DE102014014695B4

DE102014014695B4 - Spannungsregler

Info

Publication number: DE102014014695B4
Application number: DE102014014695.2A
Authority: DE
Inventors: c/o CAMBRIDGE SILICON Williams Peter Andrew Rees; c/o CAMBRIDGE SILICON RADIO LIM Golder Barnaby; c/o CAMBRIDGE SILICON Panigrahi Sukanta Kishore; c/o CAMBRIDGE SILICON Clapp Timothy Charles; c/o CAMBRIDGE SILICON Wilkinson Richard Andrew
Original assignee: Qualcomm Technologies International Ltd
Current assignee: Qualcomm Technologies International Ltd
Priority date: 2013-12-30
Filing date: 2014-10-02
Publication date: 2023-05-11
Anticipated expiration: 2034-10-03
Also published as: DE102014014695A1; US9705393B2; GB2521703A; US20150188407A1; GB201413990D0; GB2521703B

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines Spannungsreglers, umfassend eine Quellenspannungsschiene (104) und mehrere Ausgangsspannungsschienen (106, 107, 108, 109), wobei das Verfahren umfasst:
Umwandeln einer Quellenspannung auf der Quellenspannungsschiene (104) in eine jeweilige Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf jeder Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109);
Auswählen (301) einer Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109);
Vergleichen (302) der Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) mit einer Referenzspannung (V_REF1, V_REF2, V_REF3, V_REF4,) für die gewählte Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109); und
falls die Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) kleiner ist als die (V_REF1, V_REF2, V_REF3, V_REF4,) Referenzspannung für die gewählte Ausgangsspannungsschiene(106, 107, 108, 109), Steuern des Spannungsreglers zur Erhöhung (304) der Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109),
wobei die Frequenz, mit der eine Ausgangsspannungsschiene gewählt wird, von der Rate abhängig ist, mit der der Spannungsregler zuvor die Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf dieser Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) erhöht hat.

Description

Hintergrund
Integrierte Schaltungschips verwenden Energieversorgungen zum Umwandeln einer Eingangsspannung aus einer Energiequelle in eine Ausgangsspannung über einer Ausgangslast. Typischerweise werden solche Energieversorgungen reguliert, um eine konstante Ausgangsspannung über der Ausgangslast beizubehalten, selbst wenn sich die Ausgangslast ändert und/oder die Eingangsspannung variiert.
Häufig werden Linearregler zur Bereitstellung dieser Regulierung verwendet. Linearregler stellen kontinuierlich ein Spannungsteilernetz ein, um eine konstante Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten. Die Differenz zwischen der Eingangsspannung aus der Energiequelle und der Ausgangsspannung über die Last wird als Wärme abgeführt. Somit stellen Linearregler keine effiziente Möglichkeit dar, eine Regulierung einer Energiequelle bereitzustellen, falls die Ausgangsspannung der Eingangsspannung nicht sehr ähnlich ist.
Schaltmodus-Energieversorgungen verwenden einen anderen Mechanismus zur Bereitstellung der Regulierung. Zwischen der Energiequelle und der Ausgangslast ist eine Schaltanordnung bereitgestellt. Die Schaltanordnung schaltet kontinuierlich EIN und AUS. Im EIN-Zustand ist die Energiequelle mit der Ausgangslast verbunden. Im AUS-Zustand ist die Energiequelle nicht mit der Ausgangslast verbunden. Die Einschaltdauer (Anteil der EIN-Zeit) wird so gewählt, dass die gewünschte Ausgangsspannung erreicht wird. Überschüssige Energie wird in der Schaltung gespeichert, bis sie zur Ausgangslast freigegeben wird. Somit sind Schaltmodus-Energieversorgungen in der Regulierung der Energieversorgung aus einer Energiequelle zu einer Ausgangslast effizienter als Linearregler.
Es ist bekannt, Schaltmodus-Energieversorgungen in integrierten Schaltungschips für eine Energieversorgung von mehreren Ausgangslasten zu verwenden. Diese Ausgangslasten können untereinander unterschiedliche Leistungsanforderungen haben. Zusätzlich werden Leistungsmanagementüberlegungen in integrierten Schaltungschips zunehmend wichtig, da der Markt eine größere Funktionalität bei geringeren Stromverbrauchsraten verlangt. Somit können die Leistungsanforderungen jeder Ausgangslast im Laufe der Zeit variieren.
Aus der US 2013 / 0 154 588 A1 ist ein System bekannt, das einen SIMO-Konverter besitzt, der mehrere Augangskanäle aufweist, wobei jeder Ausgansgkanal eine Last und einen integrierten Schaltkreis aufweist, der mit den Ausgangskanälen in Verbindung steht.
Aus der US 2013 / 0 147 457 A1 ist ein SIMO DC/DC Konverter bekannt, der einen DC/DC Umwandlung ermöglicht durch Transfer eines Eingangsstromes, der in einer einzigen Spule gespeichert ist, an mehrere Ausgangsknoten.
Es besteht weiterhin ein Bedarf an einem Energieversorgungsregulierungssystem mit einem auf die Leistungsanforderungen mehrerer Ausgangslasten ansprechenden Steuersystem.
Kurzfassung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt der Offenbarung wird ein Verfahren zum Betreiben eines Spannungsreglers bereitgestellt, der eine Quellenspannungsschiene und mehrere Ausgangsspannungsschienen umfasst, wobei das Verfahren umfasst: Umwandeln einer Quellenspannung auf der Quellenspannungsschiene in eine entsprechende Ausgangsspannung auf jeder Ausgangsspannungsschiene; - Auswählen einer Ausgangsspannungsschiene; Vergleichen der Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene mit einer Referenzspannung für die gewählte Ausgangsspannungsschiene; und falls die Ausgangsspannung der gewählten Ausgangsspannungsschiene kleiner als die Referenzspannung für die gewählte Ausgangsspannungsschiene ist, Steuern des Spannungsreglers zur Erhöhung der Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene, wobei die Frequenz, mit der eine Ausgangsspannungsschiene gewählt wird, von der Rate abhängig ist, mit der der Spannungsregler zuvor die Ausgangsspannung auf dieser Ausgangsspannungsschiene erhöht hat.
Zweckdienlich umfasst für jede Ausgangsspannungsschiene das Verfahren ein Erhöhen der Frequenz, mit der diese Ausgangsspannungsschiene gewählt wird, falls die Rate, mit der der Spannungsregler zuvor die Ausgangsspannung auf dieser Ausgangsspannungsschiene erhöht hat, steigt.
Zweckdienlich umfasst für jede Ausgangsspannungsschiene das Verfahren ein Senken der Frequenz, mit der diese Ausgangsspannungsschiene gewählt wird, falls die Rate, mit der der Spannungsregler zuvor die Ausgangsspannung auf dieser Ausgangsspannungsschiene erhöht hat, sinkt.
Zweckdienlich umfasst das Verfahren ferner: Auswählen weiterer Ausgangsspannungsschienen zur Bildung einer Auswahlsequenz; und Durchführen des Vergleichsschritts auf jeder Ausgangsspannungsschiene der Auswahlsequenz, wobei eine erste Ausgangsspannungsschiene so gewählt wird, dass sie früher in der Sequenz erscheint als eine zweite Ausgangsspannungsschiene, falls die Rate, mit der der Spannungsregler zuvor die Ausgangsspannung der ersten Ausgangsspannungsschiene erhöht hat, größer ist als die Rate, mit der der Spannungsregler zuvor die Ausgangsspannung der zweiten Ausgangsspannungsschiene erhöht hat.
Zweckdienlich umfasst das Verfahren ferner: Auswählen weiterer Ausgangsspannungsschienen; Durchführen des Vergleichsschritts auf jeder der weiteren Ausgangsspannungsschienen; und falls die Rate, mit der der Vergleichsschritt zum Steuerungsschritt führt, einen Schwellenwert übersteigt, Erhöhen der Frequenz des Auswahl- und Vergleichsschritts.
Zweckdienlich umfasst der Spannungsregler einen Komparator zum Durchführen des Vergleichsschritts, wobei das Verfahren ein Erhöhen der Frequenz des Auswahl- und Vergleichsschritts durch Erhöhen der Vergleichsrate des Komparators umfasst.
Zweckdienlich umfasst das Verfahren ferner: Auswählen weiterer Ausgangsspannungsschienen; Durchführen des Vergleichsschritts auf jeder der weiteren Ausgangsspannungsschienen; und falls die Rate, mit der der Vergleichsschritt zum Steuerungsschritt führt, kleiner als ein Schwellenwert ist, Senken der Frequenz des Auswahl- und Vergleichsschritts.
Zweckdienlich umfasst der Spannungsregler einen Komparator zum Durchführen des Vergleichsschritts, wobei das Verfahren ein Senken der Frequenz des Auswahl- und Vergleichsschritts durch Senken der Vergleichsrate des Komparators umfasst.
Zweckdienlich umfasst der Spannungsregler eine Energiequelle und eine Schaltanordnung, die zwischen der Energiequelle und den mehreren Ausgangsspannungsschienen gekoppelt ist, wobei das Verfahren ein Steuern des Spannungsreglers zum Erhöhen der Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene durch Steuern der Schaltanordnung umfasst, um eine Energie, die von der Energiequelle erzeugt wird, an die gewählte Ausgangsspannungsschiene anzulegen.
Zweckdienlich umfasst das Verfahren ein Steuern des Spannungsreglers zur Erhöhung der Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene durch Anlegen eines vorbestimmten Stromwertes an die gewählte Ausgangsspannungsschiene.
Falls die Quellenspannung die Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene um mehr als einen vorbestimmten Wert übersteigt, wird der Spannungsregler zweckdienlich für einen Betrieb in einem Tiefsetzmodus zur Erhöhung der Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene gesteuert.
Falls die Quellenspannung die Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene nicht um mehr als einen vorbestimmten Wert übersteigt, wird der Spannungsregler zweckdienlich für einen Betrieb in einem Tiefsetz-Hochsetzmodus zur Erhöhung der Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene gesteuert.
Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein Spannungsregler bereitgestellt, umfassend: eine Quellenspannungsschiene und mehrere Ausgangsspannungsschienen, wobei der Spannungsregler zum Umwandeln einer Quellenspannung auf der Quellenspannungsschiene in eine entsprechende Ausgangsspannung auf jeder Ausgangsspannungsschiene ausgelegt ist; eine Steuerung, die zum Auswählen einer Ausgangsspannungsschiene ausgelegt ist; und einen Komparator, der zum Vergleichen der Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene mit einer Referenzspannung für die gewählte Ausgangsspannungsschiene ausgelegt ist; wobei die Steuerung ferner zum Steuern des Spannungsreglers zur Erhöhung der Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene ausgelegt ist, falls die Ausgangsspannung der gewählten Ausgangsspannungsschiene kleiner ist als die Referenz für die gewählte Ausgangsspannungsschiene, wobei die Steuerung zum Auswählen einer Ausgangsspannungsschiene mit einer Frequenz, die von der Rate abhängig ist, mit der der Spannungsregler zuvor die Ausgangsspannung auf dieser Ausgangsspannungsschiene erhöht hat, ausgelegt ist.
Zweckdienlich umfasst der Spannungsregler einen einzigen Komparator, der zum Vergleichen der Ausgangsspannung auf jeder Ausgangsspannungsschiene mit einer Referenzspannung für diese Ausgangsspannungsschiene ausgelegt ist.
Zweckdienlich umfasst der Spannungsregler ferner: eine Energiequelle; und eine Schaltanordnung, die zwischen der Energiequelle und den mehreren Ausgangsspannungsschienen gekoppelt ist, wobei die Steuerung zum Steuern der Schaltanordnung ausgelegt ist, um eine Energie, die von der Energiequelle erzeugt wird, an die gewählte Ausgangsspannungsschiene anzulegen, falls die Ausgangsspannung der gewählten Ausgangsspannungsschiene kleiner ist als die Referenzspannung für die gewählte Ausgangsspannungsschiene.
Zweckdienlich umfasst eine Schaltmodus-Energieversorgung den Spannungsregler.
Zweckdienlich ist die Schaltmodus-Energieversorgung in einem Tiefsetzmodus und einem Tiefsetz-Hochsetzmodus betreibbar, wobei die Schaltmodus-Energieversorgung für einen Betrieb in einem Tiefsetzmodus zur Erhöhung der Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene ausgelegt ist, falls die Quellenspannung die Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene um mehr als einen vorbestimmten Wert übersteigt.
Zweckdienlich ist die Schaltmodus-Energieversorgung in einem Tiefsetzmodus und einem Tiefsetz-Hochsetzmodus betreibbar, wobei die Schaltmodus-Energieversorgung für einen Betrieb in einem Tiefsetz-Hochsetzmodus zur Erhöhung der Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene ausgelegt ist, falls die Quellenspannung die Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene nicht um mehr als einen vorbestimmten Wert übersteigt.
Figurenliste
Diese Offenbarung wird nun anhand eines Beispiels unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren beschrieben. In den Figuren:

zeigt 1 eine beispielhafte Leistungsmanagementeinheit;
zeigt 2a eine beispielhafte Anordnung der Leistungsmanagementeinheit von 1;
zeigt 2b eine beispielhafte Anordnung der Leistungsmanagementeinheit von 1;
zeigt 2c eine beispielhafte Anordnung der Leistungsmanagementeinheit von 1;
ist 3 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Betreiben der Steuerung von 1 zeigt;
ist 4 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bewerten und Ändern der Auswahlrate einer Ausgangsspannung einer Ausgangsspannungsschiene von 1 zeigt;
ist 5 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bewerten und Ändern der Ansprechrate der Leistungsmanagementeinheit von 1 zeigt;
zeigt 6 beispielhafte Ergebnisse von Spannungsvergleichen;
zeigt 7 eine Anordnung der Energieversorgung von 1;
zeigt 8 ein beispielhaftes Spannungsprofil einer Sender/Empfängerschaltung; und
zeigt 9 ein weiteres beispielhaftes Spannungsprofil einer Sender/Empfängerschaltung.

Ausführliche Beschreibung
1, 2a, 2b, 2c und 7 sind schematische Darstellungen einer beispielhaften Leistungsmanagementschaltung. Diese Figuren präsentieren Komponenten dieser Schaltung als Funktionsblöcke. Einige Funktionsblöcke zur Ausführung von Funktionen, die nach dem Stand der Technik allgemein bekannt sind, wurden an Stellen in diesen Figuren weggelassen. 3, 4 und 5 sind Flussdiagramme, die Verfahren zur Implementierung der Leistungsmanagementschaltung zeigen. Jedes Flussdiagramm zeigt eine Reihenfolge, in der das Verfahren dieses Flussdiagramms ausgeführt werden kann. Die Flussdiagramme sollen jedoch die beschriebenen Verfahren nicht auf die Implementierung in den dargestellten Reihenfolgen beschränken. Die Schritte der Verfahren können in anderen Reihenfolgen als den in den Flussdiagrammen dargestellten ausgeführt werden.
1 zeigt die allgemeine Struktur einer beispielhaften Leistungsmanagementeinheit. Die Energiequelle 101 ist durch die Quellenspannungsschiene 104 mit der Schaltanordnung 103 verbunden. Die Schaltanordnung 103 ist mit den Ausgangsspannungsschienen 106, 107, 108 und 109 verbunden. Die Steuerung 102 stellt der Schaltanordnung 103 ein Steuersignal 105 bereit. Die Ausgangsspannungsschienen 106, 107, 108 und 109 stellen einer weiteren Schaltung, die in 1 nicht dargestellt ist, Ausgangsspannungen bereit. Vier Ausgangsspannungsschienen sind nur zu Veranschaulichungszwecken dargestellt. Die Schaltanordnung 103 kann mit weniger oder mehr als vier Ausgangsspannungsschienen verbunden sein. Die Schaltanordnung 103 kann mit einer einzigen Ausgangsspannungsschiene oder mit mehreren Ausgangsspannungsschienen verbunden sein. Die Schaltanordnung 103 verbindet die Quellenspannungsschiene 104 durch eine Versorgungsschaltanordnung 112 und Ausgangsschaltanordnung 113 mit den Ausgangsspannungsschienen, wodurch eine Versorgungsspannung auf einer Versorgungsspannungsschiene 104 in Ausgangsspannungen auf Ausgangsspannungsschienen 106, 107, 108 und 109 umgewandelt werden kann. Die Versorgungsschaltanordnung wandelt die Quellenspannung auf der Quellenspannungsschiene 104 in eine Eingangsspannung auf der Eingangsspannungsschiene 114 um. Die Ausgangsschaltanordnung 113 schaltet die Eingangsspannung zu einer der Ausgangsspannungsschienen durch. Die Steuerung 102 umfasst eine digitale Steuerschaltung 110 und eine analoge Steuerschaltung 111. Die digitale Steuerschaltung 110 steuert die analoge Steuerschaltung 111 zur Steuerung der Schaltanordnung 103.
2a zeigt eine beispielhafte Anordnung der Leistungsmanagementeinheit von 1. Die Ausgangsschaltanordnung 113 umfasst einen Schalter pro Ausgangsspannungsschiene. In diesem Beispiel umfasst die Schaltanordnung vier Schalter 206, 207, 208 und 209, die mit den Ausgangsspannungsschienen 106, 107, 108 bzw. 109 verbunden sind. Der Eingang jedes Schalters ist mit der Eingangsspannungsschiene 114 von der Versorgungsschaltanordnung 112 verbunden. Der Ausgang jedes Schalters ist mit seiner entsprechenden Ausgangsspannungsschiene verbunden. Jede Ausgangsspannungsschiene ist über einen Kondensator 210, 211, 212, 213 an die Masse gekoppelt. In 2a ist dieser Kondensator im Inneren der Schaltanordnung angeordnet dargestellt. Alternativ kann dieser Kondensator extern zur Schaltanordnung liegen. Zum Beispiel kann der Kondensator außerhalb des Chips liegen. Dieser Kondensator dient zum Glätten von Variationen in der Ausgangsspannung auf der Ausgangsspannungsschiene. Jeder Schalter empfängt ein Steuersignal über eine Steuerleitung 201, 202, 203, 204 von analoger Steuerschaltung 111.
Die Ausgangsspannungen auf den Ausgangsspannungsschienen 106, 107, 108 und 109 sind V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3 bzw. V_OUT4. Jede dieser Ausgangsspannungen wird zur Steuerung 102 zurückgekoppelt. Die digitale Steuerschaltung 110 umfasst eine Digitallogik.
Die analoge Steuerschaltung 111 umfasst eine Schaltsteuerung 214. Die Ausgangsspannungen V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3 und V_OUT4 werden in die Schaltsteuerung 214 geleitet. Zweckdienlich sind die Eingänge in die Schaltsteuerung 214 k₁V_OUT1, k₂V_OUT2, k₃V_OUT3, und k₄V_OUT4, wobei k₁, k₂, k₃ und k₄ skalare Werte sind, die durch ein Widerstandsteilerverhältnis bestimmt werden. Die Logik 110 wählt einen von k₁V_OUT1, k₂V_OUT2, k₃V_OUT3 und k₄V_OUT4 über die Steuerleitung 215. Die Schaltsteuerung 214 betätigt Schalter 216, 217, 218 und 219, um den gewählten von k₁V_OUT1, k₂V_OUT2, k₃V_OUT3 und k₄V_OUT4 unter der Steuerung der Digitallogik 110 zur Leitung 220 durchzuschalten.
Die analoge Steuerschaltung 111 umfasst ferner einen Komparator 222, eine T_ON Schaltung 225 und eine Treiber- und Taktschaltung 229. Der Komparator 222 empfängt zwei Eingänge: einer ist der Ausgang 220 der Schaltsteuerung 214 und der andere ist eine Referenzspannung V_REF 221. Der V_REF Generator 224 erzeugt V_REF unter der Steuerung eines Steuersignals 223 aus der Digitallogik 110. V_REF ist eine Referenzspannung für die gewählte Ausgangsspannungsschiene der Ausgangsspannung. Der Komparator 222 vergleicht die gewählte Ausgangsspannung mit der Referenzspannung für die gewählte Ausgangsspannungsschiene. Der Ausgang des Komparators 222 wird zur Logik 110 auf Leitung 226 zurückgekoppelt.
2b zeigt eine alternative Implementierung einer analogen Steuerschaltung 111. In dieser Implementierung enthält die analoge Steuerschaltung 111 keine Schaltsteuerung 214. Stattdessen umfasst die analoge Steuerschaltung 111 mehrere Komparatoren 230, 231, 232, 233, einen für jede Ausgangsspannungsschiene. Jeder Komparator empfängt zwei Eingänge: einen Wert proportional zur Spannung einer Ausgangsspannungsschiene und eine Referenzspannung für diese Ausgangsspannungsschiene. Zum Beispiel empfängt der Komparator 230 k₁V_OUT1 und V_REF1. Der V_REF Generator 234 erzeugt die Spannungsreferenzen jeder der Ausgangsspannungsschienen V_REFi (wobei i eine Ausgangsspannungsschiene bezeichnet) unter der Steuerung des Steuersignals 235 aus der Digitallogik 110. Die Ausgänge 237, 238, 239 und 240 jedes Komparators werden zur Digitallogik 110 zurückgekoppelt. Die Digitallogik 110 wählt, welche Ausgangsspannungsschiene mit ihrer Referenzspannung beim Komparator verglichen wird und steuert die analoge Steuerschaltung dementsprechend unter der Steuerleitung 236.
2c zeigt eine weitere alternative Implementierung einer analogen Steuerschaltung 111. Wie in 2b enthält diese Implementierung einer analogen Steuerschaltung 111 keine Schaltsteuerung 214. Stattdessen umfasst die analoge Steuerschaltung 111 wie in 2b mehrere Komparatoren 230, 231, 232, 233, einen für jede Ausgangsspannungsschiene. Jeder Komparator empfängt zwei Eingänge: einen Wert proportional zur Spannung einer Ausgangsspannungsschiene und eine Referenzspannung für diese Ausgangsspannungsschiene. Zum Beispiel empfängt der Komparator 230 k₁V_OUT1 und V_REF1. Jeder Komparator ist mit einem V_REF Generator verbunden, der die Spannungsreferenz für die Ausgangsspannungsschiene, die diesem Komparator zugeordnet ist, unter der Steuerung eines Steuersignals aus der Digitallogik 110 erzeugt. Zum Beispiel, erzeugt der V_REF Generator 241 V_REF1 unter der Steuerung des Steuersignals 245 von der Digitallogik 110. Der V_REF Generator 241 gibt V_REF1 an den Komparator 230 für einen Vergleich mit k₁V_OUT1 aus. Die Ausgänge 237, 238, 239 und 240 jedes Komparators werden zur Digitallogik 110 zurückgekoppelt. Die Digitallogik 110 wählt, welche Ausgangsspannungsschiene mit ihrer Referenzspannung an einem Komparator verglichen wird und steuert die analoge Steuerschaltung dementsprechend unter der Steuerleitung 236.
In einem weiteren Beispiel, nicht dargestellt, umfasst die analoge Steuerschaltung 111 mehr als einen V_REF Generator und wenigstens einer der V_REF Generatoren erzeugt die Referenzspannungen V_REF von mehr als einer, aber nicht allen der Ausgangsspannungsschienen.
Die Logik 110 stellt ein Steuersignal auf Steuerleitung 249 für die T_ON Schaltung 225 bereit. Unter der Steuerung der Logik 110 steuert die T_ON Schaltung 225 die Einschaltdauer der Energieversorgung. Die T_ON Schaltung 225 hat zwei Ausgänge. Ein erster Ausgang 251 der T_ON Schaltung 225 wird zur Logik 110 zurückgekoppelt. Ein zweiter Ausgang 250 der T_ON Schaltung wird in die Treiber- und Taktschaltung 229 der analogen Steuerschaltung 111 eingegeben. Die Treiber- und Taktschaltung 229 empfängt auch ein Steuersignal, das von der Logik 110 eingegeben wird, auf Leitung 252. Die Treiber- und Taktschaltung 229 steuert die Schalter 206, 207, 208, 209 zur Änderung des Zustandes über die Steuerleitungen 201, 202, 203, 204. Die Treiber- und Taktschaltung 229 steuert auch die Einschaltdauer der Energieversorgung über die Steuerleitung 254.
Im Allgemeinen steuert die Steuerung 102 die Energieversorgung aus der Energiequelle 101 zur Schaltung, der mit den Ausgangsspannungsschienen 106, 107, 108 und 109 verbunden ist. Die digitale Steuerschaltung 110 steuert die analoge Steuerschaltung 111, um den Schalter 206 zu schließen, so dass die Ausgangsspannungsschiene 106 mit Energie versorgt wird. Ähnlich steuert die digitale Steuerschaltung 110 die analoge Steuerschaltung 111, um den Schalter 207 zu schließen, damit die Ausgangsspannungsschiene 107 mit Energie versorgt wird. Und so weiter für die anderen Ausgangsspannungsschienen. Wenn ein Schalter der Ausgangsschaltanordnung 113 geschlossen wird, sind die anderen Schalter der Schaltanordnung 113 zweckdienlich offen. Dies hält die Isolierung zwischen den Ausgangsspannungen auf den Ausgangsspannungsschienen 106, 107, 108 und 109 aufrecht. Hier können unterschiedliche Ausgangsspannungen auf den Ausgangsspannungsschienen 106, 107, 108 und 109 aufrechterhalten werden. Die Steuerung 102 steuert auch, wie viel Energie einer Ausgangsspannungsschiene zugeführt wird, indem die Eingangsspannung auf der Eingangsspannungsschiene 114 gesteuert wird und die Dauer gesteuert wird, die der Schalter der Ausgangsschaltanordnung 113, die mit dieser Ausgangsspannungsschiene verbunden ist, geschlossen ist. Zweckdienlich implementiert die Versorgungsschaltanordnung 112 eine Schaltmodus-Energieversorgung. Die Steuerung 102 steuert die Eingangsspannung auf der Eingangsspannungsschiene 114 durch Steuern der Einschaltdauer der Schaltmodus-Energieversorgung.
Das Energiemanagement in integrierten Schaltungen wird aufgrund der Nachfrage am Markt an einander entgegengesetzten Eigenschaften, nämlich einerseits einer größeren Funktionalität aber andererseits einer längeren Batterielebensdauer/eines geringeren Stroms, ein zunehmend wichtiger Bereich. Zur Minimierung des Energieverbrauchs der Schaltung, der mit einer Ausgangsspannungsschiene der Leistungsmanagementeinheit verbunden ist, kann diese Schaltung einen oder mehrere Leistungszustände haben. In jedem Leistungszustand wird ein Teil oder die Gesamtheit dieser Schaltung teilweise oder vollständig heruntergeschaltet. Der Leistungszustand der Schaltung kann rasch variieren. Somit können die Last auf jeder Ausgangsspannungsschiene und der Strom, der von dieser Last benötigt wird, rasch variieren. Die folgende Beschreibung beschreibt Implementierungen der Steuerung 102 und Schaltanordnung 103, die ihnen ermöglichen, rasch auf die sich ändernden Leistungsanforderungen der Schaltung anzusprechen, der mit den Ausgangsspannungsschienen der Leistungsmanagementeinheit verbunden ist.
Die Ausgangsspannungen V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3 und V_OUT4 auf den Ausgangsspannungsschienen 106, 107, 108 und 109 werden zur analogen Steuerschaltung 111 rückgekoppelt. Die Digitallogik 110 wählt eine dieser Ausgangsspannungen, die sie dann durch Steuerung der analogen Steuerschaltung 111 zum Komparator 222 im Fall von 2a oder zum geeigneten Komparator für diese Ausgangsspannung im Fall von 2b und 2c leitet. Wenn beispielsweise V_OUT1 gewählt ist, schließt im Fall von 2a die Schaltsteuerung 214 den Schalter 216, um k₁V_OUT1 zum Komparator 222 zu leiten. Der Komparator 222 empfängt auch eine Referenzspannung V_REF1 vom V_REF Generator 224. Der Komparator 222 vergleicht und V_REF1. Der Ausgang des Komparators 222 gibt an, wie sich die skalierte Ausgangsspannung von der Referenzspannung V_REF1 unterscheidet. Falls die skalierte Ausgangsspannung V_OUT1 kleiner ist als V_REF1, steuert die Digitallogik 110 die analoge Steuerschaltung 111, um ein Steuersignal auf Leitung 201 anzulegen, um den Schalter 206 für eine eingestellte Zeitperiode zu schließen. Während dieser Zeitperiode wird die Eingangsspannungsschiene 114 mit der Ausgangsspannungsschiene 106 verbunden. Die Energieversorgung gibt eine Spannung auf der Eingangsspannungsschiene aus, die höher ist als V_OUT1, um die Ausgangsspannung V_OUT1 zu erhöhen. Die Versorgungsschaltanordnung 112 wird von der Steuerung 102 auf Leitung 254 gesteuert, um eine angemessene Eingangsspannung auf der Eingangsspannungsschiene 114 bereitzustellen.
Zweckdienlich ist die Spannungsreferenz V_REF1 gegeben durch: $V_{R E F 1} = V_{T A R G E T 1} - δ V_{1}$
wobei V_TARGET1 die Soll-Ausgangsspannung der Ausgangsschiene 106 skaliert mit k₁ ist und δV₁ einen Schwellenwertbetrag darstellt. Falls weniger als einen Schwellenwertbetrag δV₁ unter der skalierten Soll-Ausgangsspannung V_TARGET1 der Ausgangsschiene 106 ist, wird somit kein Steuersignal auf Leitung 201 an den Schalter 206 angelegt. Falls aber k₁V_OUT1 um weniger als einen Schwellenwertbetrag δV₁ unter der skalierten Soll-Ausgangsspannung V_TARGET1 der Ausgangsschiene 106 liegt, wird kein Steuersignal auf Leitung 254 an die Versorgungsschaltanordnung 112 angelegt. Falls jedoch mehr als einen Schwellenwertbetrag δV₁ unter der skalierten Soll-Ausgangsspannung V_TARGET1 der Ausgangsschiene 106 liegt, wird ein Steuersignal auf Leitung 201 an den Schalter 206 angelegt, um die Energieversorgung mit der Ausgangsspannungsschiene 106 zu verbinden.
In dem obenstehenden Beispiel wird V_OUT1 gewählt. Ein analoger Betrieb gilt, falls eine von V_OUT2, V_OUT3 oder V_OUT4 gewählt wird.
Dieses Verfahren des Vergleichens der Ausgangsspannung jeder Ausgangsspannungsschiene mit einer Referenzspannung für diese Ausgangsspannungsschiene ist eine an sich stabile Möglichkeit, das Anlegen von Energie aus einer Energieversorgung zu steuern. Der Grund ist, dass die Bestimmung, Energie an eine Ausgangsspannungsschiene anzulegen, von den Ausgangsspannungen auf den anderen Ausgangsspannungsschienen unabhängig ist.
Eine Spannungsreferenz V_REFi (wobei i = 1, 2, 3, 4 oder mehr ist) kann sich im Laufe der Zeit ändern. Falls sich zum Beispiel die Leistungsanforderungen der Schaltung, die mit einer Ausgangsspannungsschiene i verbunden ist, ändern, ändert sich V_REFi dementsprechend. Eine Rückkopplungsschleife von der Schaltung, die mit einer Ausgangsspannungsschiene i verbunden ist, zur Steuerung 102 (nicht dargestellt) wird von der Logik 110 zum Modifizieren von V_REFi entsprechend den Anforderungen der Schaltung verwendet.
In einer Implementierung des Betriebs der Steuerung 102 wählt die Logik 110 jede Ausgangsspannungsschiene wiederum zur Bewertung der Ausgangsspannung dieser Ausgangsspannungsschiene gegen eine Referenzspannung für diese Ausgangsspannungsschiene. Mit anderen Worten, V_OUT1 der Ausgangsspannungsschiene 106 würde zuerst bewertet werden, gefolgt von V_OUT2 der Ausgangsspannungsschiene 107, gefolgt von V_OUT3 der Ausgangsspannungsschiene 108, gefolgt von V_OUT4 der Ausgangsspannungsschiene 109, gefolgt von V_OUT1 der Ausgangsspannungsschiene 106 und so weiter.
3 bis 6 zeigen unterschiedliche Verfahren zum Betreiben der Steuerung 102, in welchen die Logik 218 eine Auswahlsequenz bestimmt, in der die Ausgangsspannungen V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3 und V_OUT4 der Ausgangsspannungsschienen 106, 107, 108 und 109 für einen Vergleich gegen ihre entsprechenden Referenzspannungen V_REF1, V_REF2, V_REF3 und V_REF4 gewählt werden.
Zunächst wird 3 betrachtet. In Schritt 301 wählt die Logik 110 die Ausgangsspannung V_OUTi der nächsten Schiene i in der Auswahlsequenz. Die Logik 110 steuert die analoge Steuerschaltung 111, um k_iV_OUTi zum passenden Komparator durchzuschalten. In Schritt 302 vergleicht der Komparator k_iV_OUTi mit V_REFi. Der Komparator leitet seinen Ausgang zur Logik 110 zurück. Falls in Schritt 303 bestimmt wird, dass die gewählte skalierte Schienenspannung k_iV_OUTi nicht kleiner als die Spannungsreferenz V_REFi ist, kehrt das Verfahren zu Schritt 301 zurück. Falls in Schritt 303 bestimmt wird, dass die gewählte Schienenspannung k_iV_OUTi kleiner als die Spannungsreferenz V_REFi ist, wird die Ausgangsspannung V_OUTi in Schritt 304 wie oben beschrieben erhöht. Danach kehrt das Verfahren zu Schritt 301 zurück. In Schritt 305 verwendet die Logik 110 das Ergebnis des in Schritt 302 durchgeführten Vergleichs, um die Auswahlsequenz zu modifizieren. Schritt 305 kann nach jedem Vergleichsereignis in Schritt 302 durchgeführt werden. Alternativ können die Ergebnisse von Schritt 303 gespeichert werden und Schritt 305 kann periodisch unter Verwendung der gespeicherten Ergebnisse durchgeführt werden.
Eine Auswahlsequenz, die eine Reihenfolge von Ausgangsspannungsschienen umfasst, die gewählt werden sollen, kann im Voraus erstellt und bei jeder Durchführung von Schritt 305 modifiziert werden. Alternativ kann die nächste Ausgangsspannungsschiene einer Auswahlsequenz nach Bedarf unter Verwendung (i) der früheren Auswahlsequenz und (ii) der Rate, bei der Energie kürzlich an jede Ausgangsspannungsschiene angelegt wurde, als Eingaben generiert werden.
4 zeigt ein Verfahren zum Bewerten und Ändern der Auswahlrate der Ausgangsspannung einer Ausgangsspannungsschiene für einen Vergleich gegen eine Referenzspannung für diese Ausgangsspannungsschiene. In Schritt 401 bestimmt die Logik 110, ob die Rate gestiegen ist, bei der die Ausgangsspannung V_OUTi der Ausgangsspannungsschiene i von der Energieversorgung erhöht wurde. Falls die Antwort JA ist, wird in Schritt 402 die Auswahlrate von V_OUTi erhöht. Mit anderen Worten, die Logik 110 bewirkt einen häufigeren Vergleich von V_OUTi mit V_REF.
Das Anlegen von Strom an eine Ausgangsspannungsschiene i erfolgt nur nach einem Vergleich der skalierten Ausgangsspannung auf dieser Schiene k_iV_OUTi mit V_REFi. Somit erhöht sich durch Erhöhen der Rate, bei der die Vergleichsereignisse für diese Ausgangsspannungsschiene eintreten, die Strommenge, die auf dieser Ausgangsspannungsschiene zugeführt werden kann. Dadurch kann die Leistungsmanagementeinheit rascher auf sich ändernde Anforderungen von der Schaltung ansprechen, die mit der Ausgangsspannungsschiene verbunden ist, als wenn ein Vergleichsereignis für jede Ausgangsspannungsschiene der Reihe nach eintritt. Falls zum Beispiel die Schaltung, die mit einer Ausgangsspannungsschiene verbunden ist, anfangs in einem relativ inaktiven, heruntergeschalteten Modus ist, ist der Stromausgang auf dieser Ausgangsspannungsschiene gering. Falls die Schaltung, die mit dieser Ausgangsspannungsschiene verbunden ist, plötzlich in einen aktiven Modus gelangt, der mehr Strom erfordert, wird die Referenzspannung rasch viel höher als die Ausgangsspannung auf der Ausgangsspannungsschiene. Somit erhöht sich die Rate, bei der der Vergleich der Ausgangsspannung und der Referenzspannung dazu führt, dass Strom dieser Ausgangsschiene zugeführt wird. Gemäß einem Schritt 402 von 4 führt dies zu einer Erhöhung in der Auswahlrate von V_OUTi für einen Vergleich mit V_REFi. Somit erhöht sich die Ausgangsspannung V_OUTi rasch wieder auf ihren Nennwert.
Unter erneuter Bezugnahme auf 4, falls die Antwort auf Schritt 401 NEIN ist, bewertet in Schritt 403 die Logik 110, ob die Rate, bei der die Ausgangsspannung V_OUTi der Ausgangsspannungsschiene erhöht wurde, gesenkt wurde. Falls die Antwort JA ist, wird in Schritt 404 die Auswahlrate von V_OUTi gesenkt. Mit anderen Worten, die Logik 110 bewirkt einen weniger häufigen Vergleich von V_OUTi mit V_REFi.
Durch Senken der Rate, bei der die Vergleichsergebnisse für eine Ausgangsspannungsschiene eintreten, sinkt die Rate, bei der Strom dieser Ausgangsspannungsschiene zugeführt werden kann. Es wird jedoch Strom vom Komparator verbraucht, wenn dieser jeden Vergleich ausführt. Somit wird durch Verringerung der Anzahl von Vergleichsereignissen für eine Ausgangsspannungsschiene der Stromverbrauch der Leistungsmanagementeinheit selbst gesenkt.
Falls die Antwort auf Schritt 403 NEIN ist, wird in Schritt 405 keine Maßnahme zum Ändern der Auswahlrate von V_OUTi ergriffen.
Zweckdienlich wird Schritt 403 von 4 vor Schritt 401 durchgeführt. Zweckdienlich werden die Schritte 401 und 403 von 4 gleichzeitig durchgeführt.
Zweckdienlich wird das oben in Bezug auf das Flussdiagramm von 4 beschriebene Verfahren zur Implementierung von Schritt 305 von 3 verwendet. Falls die Logik 110 bestimmt, die Auswahlrate der Ausgangsspannung V_OUTi zu erhöhen, wird die Auswahlsequenz so modifiziert, dass die entsprechende Ausgangsspannungsschiene von V_OUTi häufiger in der Auswahlsequenz erscheint. Zweckdienlich wird die Auswahlsequenz so modifiziert, dass die entsprechende Ausgangsspannungsschiene von V_OUTi früher in der Auswahlsequenz erscheint als wenn die Ausgangsspannungsschienen der Reihe nach genommen werden. Falls die Logik 110 bestimmt, die Auswahlrate der Ausgangsspannung V_OUTi zu senken, wird die Auswahlsequenz so modifiziert, dass die entsprechende Ausgangsspannungsschiene von V_OUTi weniger häufig in der Auswahlsequenz erscheint. Zweckdienlich wird die Auswahlsequenz so modifiziert, dass die entsprechende Ausgangsspannungsschiene von V_OUTi später in der Auswahlsequenz erscheint als wenn die Ausgangsspannungsschienen der Reihe nach genommen werden. Zweckdienlich reflektiert die Auswahlsequenz die Änderungsrate der Ausgangsspannung auf den Ausgangsspannungsschienen. Mit anderen Worten, eine erste Ausgangsspannungsschiene wird so gewählt, dass sie früher in der Sequenz erscheint als eine zweite Ausgangsspannungsschiene, falls die Rate, bei der Strom kürzlich der ersten Ausgangsspannungsschiene zugeführt wurde, größer ist als die Rate, bei der Strom kürzlich der zweiten Ausgangsspannungsschiene zugeführt wurde.
5 ist ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zum Bewerten und Ändern der Ansprechrate der Leistungsmanagementeinheit zeigt, um einen Energieverbrauch von den Ausgangsspannungsschienen insgesamt zu erhöhen. In Schritt 501 bestimmt die Logik 110, ob die Rate, bei der die vom Komparator durchgeführten Vergleiche zum Anlegen von Strom durch die Energieversorgung führen, größer als ein Schwellenwert ist. Falls die Antwort JA ist, spricht die Steuerung durch Erhöhen der Frequenz der Vergleiche vom Komparator an. Zweckdienlich wird dies in Schritt 502 durch Erhöhen der Vergleichsrate des Komparators implementiert, zum Beispiel durch Erhöhen der Taktfrequenz des Komparators. Falls die Antwort NEIN ist, fährt das Verfahren mit Schritt 503 fort. In Schritt 503 bestimmt die Logik 110, ob die Rate, bei der vom Komparator durchgeführte Vergleiche zu einem Anlegen von Strom durch die Energieversorgung führen, kleiner als ein Schwellenwert ist. Falls die Antwort JA ist, spricht die Steuerung durch Senken der Frequenz der Vergleiche durch den Komparator an. Zweckdienlich wird dies in Schritt 504 durch Senken der Vergleichsrate des Komparators implementiert, zum Beispiel durch Senken der Taktfrequenz des Komparators. Falls die Antwort NEIN ist, wird keine Änderung an der Frequenz der Vergleiche durch den Komparator in Schritt 505 vorgenommen.
Zweckdienlich wird die Bewertung von 5 jedes Mal durchgeführt, wenn der Komparator einen Vergleich einer Ausgangsspannung mit einer Referenzspannung durchführt. Alternativ wird die Bewertung von 5 periodisch durchgeführt.
6 zeigt beispielhafte Raten, bei welchen die Vergleiche, die vom Komparator durchgeführt werden, zu einem Anlegen von Strom von der Energieversorgung an eine Ausgangsspannungsschiene führen. Jeder Kasten stellt einen Vergleich dar. Bei jedem neuen Vergleich wird das älteste Ergebnis aus der Schlange gestrichen. Ein Häkchen in einem Kasten stellt einen Vergleich dieser Ergebnisse beim Anlegen von Strom an eine Ausgangsspannungsschiene dar. Ein Kreuz in einem Kasten stellt einen Vergleich dieser Ergebnisse dar, wenn kein Strom an eine Ausgangsspannungsschiene angelegt wird. In 6(a) führen 4 von 8 Vergleichen zum Anlegen von Strom an eine Ausgangsspannungsschiene. In diesem Fall wird der Schwellenwert im Verfahren von 5 bei ¼ eingestellt. Somit ist die Antwort auf Schritt 501 NEIN und die Antwort auf Schritt 503 ist NEIN, wodurch keine Änderung an der Vergleichsrate des Komparators vorgenommen wird. In 6(b) führen 0 von 8 Vergleichen zum Anlegen von Strom an eine Ausgangsspannungsschiene. In diesem Fall wird der Schwellenwert im Verfahren von 5 bei ¼ eingestellt. Somit ist die Antwort auf Schritt 501 NEIN und die Antwort auf Schritt 503 ist JA. Somit wird die Vergleichsrate des Komparators gesenkt. Zweckdienlich wird die Vergleichsrate des Komparators halbiert. In 6(c) führen 6 von 8 Vergleichen zum Anlegen von Strom an eine Ausgangsspannungsschiene. In diesem Fall wird der Schwellenwert in dem Verfahren von 5 bei ¼ eingestellt. Somit ist die Antwort auf Schritt 501 JA. Somit wird die Vergleichsrate des Komparators erhöht. Zweckdienlich wird die Vergleichsrate des Komparators verdoppelt. In dem obenstehenden Beispiel wird ein Schwellenwert von ¼ verwendet. Es kann jedoch jeder geeignete Schwellenwert eingestellt werden. Dieser Schwellenwert kann dynamisch geändert werden. In dem obenstehenden Beispiel wird die Vergleichsrate in Schritt 502 verdoppelt und in Schritt 504 halbiert. Es kann jedoch jede passende Änderung an der Vergleichsrate vorgenommen werden.
Als eine Alternative zur Bestimmung, ob die Rate, bei der die Vergleiche vom Komparator zum Anlegen von Strom durch die Energieversorgung führen, größer ist als ein Schwellenwert in Schritt 501, kann die Logik 110 stattdessen bestimmen, ob die Rate, bei der Strom von der Energieversorgung angelegt wird, größer ist als ein Schwellenwert. Ebenso kann als eine Alternative zur Bestimmung, ob die Rate, bei der die Vergleiche vom Komparator zum Anlegen von Strom von der Energieversorgung führen, kleiner ist als ein Schwellenwert in Schritt 503, die Logik 110 stattdessen bestimmen, ob die Rate, bei der Strom von der Energieversorgung angelegt wird, kleiner ist als ein Schwellenwert. Der Rest von 5 ist in dieser alternativen Implementierung gleich.
Zweckdienlich wird ein vorbestimmter Wert an Strom an eine Ausgangsspannungsschiene ausgegeben, falls bestimmt wird, dass die skalierte Ausgangsspannung auf dieser Ausgangsspannungsschiene unter der Referenzspannung für diese Ausgangsspannungsschiene liegt. Zweckdienlich ist dieser vorbestimmte Wert an Strom für jede Ausgangsspannungsschiene derselbe.
Zweckdienlich wird Schritt 503 von 5 vor Schritt 501 durchgeführt. Zweckdienlich werden die Schritte 501 und 503 von 5 gleichzeitig durchgeführt.
Zweckdienlich ist die Energieversorgung eine Schaltmodus-Energieversorgung, die in einem Tiefsetzmodus und einem Tiefsetz-Hochsetzmodus betrieben werden kann. 7 zeigt eine Schaltanordnung 103 zur Implementierung einer solchen Energieversorgung. Die Versorgungsschaltanordnung 112 wandelt die Quellenspannung V_SOURCE 704 in die Eingangsspannung V_INPUT auf der Eingangsspannungsschiene 114 um, die in die Ausgangsschaltanordnung 113 eingegeben wird, um zu den Ausgangsspannungsschienen 106, 107, 108, 109 durchgeschaltet zu werden. Zweckdienlich wird die Quellenspannung von einer Batterie zugeführt. Die Quellenspannung V_SOURCE ist mit einem ersten Schalter 705 verbunden. Zweckdienlich ist der Schalter 705 ein PMOS. Der erste Schalter 705 ist mit einem zweiten Schalter 706 verbunden. Zweckdienlich ist der Schalter 706 ein NMOS. Der Schalter 706 ist auch mit der Masse verbunden. Ein Knoten 709 liegt zwischen Schalter 705 und Schalter 706. Ein Induktor 707 ist mit dem Knoten 709 verbunden. Der Induktor 707 ist auch mit der Eingangsspannungsschiene 114 mit einer Spannung V_INPUT verbunden. Der Knoten 710 liegt zwischen dem Induktor 707 und der Eingangsspannungsschiene 114. Ein dritter Schalter 708 koppelt den Knoten 710 an die Masse. Zweckdienlich ist der Schalter 708 ein NMOS. Der Schalter 705 empfängt ein Steuersignal von der Steuerung 102 auf Steuerleitung 701. Der Schalter 706 empfängt ein Steuersignal von der Steuerung 102 auf Steuerleitung 702. Der Schalter 708 empfängt ein Steuersignal von der Steuerung 102 auf Steuerleitung 703.
Bei einem Betrieb im Tiefsetzmodus dient die Versorgungsschaltanordnung 112 als ein Abwärts-Spannungswandler. Mit anderen Worten, V_INPUT ist immer kleiner als V_SOURCE. Im Tiefsetzmodus steuert die Steuerleitung 703 den Schalter 708 so, dass er immer offen ist. Im Tiefsetzmodus steuert die Steuerung 102 die Schalter 705 und 706 über Steuerleitungen 701 und 702, dass sie sich öffnen und schließen. Der Zeitanteil, in dem die Schalter 705 und 706 geschlossen sind, ist die Einschaltdauer. Je höher die Einschaltdauer, umso größer der Durchschnittsstrom auf der Eingangsspannungsschiene 114. Somit sind der Strom auf der Eingangsspannungsschiene 114 und die Eingangsspannung auf der Eingangsspannungsschiene 114 von der Steuerung 102 im Tiefsetzmodus über Steuerleitungen 701, 702 und 703 steuerbar.
Bei einem Betrieb im Tiefsetz-Hochsetzmodus kann die Versorgungsschaltanordnung 112 als Aufwärts-, Abwärts- oder schaltfreier Spannungswandler dienen. Mit anderen Worten, V_INPUT kann größer als, kleiner als oder gleich V_SOURCE sein. In den Perioden, in welchen V_SOURCE größer ist als V_INPUT, steuert die Steuerung 102 den Schalter 708 über die Steuerleitung 703 so, dass er offen ist. Die Steuerung 102 steuert die Schalter 705 und 706 so, dass sie sich kontinuierlich öffnen und schließen. Dies ist der Tiefsetzabschnitt des Tiefsetz-Hochsetzmodus. Während der Perioden, in welchen V_SOURCE kleiner ist als V_INPUT, steuert die Steuerung 102 den Schalter 706 über die Steuerleitung 702 so, dass er offen bleibt, und steuert den Schalter 705 über die Steuerleitung 701 so, dass er geschlossen bleibt. Die Steuerung 102 steuert den Schalter 708 über die Steuerleitung 703 so, dass er sich kontinuierlich öffnet und schließt. Dies bewirkt, dass eine Eingangsspannung auf der Eingangsspannungsschiene 114 größer ist als die Quellenspannung.
Zweckdienlich wird der Wert der Quellenspannung V_SOURCE zur Digitallogik 110 zurückgekoppelt. Jedes Mal, wenn die Steuerung 102 bestimmt, die Ausgangsspannung auf einer Ausgangsspannungsschiene nach einem Vergleichsereignis beim passenden Komparator zu erhöhen, bestimmt die Logik 110 zweckdienlich, ob die Quellenspannung die Ausgangsspannung dieser Ausgangsspannungsschiene um mehr als einen vorbestimmten Wert übersteigt. Falls die Quellenspannung die Ausgangsspannung dieser Ausgangsspannungsschiene um mehr als einen vorbestimmten Wert übersteigt, steuert die Steuerung 102 die Versorgungsschaltanordnung 112 so, dass sie in der Zeitperiode, in der die Ausgangsschaltanordnung 113 die Eingangsspannungsschiene 114 mit der Ausgangsspannungsschiene verbindet, im Tiefsetzmodus arbeitet. Der vorbestimmte Wert ist ein kleiner Wert, der eine Variabilität in der Eingangsspannung ermöglicht. Zum Beispiel ist der vorbestimmte Wert 300mV. Die Eingangsspannung variiert aufgrund des Schaltens der Schalter 705 und 706. Die Eingangsspannung kann auch aufgrund der Variabilität in der Quellenspannung variieren. Falls die Quellenspannung die Ausgangsspannung dieser Ausgangsspannungsschiene nicht um mehr als einen vorbestimmten Wert übersteigt, steuert die Steuerung 102 die Versorgungsschaltanordnung 112 so, dass sie während der Zeitperiode, in der die Ausgangsschaltanordnung 113 die Eingangsspannungsschiene 114 mit der Ausgangsspannungsschiene verbindet, im Tiefsetz-Hochsetzmodus arbeitet.
Die Schalter 705, 706 und 708 der Versorgungsschaltanordnung 112 werden während des Tiefsetz-Hochsetzmodus zwischen EIN- und AUS-Zuständen geschaltet. Nur Schalter 705 und 706 der Versorgungsschaltanordnung 112 werden während des Tiefsetzmodus zwischen EIN- und AUS-Zuständen geschaltet. Jedes Mal, wenn ein Schalter geschaltet wird, wird etwas Energie als Wärme abgeführt. Daher ist es effizienter, im Tiefsetzmodus als im Tiefsetz-Hochsetzmodus zu arbeiten. Somit ist die Steuerung 102 ausgelegt, die Versorgungsschaltanordnung 112 wenn möglich für einen Betrieb im Tiefsetzmodus zu steuern, um Energie zu sparen.
Zweckdienlich bestimmt die Digitallogik 110, dass Strom aus der Energieversorgung einer Ausgangsspannungsschiene zugeführt wird, abhängig von der Ausgangsspannung auf der Ausgangsspannungsschiene. Die Ausgangsspannungen auf den Ausgangsspannungsschienen werden in die analoge Steuerschaltung 111 zurückgekoppelt. Der passende Komparator vergleicht die Ausgangsspannung einer Ausgangsspannungsschiene mit einer Referenzspannung für diese Ausgangsspannungsschiene. Das Ergebnis dieses Vergleichs wird zur Digitallogik 110 zurückgekoppelt. Die Logik 110 verwendet das Ergebnis dieses Vergleichs zum Bestimmen des Stromwertes, der an die Ausgangsspannungsschiene angelegt wird. Zweckdienlich wird dieser Stromwert so bestimmt, dass die Ausgangsspannung der Ausgangsspannungsschiene auf die Referenzspannung für diese Ausgangsspannungsschiene gebracht wird. Alternativ kann der Stromwert aus einem Satz vorbestimmter Stromwerte gewählt werden. Die Logik 110 bestimmt die Eingangsspannung auf der Eingangsspannungsschiene 114 und auch die Zeit, in der die Ausgangsschaltanordnung 113 die Eingangsspannungsschiene 114 mit der Ausgangsspannungsschiene verbindet, um den bestimmten Stromwert an die Ausgangsspannungsschiene anzulegen.
Für den Fall, dass die Energieversorgung eine Schaltmodus-Energieversorgung ist, steuert die Logik 110 die Energieversorgung zur Modifizierung der Eingangsspannung auf der Eingangsspannungsschiene 114 durch Anpassen der Einschaltdauer der Energieversorgung. Je höher die Einschaltdauer der Energieversorgung, umso höher die Eingangsspannung auf der Eingangsspannungsschiene 114. Die Logik 110 erhöht die Einschaltdauer durch Steuern der T_ON Schaltung 225 zur Erhöhung der T_ON Zeit. Die T_ON Zeit ist die Zeit (während jedes Zyklus der Schaltmodus-Energieversorgung), in der die Schalter in der Schaltmodus-Energieversorgung die Quellenspannung V_SOURCE zur Eingangsspannung V_INPUT durchschalten. Die T_ON Schaltung 225 steuert die Treiber- und Taktschaltung 229 zum Antreiben der Schalter in der Versorgungsschaltanordnung 112 für die spezifizierte T_ON Zeit. Die spezifizierte T_ON Zeit ist für die Ausgangsspannungsschiene speziell. Somit kann die T_ON Zeit für unterschiedliche Ausgangsspannungsschienen unterschiedlich sein. Die analoge Steuerschaltung 111 legt das Steuersignal an die Schalter in der Versorgungsschaltanordnung 112 über die Steuerleitung 254 (oder die Steuerleitungen 701, 702, 703 von 7) an. Die Logik 110 steuert die Treiber- und Taktschaltung 229 über die Steuerleitung 252 zum Antreiben des Schalters in der Ausgangsschaltanordnung 113, die mit der Ausgangsspannungsschiene verbunden ist, für die bestimmte Zeit. Somit wird der bestimmte Stromwert an die Ausgangsspannungsschiene angelegt.
Zweckdienlich steuert die Logik 110 die Ausgangsschaltanordnung 113, um die Versorgungsschaltanordnung 112 mit einer gewählten Ausgangsspannungsschiene zu verbinden, um einen Strom an diese Ausgangsspannungsschiene zu einer Zeit anzulegen, die für die Schaltung passend ist, der mit der Ausgangsspannungsschiene verbunden ist. Die Logik 110 spricht auf ein Steuersignal aus der Schaltung an, um eine passende Zeit für das Anlegen des Stroms zu bestimmen. Mit anderen Worten, das Anlegen von Strom an die Last auf der Ausgangsspannungsschiene ist mit dem Betrieb der Last auf dieser Ausgangsspannungsschiene synchronisiert. Dies ist für eine empfindliche Schaltung nützlich. Zweckdienlich bestimmt die Logik 110, die Größe des Stromwerts, der an eine gewählte Ausgangsspannungsschiene angelegt wird, abhängig von der Schaltung, die mit der gewählten Ausgangsspannungsschiene verbunden ist. Die Logik 110 spricht auf ein Steuersignal aus der Schaltung an, um die Größe des anzulegenden Stromwerts zu bestimmen. Je empfindlicher die Schaltung, die mit der gewählten Ausgangsspannungsschiene verbunden ist, für Strom ist, umso kleiner ist zweckdienlich der von der Logik 110 bestimmte Stromwert, der an die gewählte Ausgangsspannungsschiene in einem einzigen Stromanlegungsereignis angelegt wird.
Es ist weniger effizient, eine Reihe von kleineren Stromanlegungsereignissen an eine Ausgangsspannungsschiene anzulegen, als ein einziges Stromanlegungsereignis anzulegen, das einen äquivalenten Strom liefert. Der Grund ist, dass ein Anlegen einer größeren Anzahl von Stromanlegungen eine häufigere Verwendung des Komparators und ein häufigeres Schalten eines Schalters in der Ausgangsschaltanordnung 113 bedeutet. Daher wird in einer Reihe kleinerer Stromanlegungsereignisse mehr Strom von der Steuerung 102 verwendet als in einem einzigen größeren Stromanlegungsereignis. Eine Reihe von kleineren Stromanlegungsereignissen verringert das Brummen in der Ausgangsspannung im Vergleich zu einem einzigen größeren Stromanlegungsereignis. Das Brummen in der Ausgangsspannung ergibt sich vorwiegend aus einem Ansteigen und Fallen der Ausgangsspannung aufgrund des Schaltens der Schaltmodus-Energieversorgung. Einige Schaltungen, wie die Sender/Empfängerschaltung, sind für das Ausgangsspannungsbrummen sehr empfindlich. Für eine solche Schaltung ist eine Verringerung des Ausgangsspannungsbrummens wichtiger als eine Minimierung des Stromverlustes in der Steuerung 102. Zweckdienlich ist die Größe des Stromwerts, die an eine gewählte Ausgangsspannungsschiene angelegt wird, als Funktion der Aktivität der Schaltung, die mit der Ausgangsspannungsschiene verbunden ist, dynamisch veränderbar. Dies wird der Logik 110 über die Steuerleitung aus der Schaltung kommuniziert. Die Logik 110 passt die Größe des an die gewählte Ausgangsspannungsschiene anzulegenden Stromwerts dementsprechend an.
Die Schaltung, die an einer Ausgangsspannungsschiene befestigt ist, kann für Änderungen in der Ausgangsspannung dieser Ausgangsspannungsschiene empfindlich sein, wenn die Schaltung aktiv ist. Zweckdienlich ist Logik 110 zum Lösen der Ausgangsspannungsschiene, die mit der empfindlichen Schaltung verbunden ist, von der Energieversorgung ausgelegt, wenn diese Schaltung aktiv ist. In einer Implementierung wird dies durch die Logik 110 implementiert, die die Ausgangsschaltanordnung 113 steuert, um den Schalter, der die Energieversorgung mit dieser Ausgangsspannungsschiene verbindet, während der Zeitperiode, in der diese Schaltung aktiv ist, in der offenen Position zu halten. Somit wird der Schalter in der offenen Position gehalten, unabhängig vom Ergebnis des Vergleichs zwischen der Ausgangsspannung auf dieser Ausgangsspannungsschiene und der Referenzspannung für diese Ausgangsspannungsschiene. Selbst wenn daher das Ergebnis dieses Vergleichs ist, dass die Ausgangsspannung auf der Ausgangsspannungsschiene im Vergleich zur Referenzspannung zu gering ist, wird der Schalter in der offenen Position gehalten. Es kann sein, dass mehr als eine Ausgangsspannungsschiene gleichzeitig von der Energieversorgung gelöst werden. Dies kann zum Beispiel erfolgen, weil die Schaltung, die mit jeder gelösten einzelnen Schiene verbunden ist, für Änderungen in der Ausgangsspannung auf dieser Ausgangsspannungsschiene empfindlich ist, wenn diese Schaltung aktiv ist. Alternativ kann dies erfolgen, weil die empfindliche Schaltung, die an einer Ausgangsspannungsschiene befestigt ist, für eine Änderung in der Ausgangsspannung der Ausgangsspannungsschiene empfindlich ist, mit der sie verbunden ist, und auch für eine Änderung in der Ausgangsspannung einer anderen Ausgangsspannungsschiene empfindlich ist, mit der sie nicht direkt verbunden ist. Ein Rückkopplungssignal aus der empfindlichen Schaltung zur Logik 110 zeigt der Logik 110, wann die empfindliche Schaltung aktiv ist. Die Logik 110 spricht auf dieses Rückkopplungssignal an, um die Ausgangsschaltanordnung 113 so zu steuern, dass die Ausgangsspannungsschiene gelöst wird, die mit der empfindlichen Schaltung aus der Energieversorgung verbunden ist. In einer anderen Implementierung kann ein Steuersignal von der empfindlichen Schaltung zur Steuerung 102 die Logik 110 informieren, dass die empfindliche Schaltung im Begriff ist, in eine aktive Periode einzutreten, bevor die aktive Periode beginnt. Die Logik 110 spricht auf dieses Steuersignal an, um die Ausgangsschaltanordnung 113 so zu steuern, dass die Ausgangsspannungsschiene gelöst wird, die mit der empfindlichen Schaltung aus der Energieversorgung verbunden ist, bevor die aktive Periode beginnt.
Ein Beispiel für eine empfindliche Schaltung ist eine Sender/Empfängerschaltung. Zweckdienlich wird die Sender/Empfängerschaltung aus seiner Ausgangsspannungsschiene gelöst, während die Sender/Empfängerschaltung sendet oder empfängt. Ein anderes Beispiel für eine empfindliche Schaltung ist eine Analog/Digital-Schaltung (ADC). Typischerweise liest eine ADC aufeinanderfolgende Näherungen und ist somit gegenüber Leistungsänderungen sehr empfindlich. Zweckdienlich wird die ADC aus ihrer Ausgangsspannungsschiene gelöst, während eine ADC-Ablesung vorgenommen wird.
Die Ausgangsspannung auf einer Ausgangsspannungsschiene, an der eine aktive Last befestigt ist, fällt, wenn sie nicht mit der Energieversorgung verbunden ist. Nach einer Periode, in der eine Ausgangsspannungsschiene aus der Energieversorgung gelöst wurde, erhöht somit die Logik 110 die Auswahlrate dieser Ausgangsspannungsschiene. Dadurch kann Strom an diese Ausgangsspannungsschiene rascher angelegt werden und somit erreicht die Ausgangsspannung dieser Ausgangsspannungsschiene die Referenzspannung für diese Ausgangsspannungsschiene rascher.
In der beschriebenen Leistungsmanagementeinheit spricht die Logik 110 auf eine Differenz zwischen der skalierten Ausgangsspannung auf der Ausgangsspannungsschiene und einer Referenzspannung für diese Ausgangsspannungsschiene an, um die Energieversorgung mit dieser Ausgangsspannungsschiene zu verbinden. Wenn die Schaltung, die mit einer Ausgangsspannungsschiene verbunden ist, aus einem inaktiven Niederleistungsmodus in einen aktiven Hochleistungsmodus wechselt, verbraucht die Schaltung Strom auf der Ausgangsspannungsschiene. Die Logik 110 spricht darauf durch Erhöhen der Ausgangsspannung auf der Ausgangsspannungsschiene an. Das Ansprechen ist jedoch nicht unmittelbar, was bedeutet, dass es eine Senkung im Strom auf der Ausgangsspannungsschiene gibt, bevor die Leistungsmanagementeinheit reagiert und die Energieversorgung mit der Ausgangsspannungsschiene verbindet. Zweckdienlich wird ein Steuersignal von der Schaltung, die mit einer Ausgangsspannungsschiene verbunden ist, zur Steuerung 102 verwendet, um die Logik 110 zu informieren, wann erwartet wird, dass die Schaltung in eine aktive Periode eintritt. Die Steuerung 102 spricht auf dieses Steuersignal durch Anlegen von Strom an die Ausgangsspannungsschiene an, die mit dieser Schaltung verbunden ist, bevor die aktive Periode beginnt. Mit anderen Worten, die Steuerung 102 veranlasst die Schaltanordnung 103 präventiv Strom zur Ausgangsspannungsschiene durchzuschalten.
Zweckdienlich wird das präventive Anlegen von Energie an eine Ausgangsspannungsschiene wie folgt implementiert. Die Logik 110 empfängt das Steuersignal, das die Schaltung anzeigt, die mit einer Ausgangsspannungsschiene verbunden ist, von der erwartet wird, dass sie in eine aktive Periode eintritt. Die Logik 110 erhöht die Frequenz von Vergleichen des passenden Komparators. Durch Verringern des Intervalls zwischen aufeinanderfolgenden Vergleichen für diese Ausgangsspannungsschiene, bleibt nicht so viel Zeit, den Strom auf der Ausgangsspannungsschiene zu verringern, bevor er einem Vergleich unterzogen wird, der wieder zu einer Erhöhung führt. Optional erhöht die Logik 110 die Referenzspannung dieser Ausgangsspannungsschiene, so dass jedes Mal, wenn der Komparator die Ausgangsspannung dieser Ausgangsspannungsschiene mit der Referenzspannung vergleicht, der Komparatorausgang anzeigt, dass Strom an diese Ausgangsspannungsschiene anzulegen ist. Optional erhöht die Logik 110 auch die Rate, bei der diese Ausgangsspannungsschiene gewählt wird, so dass sie zum passenden Komparator durchgeschaltet wird. Somit wird die Ausgangsspannungsschiene vor einer Erhöhung der Aktivität der Schaltung, die mit der Ausgangsspannungsschiene verbunden ist, vorgeladen. Somit wird keine Senkung der Spannung zur Schaltung beobachtet, wenn die Schaltung ihre aktive Periode beginnt. Sobald die aktive Periode begonnen hat, verringert die Steuerung 102 die Frequenz der Vergleiche der Ausgangsspannungsschiene auf die gewünschte Frequenz und arbeitet nach den Verfahren, die in Bezug auf 3, 4, 5 und 6 beschrieben sind.
Eine Ausgangsspannungsschiene kann präventiv geladen werden, falls die Schaltung, mit der sie verbunden ist, in einem Modus betrieben werden kann, in dem sie für Änderungen in der Ausgangsspannung der Ausgangsspannungsschiene empfindlich ist. In diesem Fall wird die Ausgangsspannungsschiene vor dem empfindlichen Betrieb präventiv auf eine höhere Spannung als ihre normale Ausgangsspannung geladen. Dies wird durch Erhöhen von V_REFi für die Periode der präventiven Ladung implementiert. Der Kondensator, der mit der Ausgangsspannungsschiene verbunden ist, lädt während dieser Zeit auf. Dann wird während des empfindlichen Betriebs kein zusätzlicher Strom an die Ausgangsspannungsschiene angelegt. Die Ausgangsspannungsschiene wird von der Energieversorgung gelöst. Stattdessen gibt der Kondensator seine gespeicherte Ladung frei, um der Ausgangsspannungsschiene Strom zuzuführen, der dann von der empfindlichen Schaltung verwendet wird. Dies ist für die Schaltung nützlich, die von einer Nennspannung unabhängig, aber für Störgeräusche anfällig ist, zum Beispiel einen Low-Dropout-Regler, der begrenzte Störgeräuschunterdrückungseigenschaften hat.
Zweckdienlich implementiert die Steuerung 102 eine weiche Strombegrenzung zu den Ausgangsspannungsschienen. Es wird ein maximaler akkumulativer Stromwert definiert, der an jede Ausgangsspannungsschiene pro Zeitperiode angelegt werden kann. Dieser maximale akkumulative Stromwert kann derselbe für jede Ausgangsspannungsschiene sein. Zum Beispiel kann der maximale akkumulative Stromwert abhängig vom Leistungsmodus der Leistungsmanagementeinheit eingestellt werden. Durch Implementieren eines maximalen akkumulativen Stromwerts für jede Ausgangsspannungsschiene kann die Situation, in der eine Ausgangsspannungsschiene einen großen Anteil des Stromausgangs aus der Energieversorgung auf Kosten der anderen Ausgangsspannungsschienen aufnimmt, vermieden werden. Alternativ kann sich der maximale akkumulative Stromwert für jede Ausgangsspannungsschiene unterscheiden. Zum Beispiel kann der maximale akkumulative Stromwert abhängig von den Betriebseigenschaften der Schaltung eingestellt werden, die mit der Ausgangsspannungsschiene verbunden ist. Durch Implementieren eines solchen maximalen akkumulativen Stromwertes kann ein „Überschwingen“ von Strom vermieden werden, der der Schaltung beim Hochfahren bereitgestellt wird.
Die Steuerung 102 implementiert einen Zähler, der die Anzahl von Stromanlegungsereignissen an einer Ausgangsspannungsschiene zählt. Falls der Zähler eine vorbestimmte Anzahl von Stromanlegungsereignissen in der eingestellten Zeitperiode übersteigt, verhindert die Steuerung 102 dann ein weiteres Anlegen von Strom an diese Ausgangsspannungsschiene. Dies ist der Fall, selbst wenn ein Vergleichsereignis durch den Komparator anzeigt, dass Strom an diese Ausgangsspannungsschiene angelegt werden soll. Zweckdienlich verhindert die Steuerung 102 ein weiteres Anlegen von Strom an diese Ausgangsspannungsschiene für eine eingestellte Zeitperiode. Nach dieser eingestellten Zeitperiode wird der Zähler zurückgestellt.
Zweckdienlich implementiert die Steuerung 102 einen Überstromschutz an den Ausgangsspannungsschienen. Ein maximaler akkumulativer Stromwert, der an eine Ausgangsspannungsschiene pro Zeitperiode angelegt werden kann, wird definiert. Die Steuerung 102 implementiert einen Zähler, der die Anzahl von Stromanlegungsereignissen an einer Ausgangsspannungsschiene zählt. Falls der Komparator angibt, dass die skalierte Ausgangsspannung auf der Ausgangsspannungsschiene die Referenzspannung für diese Ausgangsspannungsschiene erreicht hat, bevor eine vorbestimmte Anzahl aufeinanderfolgender Stromanlegungsereignisse eingetreten ist, wird der Zähler zurückgestellt. Falls der Zähler jedoch eine vorbestimmte Anzahl aufeinanderfolgender Stromanlegungsereignisse übersteigt, wird das Vorhandensein einer Fehlerbedingung bestimmt. Die Steuerung 102 spricht auf passende Weise an. Zum Beispiel kann die Steuerung 102 ansprechen, indem sie ein weiteres Anlegen von Strom an diese Ausgangsspannungsschiene verhindert.
Die Steuerung 102 überwacht zweckdienlich den Strom, der an jede Ausgangsspannungsschiene während jedes einzelnen Stromanlegungsereignisses angelegt wird. Die Logik 110 erschließt den Strom, der an eine Ausgangsspannungsschiene während eines einzelnen Stromanlegungsereignisses angelegt wird, aus den folgenden Eingängen: der Ausgangsspannung dieser Ausgangsspannungsschiene vor dem Stromanlegungsereignis, der T_ON Zeit der Energieversorgung, der V_SOURCE der Energieversorgung und der Häufigkeit, mit der die Ausgangsschaltanordnung 113 die Versorgungsschaltanordnung 112 mit der Ausgangsspannungsschiene verbindet. Die Steuerung 102 erstellt somit ein Stromprofil für jede Ausgangsspannungsschiene und/oder ein Stromprofil für die Kombination aller Ausgangsspannungsschienen.
In einem Beispiel wird ein Stromprofil der Kombination aller Ausgangsspannungsschienen zur Vorhersage verwendet, (i) wann die Energiequelle (Vsource) geladen werden muss, um den Betrieb der Schaltung aufrechtzuerhalten, und/oder (ii) wie viel Batterielebensdauer verbleibt. Zweckdienlich werden eine oder beide dieser Vorhersagen einem Benutzer der Vorrichtung angezeigt, in der die Leistungsmanagementeinheit integriert ist. Zum Beispiel werden eine oder beide dieser Vorhersagen einem Benutzer über eine Anzeige angezeigt.
In einem anderen Beispiel wird ein Stromprofil für jede Ausgangsspannungsschiene und/oder ein Stromprofil für die Kombination aller Ausgangsspannungsschienen zum Optimieren des Entwicklungsprozesses der Schaltung verwendet, die an der Leistungsmanagementeinheit befestigt ist. Zum Beispiel können die Stromprofile angeben, dass mehrere Ausgangsspannungsschienen Strom gleichzeitig verwenden, gefolgt von Perioden relativer Inaktivität auf diesen Ausgangsspannungsschienen. Ein Ansprechen auf eine solche Situation ist eine Rekonfiguration der Chip-Firmware zum Beispiel durch Pausieren eines nicht zeitkritischen Hochstrombetriebs, während ein anderer zeitkritischer Hochstrombetrieb läuft. Zum Beispiel könnte ein nicht empfindlicher Mikroprozessor pausieren, während der Funk ein Signal sendet. Auf diese Weise kann die Gesamtenergienutzung aus der Energieversorgung über eine Zeit verteilt werden, um Energienutzungsspitzen und somit die Möglichkeit einer Energieverknappung zu vermeiden.
Zweckdienlich spricht die Steuerung 102 auf ein Erfassen in der Schaltung an, die mit einer Ausgangsspannungsschiene verbunden ist, um den Strom, der zu dieser Ausgangsspannungsschiene geleitet wird, dynamisch einzustellen. Zweckdienlich, hat die Schaltung, die mit der Ausgangsspannungsschiene verbunden ist, unterschiedliche Leistungsdomänen. Diese Leistungsdomänen haben unterschiedliche Leistungsanforderungen und somit unterschiedliche Soll-Spannungspegel. Diese Leistungsdomänen können unterschiedliche Flächen der Schaltung sein, die unterschiedliche Leistungsanforderungen haben. Alternativ können sich die Leistungsdomänen auf unterschiedliche Funktionen der Schaltung beziehen und somit kann eine gewisse Schaltung in mehr als einer Leistungsdomäne enthalten sein. Als ein Beispiel kann die Sender/Empfängerschaltung drei Leistungsregionen haben, die sich auf (i) Senden, (ii) Empfangen und (iii) weder Senden noch Empfangen beziehen. 8 zeigt die unterschiedlichen Spannungsanforderungen dieser Leistungsdomänen. Die Sende-Leistungsdomäne erfordert Spannung A, die Empfangs-Leistungsdomäne erfordert Spannung B und die Kristalldomäne (die weder die Sende- noch Empfangsdomäne ist) erfordert Spannung C. Falls beim Sender/Empfänger mehr als ein Kommunikationsmodus aktiv ist, gibt es einen logischen Satz einer Sende-Leistungsdomäne, Empfangs-Leistungsdomäne und Kristall-Leistungsdomäne für jeden Kommunikationsmodus. Der Grund ist, dass sich die Leistungspegel der unterschiedlichen Kommunikationsmodi unterscheiden, wodurch die Spannungsanforderung der Sende-Leistungsdomäne für einen Kommunikationsmodus anders ist als die Sende-Leistungsdomäne für einen anderen Kommunikationsmodus.
Zweckdienlich wird die Spannung, die jeder Leistungsdomäne eingegeben wird, mit einer Referenzspannung für diese Leistungsdomäne innerhalb der Lastschaltung verglichen. Zweckdienlich befinden sich mehrere Komparatoren innerhalb der Schaltung, wobei jeder Komparator diesen Vergleich für eine Leistungsdomäne durchführt. Optional kann jede Leistungsdomäne mehrere Komparatoren zum Durchführen dieser Vergleiche haben. Falls die Spannung, die einer Leistungsdomäne eingegeben wird, laut Bestimmung unter der Referenzspannung liegt, wird ein Headroom-Flag generiert. Dieses Headroom-Flag wird in einem Steuersignal zur Steuerung 102 gesendet. Die Logik 110 spricht auf das Steuersignal durch Steuern des Spannungsreferenzgenerators zur Erhöhung der Komparatorreferenzspannung V_REFi (über das Steuersignal 223 in 2a, 235 in 2c, 245, 246, 247, 248 in 2c) an. Dies bewirkt, dass die Ausgangsspannung auf dieser Ausgangsspannungsschiene steigt, und diese wird an jede Schaltung angelegt, die mit dieser Ausgangsspannungsschiene verbunden sind, nicht unbedingt nur mit der Leistungsdomäne, die zur Erstellung des Headroom-Flags führte. Nachdem das Steuersignal zur Steuerung 102 gesendet wurde, gibt es eine Zeitperiode T, in der die Schaltung auf das Anlegen von Strom aus der Energieversorgung wartet. Nach Verstreichen dieser Zeitperiode T wird die Spannung, die jeder Leistungsdomäne eingegeben wird, wieder mit einer Referenzspannung für diese Leistungsdomäne von den mehreren Komparatoren verglichen. Falls die Spannung, die einer Leistungsdomäne eingegeben wird, laut Bestimmung unter der Referenzspannung liegt, wird wieder ein Headroom-Flag erstellt und zur Steuerung 102 in einem Steuersignal gesendet. Die Steuerung 102 spricht wieder durch Zuleiten von Energie zur Ausgangsspannungsschiene an, die mit der Schaltung verbunden ist. Zweckdienlich wird der Prozess ständig wiederholt.
Im Fall einer Sender/EmpfängerSchaltung ist der Wert des Stroms, der an die Ausgangsspannungsschiene in Reaktion auf das Headroom-Flag im Steuersignal angelegt wird, klein. Der Grund dafür ist, dass die Sender/Empfängerschaltung für ein Spannungsbrummen auf der Ausgangsspannungsschiene empfindlich ist. 9 zeigt ein Beispiel der Ausgangsspannung, die an die Sender/Empfängerschaltung angelegt wird. Während der Zeitperiode t₁-t₂ ist der Sender/Empfänger in einem tieferen Leistungsmodus. In Erwartung, dass der Sender zum Zeitpunkt t₃ aktiv wird, erhöht die Leistungsmanagementeinheit präventiv die Ausgangsspannung auf der Ausgangsspannungsschiene zur Sender/Empfängerschaltung (wie zuvor beschrieben). Dies erfolgt zum Zeitpunkt t₂. Die Ausgangsspannung wird auf annähernd die Spannung erhöht, die zum Senden erforderlich ist. Dann wird zwischen Zeitpunkten t₂ und t₄ die Spannung, die der Sender-Leistungsdomäne eingegeben wird, mit einer Referenzspannung für diese Leistungsdomäne verglichen. Jeder Vergleich zwischen Zeitpunkten t₂ und t₃ führt zur Erstellung eines Headroom-Flags, das in einem Steuersignal zur Steuerung 102 gesendet wird. Die Steuerung 102 spricht durch Erhöhen der Ausgangsspannung auf der Ausgangsspannungsschiene, die mit der Sender/Empfängerschaltung verbunden ist, um eine geringe Menge an. Dies wird unter Verwendung eines kleinen T_ON Wertes implementiert. Somit wird die Spannung, die an die Sender/Empfängerschaltung angelegt wird, in kleinen Mengen zwischen t₂ und t₃ aufwärts reguliert. Durch Aufwärtsregulieren der Spannung in kleinen Mengen wird eine sanftere Spannungserhöhung erreicht, die für die empfindliche Sender/Empfängerschaltung besser geeignet ist. Während der Zeitperiode t₃ bis t₄, ist die Spannung, die der Sende-Leistungsdomäne eingegeben wird, im Allgemeinen dieselbe wie oder höher als die Referenzspannung für diese Leistungsdomäne. Somit wird kein Headroom-Flag erstellt und kein Steuersignal zur Steuerung 102 gesendet. Falls jedoch die Spannung, die der Sende-Leistungsdomäne eingegeben wird, unter die Referenzspannung fällt, spricht die Steuerung 102 auf das Steuersignal, das sie von der Sender/Empfängerschaltung empfängt, durch Erhöhen der Ausgangsspannung auf der Ausgangsspannungsschiene um eine kleine Menge an. Dies wird unter Verwendung eines kleinen T_ON Wertes implementiert. Dies verringert das Spannungsbrummen, das die Sender/Empfängerschaltung erfährt, im Vergleich zu dem Fall, dass ein größerer Stromwert zur Ausgangsspannungsschiene geleitet wird. Während der Zeitperiode t₃ bis t₄, führt die aktive Lastschaltung ihre Funktion aus.
Dieses Verfahren zum Erfassen unterschiedlicher Leistungsdomänen der Schaltung, die mit einer Ausgangsspannungsschiene verbunden ist, zum dynamischen Einstellen der Energieversorgung an diese Ausgangsspannungsschiene ermöglicht der Leistungsmanagementeinheit, nur die Schaltung mit der Spannung zu versorgen, die für den Betrieb notwendig ist, den die Schaltung durchführt. In dem Beispiel der Sender/Empfängerschaltung wird, wenn der Sender/Empfänger sendet, eine Spannung A an den Sender/Empfänger angelegt. Wenn der Sender/Empfänger jedoch empfängt, wird die geringere Spannung B an den Sender/Empfänger angelegt.
Die Komparatoren ziehen einen kleinen Strom zur Durchführung der Vergleiche. Somit werden zur Erhöhung der Effizienz zweckdienlich die Vergleiche nur an Leistungsdomänen durchgeführt, von welchen erwartet wird, dass sie aktiv sind. Falls zum Beispiel die Sender/Empfängerschaltung empfängt, werden die Vergleiche nur an der Empfangs-Leistungsdomäne durchgeführt. Es werden keine Vergleiche an der Sende-Leistungsdomäne durchgeführt.
Zweckdienlich ist die Zeitperiode T zwischen Vergleichen dynamisch variabel. Falls die Ausgangsspannung auf einer Ausgangsspannungsschiene rasch in kleinen Schritten erhöht werden muss, wird die Zeitperiode T kurz gewählt. Falls jedoch die Ausgangsspannung an einer Ausgangsspannungsschiene in weniger größeren Schritten erhöht werden kann oder falls das Ansprechen nicht so rasch sein muss, wird die Zeitperiode T länger gewählt. Je länger die Zeitperiode T, umso langsamer die Rate der Vergleiche, die vom Komparator durchgeführt werden, und somit umso effizienter der Prozess.
Die beschriebene Leistungsmanagementeinheit ist zweckdienlich in einer Vorrichtung auf Rechnerbasis eingegliedert. Die Vorrichtung auf Rechnerbasis kann eine elektronische Vorrichtung sein. Zweckdienlich umfasst die Vorrichtung auf Rechnerbasis einen oder mehrere Prozessor(en) zur Verarbeitung von computerausführbaren Anweisungen zur Steuerung des Betriebs der digitalen Steuerschaltung 110, um die hier beschriebenen Verfahren zu implementieren. Die computerausführbaren Anweisungen können mit jedem computerlesbaren Medium wie einem Speicher bereitgestellt werden. Ferner kann Software bei der Vorrichtung auf Rechnerbasis bereitgestellt werden, um die hier beschriebenen Verfahren zu implementieren. Die hier beschriebenen Verfahren können von Software in maschinenlesbarer Form auf einem materiellen Speichermedium durchgeführt werden.
Die Antragstellerin lenkt die Aufmerksamkeit auf die Tatsache, dass die vorliegende Erfindung jedes Merkmal oder jede Kombination von Merkmalen, wie hierin entweder implizit oder explizit offenbart, oder jede Verallgemeinerung davon enthalten kann, ohne Einschränkung des Schutzbereichs eines der vorliegenden Ansprüche. Angesichts der vorangehenden Beschreibung ist klar, dass es für einen Fachmann auf dem Gebiet offensichtlich ist, dass verschiedene Modifizierungen im Schutzbereich der Erfindung gemacht werden können.

Claims

Verfahren zum Betreiben eines Spannungsreglers, umfassend eine Quellenspannungsschiene (104) und mehrere Ausgangsspannungsschienen (106, 107, 108, 109), wobei das Verfahren umfasst: Umwandeln einer Quellenspannung auf der Quellenspannungsschiene (104) in eine jeweilige Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf jeder Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109); Auswählen (301) einer Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109); Vergleichen (302) der Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) mit einer Referenzspannung (V_REF1, V_REF2, V_REF3, V_REF4,) für die gewählte Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109); und falls die Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) kleiner ist als die (V_REF1, V_REF2, V_REF3, V_REF4,) Referenzspannung für die gewählte Ausgangsspannungsschiene(106, 107, 108, 109), Steuern des Spannungsreglers zur Erhöhung (304) der Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109), wobei die Frequenz, mit der eine Ausgangsspannungsschiene gewählt wird, von der Rate abhängig ist, mit der der Spannungsregler zuvor die Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf dieser Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) erhöht hat.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner für jede Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) ein Erhöhen (402) der Frequenz umfassend, bei der diese Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) gewählt wird, falls die Rate, mit der der Spannungsregler zuvor die Ausgangsspannung auf dieser Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) erhöht hat, steigt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner für jede Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) ein Senken (404) der Frequenz umfassend, mit der diese Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) gewählt wird, falls die Rate, mit der der Spannungsregler zuvor die Ausgangsspannung auf dieser Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) erhöht hat, sinkt.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Auswählen weiterer Ausgangsspannungsschienen zur Bildung einer Auswahlsequenz; und Durchführen des Vergleichsschritts auf jede Ausgangsspannungsschiene der Auswahlsequenz, wobei eine erste Ausgangsspannungsschiene so gewählt wird, dass sie früher in der Sequenz erscheint als eine zweite Ausgangsspannungsschiene, falls die Rate, mit der der Spannungsregler zuvor die Ausgangsspannung der ersten Ausgangsspannungsschiene erhöht hat, größer ist als die Rate, mit der der Spannungsregler zuvor die Ausgangsspannung der zweiten Ausgangsspannungsschiene erhöht hat.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Auswählen weiterer Ausgangsspannungsschienen; Durchführen des Vergleichsschritts auf jeder der weiteren Ausgangsspannungsschienen; und falls die Rate, mit der der Vergleichsschritt zum Steuerungsschritt führt, einen Schwellenwert übersteigt, Erhöhen der Frequenz des Auswahl- und Vergleichsschritts.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Spannungsregler einen Komparator zum Durchführen des Vergleichsschritts umfasst, wobei das Verfahren ein Erhöhen der Frequenz der Auswahl- und Vergleichsschritte durch Erhöhen (502) der Vergleichsrate des Komparators umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner umfassend: Auswählen weiterer Ausgangsspannungsschienen; Durchführen des Vergleichsschritts auf jeder der weiteren Ausgangsspannungsschienen; und falls die Rate, mit der der Vergleichsschritt zum Steuerungsschritt führt, kleiner als ein Schwellenwert ist, Senken der Frequenz der Auswahl- und Vergleichsschritte.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der Spannungsregler einen Komparator zum Durchführen des Vergleichsschritts umfasst, wobei das Verfahren ein Senken der Frequenz der Auswahl- und Vergleichsschritte durch Senken (504) der Vergleichsrate des Komparators umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Spannungsregler eine Energiequelle (101) und eine Schaltanordnung (103) umfasst, die zwischen der Energiequelle (101) und den mehreren Ausgangsspannungsschienen (106, 107, 108, 109) gekoppelt ist, wobei das Verfahren ein Steuern des Spannungsreglers zur Erhöhung der Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene durch Steuern der Schaltanordnung zum Anlegen von Strom, der von der Energiequelle erzeugt wird, an die gewählte Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, umfassend ein Steuern des Spannungsreglers zur Erhöhung der Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) durch Anlegen eines vorbestimmten Stromwertes an die gewählte Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109).
Verfahren nach Anspruch 1, wobei, falls die Quellenspannung die Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) um mehr als einen vorbestimmten Wert übersteigt, der Spannungsregler für einen Betrieb in einem Tiefsetzmodus zur Erhöhung der Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) gesteuert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei, falls die Quellenspannung die Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) nicht um mehr als einen vorbestimmten Wert übersteigt, der Spannungsregler für einen Betrieb in einem Tiefsetz-Hochsetzmodus zur Erhöhung der Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) gesteuert wird.
Spannungsregler umfassend: eine Quellenspannungsschiene (104) und mehrere Ausgangsspannungsschienen (106, 107, 108, 109), wobei der Spannungsregler zum Umwandeln einer Quellenspannung auf der Quellenspannungsschiene (104) in eine jeweilige Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf jeder Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) ausgelegt ist; eine Steuerung (102), die zum Auswählen einer Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) ausgelegt ist; und einen Komparator (222), der zum Vergleichen der Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) mit einer Referenzspannung (V_REF1, V_REF2, V_REF3, V_REF4,) für die gewählte Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) ausgelegt ist; wobei die Steuerung (102) ferner zum Steuern des Spannungsreglers zur Erhöhung der Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) ausgelegt ist, falls die Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) kleiner ist als die Referenzspannung (V_REF1, V_REF2, V_REF3, V_REF4,) für die gewählte Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109), wobei die Steuerung zum Auswählen einer Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) mit einer Frequenz, die von der Rate abhängt, mit der der Spannungsregler zuvor die Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf dieser Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) erhöht hat, ausgelegt ist.
Spannungsregler nach Anspruch 13, umfassend einen einzigen Komparator (222), der zum Vergleichen der Ausgangsspannung auf jeder Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) mit einer Referenzspannung (V_REF1, V_REF2, V_REF3, V_REF4,) für diese Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) ausgelegt ist.
Spannungsregler nach Anspruch 13, ferner umfassend: eine Energiequelle (101); und eine Schaltanordnung (103), die zwischen der Energiequelle und den mehreren Ausgangsspannungsschienen (106, 107, 108, 109) gekoppelt ist, wobei die Steuerung (102) zum Steuern der Schaltanordnung zum Anlegen von Strom, der von der Energiequelle (101) erzeugt wird, an die gewählte Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) ausgelegt ist, falls die Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) kleiner ist als die Referenzspannung (V_REF1, V_REF2, V_REF3, V_REF4,) für die gewählte Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109).
Schaltmodus-Energieversorgung, umfassend den Spannungsregler nach Anspruch 13.
Schaltmodus-Energieversorgung nach Anspruch 16, die in einem Tiefsetzmodus und einem Tiefsetz-Hochsetzmodus betreibbar ist, wobei die Schaltmodus-Energieversorgung für einen Betrieb in einem Tiefsetzmodus zur Erhöhung der Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) ausgelegt ist, falls die Quellenspannung die Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) um mehr als einen vorbestimmten Wert übersteigt.
Schaltmodus-Energieversorgung nach Anspruch 16, die in einem Tiefsetzmodus und einem Tiefsetz-Hochsetzmodus betreibbar ist, wobei die Schaltmodus-Energieversorgung für einen Betrieb in einem Tiefsetz-Hochsetzmodus zur Erhöhung der Ausgangsspannung auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) ausgelegt ist, falls die Quellenspannung die Ausgangsspannung (V_OUT1, V_OUT2, V_OUT3, V_OUT4) auf der gewählten Ausgangsspannungsschiene (106, 107, 108, 109) nicht um mehr als einen vorbestimmten Wert übersteigt.