einer wesentlich höheren Frequenz geschaltet werden als die Schaltmechanismen M1 und M2.
  • Die Schaltmechanismen M3 und M4 können in einen integrierten Schaltkreis eingebaut werden, wodurch verglichen mit der Nutzung gesonderter Komponenten möglicherweise Platz und Kosten eingespart werden. Zum Beispiel können die Schaltmechanismen M3 und M4 auf dem selben integrierten Schaltkreis untergebracht werden wie die Last 110, sie können auf einem getrennten Nacktchip bzw. Die (die) im gleichen Gehäuse bzw. Package (package) wie die Last 110 oder in einem getrennten Gehäuse eingebaut werden. Die Schaltmechanismen M3 und M4 können als Normalspannungskerntransisitoren (standard-voltage ”core” transistors) in einem typischen, digitalen, integrierten Schaltungsprozess realisiert werden, oder die Schaltungsmechanismen M3 und M4 können als Hochspannungseingangsausgangstransistoren mit dicker Oxidschicht (higher-voltage thick-oxide input-output transistors) in einem typischen, integrierten Schaltungsprozess realisiert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schaltmechanismus M4 ein planarer p-Typ MOSFET und der Schaltmechanismus M3 ist ein planarer n-Typ MOSFET. Ein durchschnittlicher Fachmann auf dem Gebiet wird jedoch erkennen, dass jeder der MOSFET-Typen zusammen mit geeigneten Gate-Ansteuerungsschaltkreisen für jeden der Schaltmechanismen benutzt werden kann, ohne dass hierdurch vom Geltungsbereich der vorliegenden Erfindung abgewichen wird.
  • Die Steuerung 105 kann weiterhin konfiguriert werden, eines oder mehrere Signal auf den Spannungssteuerungsmechanismus anzuwenden. Zum Beispiel kann die Steuerung 105 konfiguriert werden, den Schaltmechanismen M3 und M4 Steuersignale bereitzustellen. Genau wie bei den Steuersignalen, welche den Schaltmechanismen M1 und M2 bereitgestellt werden, können die Steuersignal, welche den Schaltmechanismen M3 und M4 bereitgestellt werden, PWM, PFM, Zweipunktregelung und/oder jedes andere geeignete Steuerungsverfahren nutzen, um selektiv einen der Schaltmechanismen M3 und M4 einzuschalten. Bei manchen Ausführungsformen können die Steuersignale, welche an die Schaltmechanismen M3 und M4 gekoppelt sind, wenigstens zum Teil synchron mit den Steuersignalen sein, welche an die Schaltmechanismen M1 und M2 gekoppelt sind. In anderen Ausführungsformen können die Steuersignale, welche an die Schaltmechanismen M3 und M4 gekoppelt sind, asynchron zu den Steuersignalen sein, welche an die Schaltmechanismen M1 und M2 gekoppelt sind. Weiterhin können die Steuersignale, welche an die Schaltmechanismen M3 und M4 gekoppelt sind, mit einer anderen Frequenz bereitgestellt werden als die Steuersignale, welche an die Schaltmechanismen M1 und M2 gekoppelt sind.
  • Unabhängig von der speziellen Konfiguration der Steuersignale, welche an die Schaltmechanismen M3 und M4 gekoppelt sind, kann die Steuerung 105 konfiguriert sein, selektiv den Schaltmechanismus M3 einzuschalten und den Schaltmechanismus M4 auszuschalten, um den Stromfluss IL1 zur Last 110 zu unterbrechen. Insbesondere wird durch Einschalten des Schaltmechanismus M3 und durch Ausschalten des Schaltmechanismus M4 der momentane Induktorstrom IL1, welcher durch den Induktor L1 fließt, durch den Schaltmechanismus M3 auf Erde abgeführt, anstatt dem Kondensator C1 zugeführt zu werden. Umgekehrt wird dem Kondensator C1 durch Einschalten des Schaltmechanismus M4 und durch Ausschalten des Schaltmechanismus M3 im Wesentlichen der gesamte momentane Induktorstrom IL1, welcher durch den Induktor L1 fließt, bereitgestellt (abzüglich Leitungsverlusten, Induktorwindungswiderstand und Ähnlichem).
  • Die Steuerung 105 kann PWM oder PFM nutzen, um den Spannungssteuerungsmechanismus zu schalten, oder sie kann eine Zweipunkttechnik verwenden. In jedem Fall bestimmt der Duty-Faktor (D) den Anteil des Induktorstroms IL1, welcher im Mittel dem Kondensator C1 angeboten wird. Der Duty-Faktor kann zwischen 0–100% liegen, wobei 0% dem Zustand entspricht, bei dem der Schaltmechanismus M4 ausgeschaltet und der Schaltmechanismus M3 eingeschaltet ist, und 100% entspricht dem Zustand, bei dem der Schaltmechanismus M4 eingeschaltet und der Schaltmechanismus M3 ausgeschaltet ist. Durch Ändern des Duty-Faktors wird daher das Lade-Entlade-Zeitverhalten des Kondensators C1 geändert – ein höherer Duty-Faktor erhöht den Stromfluss zum Kondensator C1 und zur Last 110.
  • Der Kondensator C1 glättet den rechteckförmigen Versorgungsstrom, welcher von dem Schaltmechanismus M4 bereitgestellt wird, um den Strom ILast zu erzeugen, welcher der Last 110 bereitgestellt wird. Der Strom ILast wird der Last 110 entsprechend dem Duty-Faktor und dem Induktorstrom IL1 wie folgt bereitgestellt: ILast = D × IL1. Genau wie bei den Schaltmechanismen M1 und M2, werden den Schaltmechanismen M3 und M4 Steuersignale bereitgestellt, so dass die Schaltmechanismen M3 und M4 nicht konkurrierend eingeschaltet sind, um es zu vermeiden, einen direkten Pfad zwischen der Last 110 und Erde (das heißt einen Kurzschluss über den Kondensator C1) bereitzustellen.
  • Während Gleichgewichtsbetrieb ist der Schaltmechanismus M3 ausgeschaltet und der Schaltmechanismus M4 ist eingeschaltet, so dass im Wesentlichen der gesamte Induktorstrom IL1 der Last 110 als ILast bereitgestellt wird. Die Schaltmechanismen M1 und M2 werden selektiv eingeschaltet, um den Induktorstrom IL und dadurch die Spannung VLast zu steuern. Ist die der Last 110 bereitgestellte Spannung (VLast) konstant, so ist auf diese Weise der Strom, welcher durch den Schaltmechanismus M4 bereitgestellt wird im Wesentlichen äquivalent zum Induktorstrom IL1.
  • Zusammengefasst ist der Stromsteuerungsmechanismus konfiguriert, einen Strom IL1 zu erzeugen, der im Induktor L1 parkiert und dann durch den Spannungssteuerungsmechanismus an die Last 110 abgegeben wird. Da die Spannungspegel, welche an den Schaltmechanismen M3 und M4 anliegen, gering sind (d. h., die Versorgungsspannung der Last 110), können die Schaltmechanismen M3 und M4 als schnelle, kostengünstige, planare Transistoren implementiert und bei sehr hohen Frequenzen (z. B. 300 MHz) betrieben werden, was eine sehr schnelle Antwort auf Stromsprünge an der Last 110 ermöglicht. Wenn sich der Strombedarf an der Last 110 ändert (d. h., kein Gleichgewichtsbetrieb), so können die Schaltmechanismen M3 und M4 des Spannungssteuerungsmechanismus so gesteuert werden, dass sie schnell auf den geänderten Strombedarf reagieren, indem sie die Menge des Stromes IL1 erhöhen oder erniedrigen, welcher an die Last 110 abgegeben wird. Im Allgemeinen ist aufgrund der unterschiedlichen Typen von Schaltmechanismen die Schaltfrequenz des Stromsteuerungsmechanismus niedriger als die Schaltfrequenz des Spannungssteuerungsmechanismus.
  • Ein zusammengefasstes Element CP in dem elektrischen Energieumwandlungsgerät 120 repräsentiert die parasitäre Kapazität auf der flußabwärtigen Seite des Induktors L1. Jedes Mal wenn die Schaltmechanismen M3 und M4 geschaltet werden, wird die parasitäre Kapazität CP auf die Lastspannung VLast aufgeladen (wenn der Schaltmechanismus M4 eingeschaltet ist) und dann auf Erde entladen (wenn der Schaltmechanismus M3 eingeschaltet ist). Daher wird in jedem Schaltzyklus der Schaltmechanismen M3 und M4 eine Energie EP der Größe EP = (CP)VL 2, durch Laden und Entladen der parasitären Kapazität CP dissipiert.
  • In einer typischen Ausführungsform des elektrischen Energieumwandlungsgerätes 120 ist der Induktor L1 ein oberflächenmontierter 0,5 μH 30 A Induktor, die Schaltmechanismen M3 und M4 befinden sich auf dem Gehäuse, und der Kondensator C1 ist die in Chip und Gehäuse vorliegende Ableitkapazität (bypass capacitance). Der Kondensator CP umfasst die Kapazitäten der Kontaktlöcher (vias), der Schaltkreisleiterbahnen (board traces) und der Gehäusebahnen (package traces) zwischen dem Induktor L1 und den Schaltmechanismen M3 und M4. In einer typischen Anwendung kann die Kapazität CP = 500 pF erreichen. Für CP = 500 pF und VLast = 1 V beträgt EP = 500 pJ. Bei einer Schaltfrequenz von 300 MHz werden 150 mW durch Laden und Entladen von CP dissipiert. Wenn der Stromsteuerungsmechanismus und der Spannungssteuerungsmechanismus des elektrischen Energieumwandlungsgeräts 120 als eine aus einer Vielzahl von Phasen eines Reglers konfiguriert sind, so skaliert EP mit der Anzahl der Phasen für die Gesamtenergie, welche aufgrund der kumulativen, parasitären Kapazität dissipiert wird.
  • Diese Schaltleistung wächst mit zunehmender Schaltfrequenz (fS) der Schaltmechanismen M3 und M4. Es wäre wünschenswert, die Schaltmechanismen M3 und M4 mit einer hohen Frequenz zu schalten, um die erforderliche Größe von C1 zu minimieren, welche durch
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    gegeben ist, wobei D der Duty-Faktor des Schaltmechanismus M4 und VR die Welligkeitsspannung von VLast sind.
  • Zum Beispiel beträgt die Kapazität C1 bei einem Phasenstrom von 30 A, einer Frequenz von 300 MHz und einer Welligkeitsspannung von 20 mV C1 = 5 μF pro Phase. C1 liegt typischerweise verteilt über viele kleinere Kondensatoren in dem Gehäuse vor, um eine niedrige Reiheninduktivität und eine flache Impedanz als Funktion der Schaltfrequenz zu gewährleisten. Das Erhöhen der Schaltfrequenz reduziert die benötigte Größe von C1, jedoch auf Kosten einer erhöhten Schaltleistung EP.
  • Ein Vorteil eines stromparkenden Schaltreglers, wie das elektrische Energieumwandlungsgerät 120, besteht darin, dass C1 die einzige benötigte Filterkapazität ist. Im Vergleich dazu ist ein konventionelles elektrisches Energieumwandlungsgerät, welches die Schaltmechanismen M3 und M4 nicht enthält, auf eine große (Hunderte von μF) Filterkapazität angewiesen, um die niederfrequente (typischerweise 300 kHz) Welligkeit herauszufiltern.
  • Die in 1A gezeigte Anordnung der elektrischen Energiequelle 108, der Steuerung 105, der Schaltvorrichtungen M1 und M2 und des Induktors L1 werden üblicherweise als Abwärtswandler (”buck” converter) bezeichnet. Auch wenn das elektrische Energieumwandlungsgerät 120 im Zusammenhang mit diesem Abwärtswandler beschrieben wurde, so wird ein durchschnittlicher Fachmann auf diesem Gebiet erkennen, dass die beschriebenen Techniken zur Regelung einer Spannung, welche der Last 110 zur Verfügung gestellt wird, auf andere schaltbare Energieumwandlungsschaltkreise angewandt werden können, unter anderem auf einen Eintaktflußwandler (forward converter), auf einen Halbbrückenwandler (half-bridge converter), auf einen Ganzbrückenwandler (full-bridge converter), auf einen Sperrwandler (flyback converter) und/oder Varianten dieser Wandler.
  • 1B veranschaulicht gemäß einer Ausführungsform den Mehrphasenschaltregler 150, welcher elektrische Energieumwandlungsgeräte 120 enthält. Jedes der elektrischen Energieumwandlungsgeräte 120 stellt eine Phase eines Sechsphasenschaltreglers dar. Jedes elektrische Energieumwandlungsgerät 120 ist konfiguriert, einen gewünschten Ausgangsspannungspegel (VLast) an der Last 110 bereitzustellen, indem von der elektrischen Energiequelle 108 erhaltene Energie für jeweils eine der sechs Phasen umgewandelt wird. Eine einzige Steuerung kann dazu benutzt werden, jedes der elektrischen Energieumwandlungsgeräte 120 zu steuern, oder jedes elektrische Energieumwandlungsgerät 120 kann eine gesonderte Steuerung 105 enthalten (wie in 1B gezeigt). Zusätzlich kann eines oder mehrere der elektrischen Energieumwandlungsgeräte 120 durch einen stromparkenden Schaltregler mit geteiltem Induktor oder durch ein konventionelles elektrisches Energieumwandlungsgerät ersetzt werden.
  • 2 stellt ein elektrisches Energieumwandlungssystem 200 dar, welches ein elektrisches Energieumwandlungsgerät 220 enthält, welches gemäß einer Ausführungsform als ein stromparkender Schaltregler mit geteiltem Induktor implementiert ist. Verglichen mit dem in der 1A dargestellten elektrischen Energieumwandlungsgerät 120, enthält das elektrische Energieumwandlungsgerät 220 einen ersten Induktor L11 welcher in Reihe mit einem zweiten Induktor L2 geschaltet ist, um einen geteilten Induktor zu bilden. Das Teilen des Induktors reduziert Verluste aufgrund einer parasitären Kapazität CPA auf der flußabwärtigen Seite des ersten Induktors L11.
  • Das elektrische Energieumwandlungsgerät 220 kann eine Phase eines Mehrphasenschaltreglers sein. Das elektrische Energieumwandlungsgerät 220 ist konfiguriert, einen gewünschten Ausgangsspannungspegel (VL) an der Last 210 bereitzustellen, indem von einer elektrischen Energiequelle 208 erhaltene Energie umgewandelt wird. Das elektrische Energieumwandlungsgerät 220 beinhaltet einen Stromsteuerungsmechanismus und einen Spannungssteuerungsmechanismus. Der Stromsteuerungsmechanismus ist an eine elektrischen Energiequelle 208 gekoppelt, und die Steuerung 205 kann konfiguriert werden, auf die gleiche Art und Weise Steuersignale zu erzeugen wie die Steuerung 105, und er ist betreibbar, den Mittelwert aus dem durch den Induktor L11 fließenden Strom IL11 und aus dem durch den Induktor L2 fließenden Strom IL2 zu steuern. Wie beschrieben, sind zum Beispiel die Schaltmechanismen M11 und M12 auf die gleiche Art und Weise konfiguriert und betreibbar wie die jeweils zuvor beschriebenen Mechanismen M1 und M2. Gleichermaßen sind die Schaltmechanismen M13 und M14 in der gleichen Art und Weise konfiguriert und betreibbar wie die jeweils zuvor beschriebenen Schaltmechanismen M3 und M4. Der Kondensator C11 erfüllt im Wesentlichen die gleiche Funktion wie der Kondensator C1.
  • Die Verwendung von zwei verschiedenen Induktoren L11 und L2, welche einen geteilten Induktor bilden, reduziert die Schaltenergie, so dass der Hauptteil der parasitären Kapazität, welche als die erste parasitäre Kapazität CPA angezeigt ist, zwischen den Induktor L11 und L2 fällt. In einer Ausführungsform ist L11 ein 0,5 μH 30 A erster Induktor auf einer gedruckten Schaltkreisplatine (d. h. eine eigenständige Komponente) und der zweite Induktor L2 ist ein 1 nH Induktor im Gehäuse, welches die Last 210 enthält. Die erste parasitäre Kapazität CPA beinhaltet die Kapazitäten der Kontaktlöcher (vias), der Schaltkreisleiterbahnen (board traces) und der Gehäusebahnen (package traces) zwischen dem ersten Induktor L11 und dem zweiten Induktor L2. Die erste parasitäre Kapazität CPA kann etwa 490 pF betragen. Die zweite parasitäre Kapazität CPB besteht im Wesentlichen aus der Abflusskapazität (drain capacitance) der Schaltmechanismen M13 und M14 und kann durch 10 pF angenähert werden. Wenn CPB = 10 pF und VLast = 1 V sind, so ist EP = 10 pJ, und es werden 5 mW bei einer Schaltfrequenz von 500 MHz durch Laden und Entladen von CPB dissipiert.
  • Die Schaltfrequenz von 500 MHz erlaubt es, einen 0,5 μF Kondensator (welcher in einigen Ausführungsformen als ein verteiltes Feld kleinerer Kondensatoren implementiert ist) für den Kondensator C11 zu wählen. Die 1 nH Induktivität des zweiten Induktors L2 kann dadurch erzeugt werden, dass eine Ferritperle (ferrit bead) um die Leiterbahnen (traces) oder Kontaktstellen (bumps), welche den Strom IL2 führen, angeordnet wird, oder einfach indem eine Leiterbahn in einem geeigneten Abstand von der Erdrückleitung geführt wird (wodurch der zweite Induktor L2 zu einem planaren Luftkerninduktor gemacht wird). Die Resonanzfrequenz des Schwingkreises, welcher durch L2 und die erste parasitäre Kapazität CPA gebildet wird, beträgt fr = 230 MHz. So lange daher die Schaltfrequenz der Schaltmechanismen M13 und M14 im Vergleich zu fr hoch ist, bleibt die erste parasitäre Kapazität CPA wirksam vom Schaltungsknoten VL isoliert. Da die erste parasitäre Kapazität CPA zwischen dem ersten Induktor und dem zweiten Induktor L2 angeordnet ist, ist CPA isoliert und verlustfrei. Jeder überschüssige Strom wird in dem geteilten Induktor gespeichert, welcher durch den ersten Induktor L11 und den zweiten Induktor L2 gebildet wird.
  • Gemäß einer Ausführungsform stellt 3A ein Flussdiagramm 300 eines Verfahrens zur Regelung des Spannungspegels an einer Last dar. Bei Schritt 305 wird ein Stromsteuerungsmechanismus konfiguriert, der einen Strom bereitstellt, der größer als der mittlere Strom ist, welcher von der Last benötigt wird. Bei Schritt 310 wird ein Spannungssteuerungsmechanismus konfiguriert, um einen Anteil des Stromes der Last bereitzustellen. Wenn bei Schritt 315 eine Änderung des Strombedarfs der Last eintritt, so ist die Steuerung des elektrischen Energieumwandlungsgerätes zur Regelung des Spannungspegels an der Last abgeschlossen. Andernfalls wird der Spannungssteuerungsmechanismus bei Schritt 320 eingestellt, um den Anteil des Stromes, welcher der Last bereitgestellt wird, zu erhöhen oder zu erniedrigen und den Spannungspegel an der Last innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu halten.
  • Weitere veranschaulichende Informationen werden nun in Bezug auf verschiedene optionale Architekturen und Merkmale dargelegt, mit Hilfe derer die beschriebene Grundstruktur in Abhängigkeit vom Wunsch des Nutzers implementiert oder auch nicht implementiert werden kann. Es sollte sehr betont werden, dass die folgenden Erläuterungen zum Zwecke der Veranschaulichung dargelegt werden, und es sollte nicht daraus abgeleitet werden, dass diese Erläuterungen auf irgendeine Art und Weise eine Einschränkung bedeuten. Jedes der nun folgenden Merkmale kann optional zusammen mit oder ohne weitere beschriebene Merkmale auftreten.
  • 3B stellt gemäß einer Ausführungsform, die Wellenformen 330, die dem in 2 gezeigten stromparkenden (current-parking) Schaltregler mit geteiltem Induktor entsprechen, dar. Die oberste Kurve zeigt die Lastspannung VL am Kondensator C11. Wie angezeigt ist der Bereich von VL auf etwa 20 mV ausgelegt.
  • Die zweite Kurve zeigt den Strom IL2 durch den zweiten Induktor L2, welcher eine 0,55 A-Welligkeit bei einem Gleichstrom von etwa 28,5 A hat. Da sich Induktoren Stromänderungen widersetzen, fährt der Strom IL2 hoch, wenn der Schaltmechanismus M14 eingeschaltet wird, um einen Teil des Stromes IL2 der Last bereitzustellen, und der Schaltmechanismus M13 ausgeschaltet wird. Der Strom IL2 fährt herunter, wenn der Schaltmechanismus M14 ausgeschaltet und der Schaltmechanismus M13 eingeschaltet wird, um die Spannung VCPB auf Erde zu legen.
  • Die dritte Kurve zeigt die 250 mV Welligkeit der Spannung VCPA über der ersten parasitären Kapazität CPA. Die Spannungswelligkeit kann durch das Erhöhen der Induktivität des zweiten Induktors L2 verringert werden. Da jedoch keine Leistung aufgrund der resonanten Spannungswelligkeit der Spannung VCPA dissipiert wird, gibt es keine Motivation, die Induktivität des zweiten Induktors L2 zu erhöhen. In der untersten Kurve ist die Spannung VCPB über die zweite Kapazität CPB dargestellt. Die 1 V 500 MHz Wellenform von VCPB tritt bei der zweiten parasitären Kapazität CPB (10 pF) auf, nicht bei der ersten, größeren parasitären Kapazität CPA, wodurch die Schaltleistung im Vergleich zu einem einzelnen Induktor herabgesetzt wird. Die Wellenform von VCPB entspricht dem Duty-Faktor, welcher durch die Steuerung 205 angelegt (oder produziert) wird, um den Stromanteil zu steuern, welcher der Last durch den Spannungssteuerungsmechanismus bereitgestellt wird.
  • Die 3C stellt gemäß einer Ausführungsform die dem stromparkenden Schaltregler mit geteiltem Induktor aus 2 entsprechenden Wellenformen 360 dar, welche nach einem Stromsprung auftreten. Bei 100 ns wird der Laststrom IL abrupt von 15 A auf 25 A angehoben. Die Steuerung 205 kann als ein Zweipunktregler (bang-bang controller) implementiert werden, welcher den Schaltmechanismus M14 einschaltet (und den Schaltmechanismus M13 ausschaltet) wenn VL unter einen minimalen Spannungspegel (zum Beispiel 0,99 V) abfällt, und welcher den Schaltmechanismus M13 einschaltet (und den Schaltmechanismus M14 ausschaltet) wenn VL über einen maximalen Spannungspegel VL (zum Beispiel 1,01 V) ansteigt. Durch das Anpassen des Spannungssteuerungsmechanismus hält die Steuerung 205 die Spannung VL auf einen Wert innerhalb eines vorbestimmten Spannungsbereichs von 20 mV.
  • Nach dem Stromsprung fällt die Schaltfrequenz, da der Duty-Faktor, welcher den Spannungssteuerungsmechanismus steuert, ansteigt, um der Last einen größeren Anteil des Stromes IL2 bereitzustellen. Der Stromsprung pumpt etwas Energie in den Schwingkreis, welcher von der ersten parasitären Kapazität CPA und dem zweiten Induktor L2 gebildet wird, wodurch eine große Spannungswelligkeit über der ersten parasitären Kapazität CPA verursacht wird, wie man anhand der Wellenform VCPA erkennt. Die große Welligkeit von VCPA verursacht jedoch kein Problem, da keine Komponenten vorhanden sind, die durch die Spannungswelligkeit VCPA belastet werden können. Die Spannungswelligkeit VCPA kann jedoch mit einer passiven RC-Löschkombination (snubber circuit, Boucherot-Glied) gedämpft werden.
  • Die Wellenformen 360 illustrieren, wie der stromparkende Regler schnell auf einen Stromsprung reagieren kann, welcher sich im Bereich des parkierten Stromes IL2 befindet. Die Verwendung des geteilten Induktors verringert die Schaltenergie außerordentlich, was einen Betrieb mit höherer Frequenz erlaubt, der für das schnelle Antworten auf Stromsprünge benötigt wird. Die höhere Frequenz erlaubt es andererseits auch, einen kleineren Filterkondensator C11 im Vergleich zu konventionellen elektrischen Energieumwandlungsgeräten zu verwenden.
  • 4 stellt gemäß einer Ausführungsform ein anderes Flussdiagramm 400 eines Verfahrens zum Regulieren des Spannungspegels an einer Last dar. Bei Schritt 405 wird ein Stromsteuerungsmechanismus konfiguriert, um einen Strom bereitzustellen, der größer als ein durchschnittlich von der Last 210 benötigter Strom ist. Bei Schritt 410 wird ein Spannungssteuerungsmechanismus konfiguriert, um der Last 210 einen Anteil des Stromes bereitzustellen.
  • Bei Schritt 415 stellt die Steuerung 205 fest, ob die Spannung an der Last 210 (VL) größer als ein maximaler Spannungspegel Vmax ist; wenn ja, so stellt die Steuerung 205 bei Schritt 430 den Spannungssteuerungsmechanismus so ein, dass er einen kleineren Anteil des Stromes der Last 210 bereitstellt und VL verringert. Andernfalls bestimmt die Steuerung 205 bei Schritt 425, ob die Spannung an der Last 210 kleiner als eine minimale Spannung Vmin ist; wenn ja, so stellt die Steuerung 205 den Spannungssteuerungsmechanismus bei Schritt 435 so ein, dass dieser der Last 210 einen größeren Anteil des Stromes bereitstellt und VL erhöht.
  • Der Anteil des Stromes, welcher der Last 210 bereitgestellt wird, ist festgelegt durch einen Duty-Faktor, welcher abwechselnd einen ersten Schalter (M14) einschaltet, wodurch Strom zur Last 210 fließen kann, während er einen zweiten Schalter (M13) ausschaltet, welcher dann den zweiten Schalter einschaltet, um den zweiten Induktor L2 auf Erde zu legen, während er den zweiten Schalter ausschaltet, um die Last 210 vom zweiten Induktor zu trennen. In Antwort auf einen Stromsprung, erhöht oder erniedrigt der Spannungssteuerungsmechanismus schnell den Anteil des Stromes, welcher der Last bereitgestellt wird und hält den Spannungspegel an der Last 210 innerhalb eines vorgegebenen Bereichs, welcher durch Vmin und Vmax begrenzt wird. Ist insbesondere VL größer als Vmax, so wird der Duty-Faktor erniedrigt, um den Anteil des Stromes zu erniedrigen, welcher der Last 210 bereitgestellt wird, und wenn VL kleiner als Vmin ist, wird der Duty-Faktor erhöht, um den Anteil des Stromes zu erhöhen, der der Last 210 bereitgestellt wird.
  • 5 stellt gemäß einer Ausführungsform ein System 500, welches den stromparkenden Schaltregler mit geteiltem Induktor aus 2 umfasst, innerhalb eines Systems dar. Die elektrische Energiequelle 208 ist mit dem Stromsteuerungsmechanismus und dem Spannungssteuerungsmechanismus des stromparkenden Schaltreglers mit geteiltem Induktor gekoppelt. Die Steuerung 205 ist konfiguriert, den Spannungspegel an der Last, also Schaltkreis 320, zu regeln. In einer Ausführungsform ist die Steuerung 205 konfiguriert, den Spannungspegel am Schaltkreis 320 innerhalb eines vorbestimmten Bereichs, welcher durch Vmin und Vmax begrenzt ist, zu halten.
  • Der erste Induktor L11 ist außerhalb des Gehäuses (package) 510 positioniert, welches den Schaltkreis 320 enthält. Der zweite Induktor L2 ist innerhalb des Gehäuses 510 positioniert, wodurch die zweite parasitäre Kapazität CPB im Vergleich mit der ersten parasitären Kapazität CPA verkleinert wird. Der zweite Induktor L2, die Schaltmechanismen M13 und M14 und der Kondensator C11 können als Teile des Nacktchips (die) 500 hergestellt werden, welcher den Schaltkreis 320 enthält. In einer Ausführungsform ist der Induktor L2 ein planarer Induktor mit Luftkern und die Schaltmechanismen M13 und M14 sind planare MOS-Transistoren. Obwohl in 5 eine einzelne Phase des stromparkenden Schaltreglers mit geteiltem Induktor dargestellt ist, können mehrere Phasen des stromparkenden Schaltreglers mit geteiltem Induktor oder eine Kombination von einem oder mehreren stromparkenden Schaltreglern (mit oder ohne geteiltem Induktor) zusammen mit einem oder mehreren konventionellen Energieumwandlungsgeräten benutzt werden, um dem Schaltkreis 320 Energie bereitzustellen.
  • Die 6 stellt ein beispielhaftes System 600 dar, in welchem die verschiedenen Architekturen und/oder Funktionalitäten der verschiedenen, vorangegangenen Ausführungsformen implementiert werden können. Wie gezeigt wird ein System 600 bereitgestellt, welches wenigstens einen zentralen Prozessor 601 enthält, welcher mit einem Kommunikationsbus 602 verbunden ist. Der Kommunikationsbus 602 kann mit jedem geeigneten Protokoll implementiert werden, wie PCI (peripheral component interconnect), PCI-Express, AGP (accelerated graphics port), HyperTransport oder mit beliebigen, anderen Bus- oder Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsprotokollen. Das System 600 beinhaltet einen Hauptspeicher 604. Kontrolllogik (Software) und Daten sind im Hauptspeicher 604 gespeichert, welcher in Gestalt von Speicher mit wahlfreiem Zugriff (random access memory, RAM) vorliegen kann.
  • Das System 600 enthält weiterhin Eingabegeräte 612, einen Graphikprozessor 606 und eine Anzeigeeinheit 608, das heißt einen konventionellen Bildschirm mit Kathodenstrahlröhre, einen Flüssigkristallbildschirm, einen Leuchtdiodenbildschirm, einen Plasmabildschirm oder Ähnliches. Nutzereingabe kann durch die Eingabegeräte 612 erhalten werden, z. B. durch Tastatur, Maus, Tastfeld, Mikrophon und Ähnliches. In einer Ausführungsform kann der Graphikprozessor 606 eine Vielzahl von Schattiermodulen (shader modules), ein Rastermodul (rasterization module) usw. enthalten. Alle vorhergehenden Module können sich sogar auf einer einzigen Halbleiterplattform befinden, um eine graphische Prozessierungseinheit (graphics processing unit, GPU) zu bilden.
  • In der vorliegenden Beschreibung kann eine einzelne Halbleiterplattform sich auf eine einzige, einheitliche, halbleiterbasierte, integrierte Schaltung oder einen Chip beziehen. Es sollte erwähnt werden, dass der Begriff einzelne Halbleiterplattform sich auch auf Mehr-Chip-Module mit erhöhter Konnektivität beziehen kann, welche einen reinen auf-dem-chip-basierten Betrieb (on-chip operation) simulieren und substantielle Verbesserungen im Vergleich zur Nutzung eines konventionellen Hauptprozessors (central processing unit, CPU) und Bus-Implementierung aufweisen. Natürlich können die verschiedenen Module auch getrennt oder in verschiedenen Kombinationen von Halbleiterplattformen untergebracht werden, je nach Wunsch des Nutzers. Eine oder mehrere der in 5 gezeigten Systeme 500 können in das System 600 eingegliedert sein, um einem oder mehreren der Chips Energie bereitzustellen.
  • Das System 600 kann auch Sekundärspeicher 610 enthalten. Der Sekundärspeicher 610 umfasst zum Beispiel eine Festplatte und/oder eine Wechselspeicherplatte, welche ein Disketten-Laufwerk, ein Magnetbandlaufwerk, ein Compact-Disc-Laufwerk, ein DVD-Laufwerk, ein Aufnahmegerät, ein USB-Flash-Speicher repräsentieren kann. Das Wechselspeicherlaufwerk liest von oder schreibt auf eine entfernbare Speichereinheit in wohlbekannter Weise. Computer-Programme oder Computer-Kontrolllogik-Algorithmen können im Hauptspeicher 604 und/oder im Sekundärspeicher 610 abgespeichert werden. Derartige Computer-Programme ermöglichen dem System 600, verschiedene Funktionen zu erfüllen, wenn sie ausgeführt werden. Der Hauptspeicher 604, der Speicher 610 und/oder jeder andere Speicher sind mögliche Beispiele rechner-lesbarer Medien.
  • In einer Ausführungsform können die Architekturen und/oder die Funktionalitäten der verschiedenen, vorangegangenen Figuren implementiert werden im Zusammenhang mit dem Hauptprozessor (601), dem Graphikprozessor (606), einem (nicht gezeigten) integrierten Schaltkreis, der wenigstens einen Teil der Fähigkeiten des Hauptprozessors (601) und des Graphikprozessors (606) besitzt, einem Chip-Satz (d. h. einer Gruppe integrierter Schaltkreise, welche dazu ausgebildet sind, als eine Einheit zu arbeiten und als solche verkauft zu werden, um verwandte Funktionen auszuüben usw.) und/oder in der Tat mit jedem beliebigen integrierten Schaltkreis.
  • Weiter noch kann die Architektur und/oder die Funktionalität der verschiedenen vorangegangenen Figuren im Zusammenhang eines allgemeinen Rechnersystems, eines Schaltkreisplatinensystems, einer Spielkonsole, welche Unterhaltungszwecken dient, eines anwendungsspezifischen Systems und/oder jedes anderen gewünschten Systems, implementiert werden. Das System 600 kann zum Beispiel die Gestalt eines Schreibtischcomputers, eines tragbaren Rechners, eines Servers, eines Arbeitsplatzrechners, einer Spielekonsole, eines eingebetteten Systems und/oder jeder anderen Art von Logik annehmen. Weiter noch kann das System 600 die Gestalt verschiedener anderer Geräte annehmen, eingeschlossen aber nicht begrenzt auf einen Minicomputer (personal digital assistent, PDA), ein Mobiltelefongerät, einen Fernseher und so weiter.
  • Auch wenn dies nicht gezeigt wurde, so kann das System 600 weiterhin für Kommunikationszwecke an ein Netzwerk gekoppelt werden (zum Beispiel an ein Telekommunikationsnetzwerk, an ein lokales Netzwerk, an ein Funknetzwerk, an ein Weitverkehrsnetz (WAN) wie das Internet, an ein Peer-to-Peer-Netzwerk, an ein Kabelnetzwerk oder an Ähnliches).
  • Auch wenn bisher verschiedene Ausführungsformen beschrieben wurden, so ist es selbstverständlich, dass diese lediglich als Beispiele vorgestellt wurden, nicht als Einschränkungen. Daher sollte die Weite und der Umfang einer bevorzugten Ausführungsform nicht durch eine der oben beschriebenen, beispielhaften Ausführungsformen eingeschränkt werden, sondern sie sollten ausschließlich in Übereinstimmung mit den nun folgenden Patentansprüchen und ihren Äquivalenten definiert werden.

Claims (20)

  1. Verfahren eines Regulierens eines Spannungspegels an einer Last, welches umfasst: Konfigurieren eines Stromsteuerungsmechanismus (M11, M12), um einen Strom durch einen ersten Induktor (L11) und durch einen zweiten Induktor (L2) zu erzeugen, welche in Reihe gekoppelt sind; sowie Konfigurieren eines Spannungssteuerungsmechanismus (M13, M14), um einen Anteil des Stromes bereitzustellen, um den Spannungspegel an der Last (210, 320) zu regulieren, wobei der zweite Induktor (I2) die Last (210, 320) von einer parasitären Kapazität (CPA) des Stromsteuerungsmechanismus (M11, M12) isoliert, indem eine Schaltfrequenz des Spannungssteuermechanismus (M13, M14) höher als eine Resonanzfrequenz eines Schwingkreises, welcher durch den zweiten Induktor (L2) und die parasitäre Kapazität (CPA) gebildet wird, ist.
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei eine Schaltfrequenz des Stromsteuerungsmechanismus (M11, M12) langsamer als eine Schaltfrequenz des Spannungssteuerungsmechanismus (M13, M14) ist.
  3. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der erste Induktor (L11) außerhalb eines Package (510) positioniert ist, welches die Last (320) beinhaltet, und der zweite Induktor (L2) innerhalb des Package (510) positioniert ist.
  4. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Strom größer als ein mittlerer Strom ist, welcher benötigt wird, um den Spannungspegel an der Last (210, 320) zu regulieren.
  5. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend: Bestimmen, dass der Spannungspegel (210, 320) an der Last niedriger als ein minimaler Pegel liegt; und Einstellen des Spannungssteuerungsmechanismus (M13, M14), um der Last (210, 320) einen größeren Anteil des Stromes zur Verfügung zu stellen.
  6. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend: Bestimmen, dass der Spannungspegel an der Last (210, 320) größer als ein maximaler Spannungspegel ist; und Einstellen des Spannungssteuerungsmechanismus (M13, M14), um der Last (210, 320) einen kleineren Anteil des Stromes zur Verfügung zu stellen.
  7. Verfahren gemäß Anspruch 1, weiterhin aufweisend das Einstellen des Spannungssteuerungsmechanismus (M13, M14), um den Spannungspegel an der Last (210, 320) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu halten.
  8. Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei der Anteil des Stromes durch einen Duty-Faktor bestimmt wird, welcher abwechselnd einen ersten Schalter (M14) einschaltet, wodurch es dem Strom erlaubt ist zu der Last (210, 320) zu fließen, während er einen zweiten Schalter (M13) ausschaltet, und dann den zweiten Schalter (M13) einschaltet, um den zweiten Induktor (L2) auf Erde zu legen, während er den ersten Schalter (M14) ausschaltet, um die Last (210, 320) vom zweiten Induktor (L2) zu isolieren.
  9. Elektrisches Energieumwandlungsgerät, aufweisend: einen Stromsteuerungsmechanismus (M11, M12), welcher an eine elektrische Energiequelle (208) gekoppelt ist und welcher konfiguriert ist, einen Strom durch einen ersten Induktor (L11) und durch einen zweiten Induktor (L2) zu erzeugen, welche in Reihe gekoppelt sind; und einen Spannungssteuerungsmechanismus (M13, M14), welcher an den zweiten Induktor (L2) gekoppelt ist und konfiguriert ist, einen Anteil des Stromes bereitzustellen, um einen Spannungspegel an einer Last (210, 320) zu regulieren, wobei der zweite Induktor (L2) die Last (210, 320) von einer parasitären Kapazität (CPA) des Stromsteuerungsmechanismus (M11, M12) isoliert, indem eine Schaltfrequenz des Spannungssteuermechanismus (M13, M14) höher als eine Resonanzfrequenz eines Schwingkreises, welcher durch den zweiten Induktor (L2) und die parasitäre Kapazität (CPA) gebildet wird, ist.
  10. Elektrisches Energieumwandlungsgerät gemäß Anspruch 9, wobei der Spannungssteuerungsmechanismus (M13, M14) beinhaltet: einen ersten planaren MOS(Metalloxidhalbleiter)-Transistor (M14), welcher zwischen den zweiten Induktor (L2) und die Last (210, 320) gekoppelt ist; und einen zweiten planaren MOS-Transistor (M13), welcher zwischen den zweiten Induktor (L2) und Erde gekoppelt ist.
  11. Elektrisches Energieumwandlungsgerät gemäß Anspruch 10, wobei der erste planare MOS-Transistor (M14) ein p-Typ Feldeffekttransistor und der zweite planare MOS-Transistor (M13) ein n-Typ Feldeffekttransistor ist.
  12. Elektrisches Energieumwandlungsgerät gemäß Anspruch 9, weiterhin aufweisend eine Steuerung (205), welche konfiguriert ist, um: ein oder mehr Steuersignale dem Stromsteuerungsmechanismus (M11, M12) bereitzustellen, um eine Menge des Stromes durch den ersten Induktor (L11) und durch den zweiten Induktor (L2) zu steuern; und ein oder mehr Steuersignale dem Spannungssteuerungsmechanismus (M13, M14) bereitzustellen, um den Anteil des Stromes zu steuern, um den Spannungspegel an der Last (210, 320) zu regulieren.
  13. Elektrisches Energieumwandlungsgerät gemäß Anspruch 9, wobei der Stromsteuerungsmechanismus (M11, M12) einen oder mehr Schaltmechanismen aufweist, welche gesteuert sind, um den Strom durch den ersten Induktor (L11) und durch den zweiten Induktor (L2) selektiv zu erhöhen und zu erniedrigen.
  14. Elektrisches Energieumwandlungsgerät gemäß Anspruch 9, wobei der Spannungssteuerungsmechanismus (M13, M14) einen oder mehr Schaltmechanismen aufweist, welche gesteuert sind, um den Anteil des Stromes selektiv zu erhöhen und zu erniedrigen, um den Spannungspegel an der Last (210, 320) zu regulieren.
  15. Elektrisches Energieumwandlungsgerät gemäß Anspruch 9, wobei eine Schaltfrequenz des Stromsteuerungsmechanismus (M11, M12) langsamer als eine Schaltfrequenz des Spannungssteuerungsmechanismus (M13, M14) ist.
  16. Elektrisches Energieumwandlungsgerät gemäß Anspruch 9, wobei der erste Induktor (L11) außerhalb eines Package (510) positioniert ist, welches die Last (320) beinhaltet, und der zweite Induktor (L2) innerhalb des Package (510) positioniert ist.
  17. Elektrisches Energieumwandlungsgerät gemäß Anspruch 9, weiterhin eine Steuerung (205) aufweisend, welcher konfiguriert ist: zu bestimmen, dass der Spannungspegel an der Last (210, 320) niedriger als ein minimaler Spannungspegel ist; und den Spannungssteuerungsmechanismus (M13, M14) einzustellen, um der Last (210, 320) einen größeren Anteil des Stromes bereitzustellen.
  18. Elektrisches Energieumwandlungsgerät gemäß Anspruch 9, weiterhin eine Steuerung (205) aufweisend, welche konfiguriert ist: zu bestimmen, dass der Spannungspegel an der Last (210, 320) größer als ein maximaler Spannungspegel ist; und den Spannungssteuerungsmechanismus (M13, M14) einzustellen, um der Last (210, 320) einen geringeren Anteil des Stromes bereitzustellen.
  19. Elektrisches Energieumwandlungsgerät gemäß Anspruch 9, wobei der Spannungssteuerungsmechanismus (M13, M14) konfiguriert ist, den Spannungspegel an der Last (210, 320) innerhalb eines vorbestimmten Bereichs zu halten.
  20. Elektrisches Energieumwandlungsgerät gemäß Anspruch 9, wobei der Anteil des Stromes durch einen Duty-Faktor bestimmt ist, welcher abwechselnd einen ersten Schalter (M14) einschaltet, was dem Strom erlaubt, zur Last (210, 320) zu fließen, während er einen zweiten Schalter (M13) ausschaltet, und dann den zweiten Schalter (M13) einschaltet, um den zweiten Induktor (L2) auf Erde zu legen, während er den ersten Schalter (M14) ausschaltet, um die Last (210, 320) vom zweiten Induktor (L2) zu isolieren.
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