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TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Anmeldung betrifft Techniken zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung, zum Beispiel unter Anwendung eines Spannungsreglers mit geringem Dropout.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die US 2007 / 0 273 433 A1 offenbart eine Spannungsquellenschaltung, die eine Spannung bereitstellt. Die Spannungsquellenschaltung weist einen Rückkopplungsstrompfad und einen Spannungsstrompfad auf, wobei die vom Spannungsstrompfad bereitgestellte Spannung von einem Strom des Rückkopplungsstrompfades abhängt. Der Strom durch den Rückkopplungsstrompfad wird durch die Referenzspannung gesteuert.
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Es sind Vorrichtungen bekannt, die eine Ausgangsspannung mit einem konstanten Wert bereitstellen. Eine Art einer solchen Vorrichtung ist ein Spannungsregler mit geringem Dropout. Der Dropout kann dabei beispielsweise eine Differenz zwischen einer minimalen Eingangsspannung und einer minimalen Ausgangsspannung bzw. einer minimalen Differenz zwischen Ausgangsspannung und Eingangsspannung der Vorrichtung bezeichnen. Hierbei wird die Ausgangsspannung mittels einer Rückkopplungsschaltung mit einer vergleichsweise geringen Differenz mit Bezug auf eine Referenzspannung bereitgestellt. Manchmal wird das Verhältnis von Ausgangsspannung mit Bezug auf die Referenzspannung als Verstärkung des Spannungsreglers mit geringem Dropout bezeichnet. Es sind Bauelemente bekannt, die eine feste Verstärkung, die typischerweise größer als eins ist, bereitstellen. Allerdings kann die feste Eigenschaft der Verstärkung gewisse Einschränkungen auf das Systemdesign elektronischer Schaltungen ausüben. In dieser Hinsicht ist es eine Aufgabe der vorliegenden Anmeldung, Möglichkeiten bereitzustellen, eine Flexibilität bei der Steuerung der Verstärkung eines Spannungsreglers mit geringem Dropout zu erhöhen.
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KURZ ZUSAMMENFASSUNG
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Es wird eine Vorrichtung nach Anspruch 1 bereitgestellt. Die Unteransprüche definieren weitere Ausführungsbeispiele.
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Figurenliste
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Veranschaulichende Ausführungsformen werden mit Bezug auf die angefügten Zeichnungen erklärt werden. Es zeigen:
- 1 ein schematisches Blockdiagramm, das eine Vorrichtung nach dem Stand der Technik zeigt;
- 2 ein schematisches Schaltbild, das einen Spannungsregler mit geringem Dropout nach dem Stand der Technik zeigt;
- 3 ein schematisches Schaltbild, das einen Spannungsregler mit geringem Dropout und einen Spannungs-Strom-Wandler einer Vorrichtung gemäß verschiedener Ausführungsformen zeigt;
- 4 ein schematisches Schaltbild, das einen Spannungsregler mit geringem Dropout und einen Zwei-Wege-Schalter einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
- 5 ein schematisches Schaltbild, das einen Spannungsregler mit geringem Dropout und einen Mehr-Wege-Schalter einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt;
- 6 ein schematisches Schaltbild, das einen Spannungsregler mit geringem Dropout einer Vorrichtung gemäß verschiedenen Ausführungsformen zeigt; und
- 7 ein Flussdiagramm eines Verfahrens nach dem Stand der Technik.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG VON VERANSCHAULICHENDEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im Folgenden werden beispielhafte Ausführungsformen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen im Detail beschrieben. Es wird betont, dass die beschriebenen Ausführungsformen lediglich veranschaulichenden Zwecken dienen und nicht als den Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung einschränkend aufzufassen sind.
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Merkmale verschiedener, im Folgenden beschriebener Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, soweit es nicht spezifisch anders angemerkt wird. Weiterhin ist die Beschreibung einer Ausführungsform mit einer Mehrzahl von Merkmalen nicht als Hinweis darauf aufzufassen, dass all diese Merkmale zum Praktizieren der vorliegenden Erfindung notwendig sind, da andere Ausführungsformen weniger und/oder alternative Merkmale zu den beschriebenen oder in den Zeichnungen gezeigten umfassen können. Weiterhin können zusätzliche, Fachleuten bekannte Merkmale, Elemente oder Einheiten in die explizit beschriebenen Ausführungsformen aufgenommen werden, ohne vom Schutzumfang der vorliegenden Anmeldung abzuweichen.
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Die beigefügten Zeichnungen sind lediglich als schematisch anzusehen, und die verschiedenen Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu zueinander gezeigt. Vielmehr sind verschiedene Elemente so gezeigt, dass deren Funktion und allgemeiner Zweck ersichtlich wird. Die dargestellten Schaltungen können zusätzliche Elemente enthalten, die nicht explizit gezeigt sind.
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In verschiedenen unten beschriebenen Ausführungsformen wird ein Spannungsregler verwendet, der einen Ausgangsanschluss zur Bereitstellung einer Ausgangsspannung, einen Referenzanschluss zum Empfangen einer Referenzspannung und einen Anpassungsanschluss zum Empfangen einer Rückkopplungsspannung vom Ausgangsanschluss über den zwischen Ausgangsanschluss und Anpassungsanschluss gekoppelten Rückkopplungsschaltkreis umfasst. Manchmal wird der Spannungsregler auch als einstellbarer Dreianschluss-Regler bezeichnet. Der Spannungsregler stellt am Ausgangsanschluss eine konstante oder feste Ausgangsspannung bereit. Dies ermöglicht verschiedene Anwendungen, bei denen eine wohldefinierte und zeitlich konstante Spannung wünschenswert ist. Der Spannungsregler umfasst typischerweise weiterhin einen Eingangsanschluss, an dem eine Versorgungsspannung angelegt wird.
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Der Spannungsregler kann zum Beispiel ein Spannungsregler mit geringem Dropout (LDO) sein. Ein LDO stellt typischerweise die Ausgangsspannung mit einer vergleichsweise geringen Differenz zur Referenzspannung bereit. Zum Beispiel kann die Spannungsdifferenz zwischen dem Ausgangsanschluss und dem Referenzanschluss des LDOs 0,3 V oder weniger betragen. Dennoch ist es auch möglich, dass verschiedene andere Typen von Spannungsreglern verwendet werden.
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Im Allgemeinen kann der Spannungsregler dafür konfiguriert werden, die Ausgangsspannung mit einer vordefinierten Verstärkung in Bezug auf die Referenzspannung bereitzustellen. Wenn zum Beispiel die Ausgangsspannung gleich der Referenzspannung ist, kann die Verstärkung als eins definiert werden. Wenn die Ausgangsspannung größer (kleiner) als die Referenzspannung ist, kann die Verstärkung definiert werden, größer (kleiner) als eins zu sein.
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Verschiedene Definitionen der Verstärkung sind möglich, und in einem einfachen Szenario kann die Verstärkung als das Verhältnis der Ausgangsspannung zur Referenzspannung definiert werden. An dieser Definition wird im Text der Einfachheit halber durchweg festgehalten, wobei andere Definitionen möglich sind.
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Wie oben erwähnt kann ein LDO in verschiedenen Ausführungsformen besondere Verwendung finden. Deshalb wird im Folgenden überwiegend auf den LDO Bezug genommen. Allerdings können die entsprechenden Techniken leicht auf verschiedene andere Typen von Spannungsreglern angewandt werden.
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Im Folgenden werden Techniken beschrieben, bei denen eine vordefinierte Spannung am Ausgangsanschluss des LDOs anliegt. Bei solchen Techniken ist es möglich, die Ausgangsspannung auf einer Verstärkung zu erhalten, die höher oder niedriger als eins sein kann, beispielsweise in Abhängigkeit von der vordefinierten Spannung. Insbesondere ist es möglich, eine Vorrichtung bereitzustellen, bei der die Verstärkung gesteuert werden kann, größer oder kleiner als eins zu sein. Dies erhöht die Flexibilität im Schaltungsdesign immens und ermöglicht verschiedene Anwendungen.
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Nunmehr mit Bezug auf 1 ist eine Vorrichtung 100 gemäß verschiedener Ausführungsformen schematisch dargestellt. Die Vorrichtung 100 umfasst den LDO 101. In 1 sind beispielhafte Bestandteile des LDO 101 gezeigt, beispielsweise ein Fehlerverstärker 101a wie ein Operationsverstärker, und ein Durchgangsbauelement 101b, wie ein Transistor, beispielsweise ein Metalloxid-Feldeffekttransistor (MOSFET). Ein Ausgang des Fehlerverstärkers 101a ist an einen Eingang des Durchgangsbauelements 101b gekoppelt. Dadurch steuert ein Ausgang des Fehlerverstärkers 101a einen Stromfluss durch das Durchgangsbauelement 101b.
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Der LDO 101 umfasst den Referenzanschluss 111, der eine Referenzspannung Vref annimmt. Weiterhin umfasst der LDO 101 den Ausgangsanschluss 112, an dem die Ausgangsspannung Vout bereitgestellt wird. Eine Last 190 kann am Ausgangsanschluss 112 angeschlossen werden.
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Wie anhand von 1 gesehen werden kann, ist der Ausgangsanschluss 112 über eine Rückkopplungsschaltung 105 mit dem Anpassungsanschluss 114 des LDO 101 verbunden. Dadurch ist der Ausgang des Durchgangsbauelements 101b mit einem ersten Eingang des Fehlerverstärkers 101a, der dem Anpassungsanschluss 114 entspricht, wie oben erwähnt gekoppelt. Ein zweiter Eingang des Fehlerverstärkers entsprechend dem Referenzanschluss 111 ist mit einer in 1 nicht gezeigten Referenzspannungsquelle verbunden. Typischerweise versucht der Fehlerverstärker 101a, die Differenz zwischen der am Referenzanschluss 111 angelegten Referenzspannung Vref und der Spannung, die am Anpassungsanschluss 114 angelegt ist, zu minimieren.
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Eine Betriebsspannung VDD wird dem Eingangsanschluss 113 des LDO 101 zugeführt. Dieser Eingangsanschluss 113 ist über das Durchgangsbauelement 101b mit dem Ausgangsanschluss 112 verbunden. Wie oben erwähnt wird der Stromfluss durch das Durchgangsbauelement 101b durch den Ausgang des Fehlerverstärkers 101a gesteuert.
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In der Ausführungsform von 1 ist eine Spannungsquellenschaltung 150 an die Rückkopplungsschaltung 105 gekoppelt, das heißt zwischen den ersten Eingang des Fehlerverstärkers 101a und den Ausgang des Durchgangsbauelements 101b, und ist dafür konfiguriert, die vordefinierte Spannung Vconst in der Rückkopplungsschaltung 105 anzulegen. In 1 ist die Spannungsquellenschaltung 150 schematisch gezeigt und verschiedene Umsetzungen der Spannungsquellenschaltung 150 sind möglich. Zum Beispiel kann in einem einfachen Szenario die Spannungsquellenschaltung 150 durch eine speziell dafür vorgesehene Spannungsquelle (in 1 nicht gezeigt) umgesetzt werden, die Vconst anlegt.
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Wenn der Fehlerverstärker 101a seinen Ausgang derart anpasst, dass eine Differenz zwischen der an den Anschlüssen 111, 114 angelegten Spannung minimiert ist, dann gilt die folgende Gleichung:
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Im Fall Vconst > 1 gilt Vout < Vref. Folglich ist Vout/Vref < 1, was einer Verstärkung kleiner als eins entspricht. Im Fall Vconst > 1 gilt Vout > Vref. Folglich ist Vout/Vref > 1, was einer Verstärkung größer als eins entspricht.
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Wie gezeigt worden ist, kann die Verstärkung des LDO 101 durch geeignetes Setzen von Vconst kleiner oder größer als eins gesetzt werden. Auf diese Weise kann die Last 190 mit einer maßgeschneiderten Ausgangsspannung Vout in Abhängigkeit von der gewünschten Verstärkung bedient werden.
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In 2 ist ein detaillierteres Schaltbild der Vorrichtung 100 bereitgestellt. In 2 ist die Spannungsquelle 150 durch eine Stromquelle 155 umgesetzt, die konfiguriert ist, einen vordefinierten Strom Iconst durch den Widerstand 181, in 2 als R1 gekennzeichnet ist, anzulegen. Durch geeignete Dimensionierung des Widerstandswertes R1 des Widerstands 181 kann die vordefinierte Spannung Vconst erhalten werden. Zum Beispiel ist es möglich, dass der Widerstand 181 einen variablen Widerstandswert R1 hat. Durch solche Techniken kann die Verstärkung des LDO 101 durch Anpassen dieses variablen Widerstandswertes angepasst werden.
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Verschiedene Umsetzungen der Stromquelle 155 sind denkbar. Zum Beispiel kann in einem einfachen Szenario eine speziell dafür vorgesehene Stromquelle (in 2 nicht gezeigt) bereitgestellt werden. Es kann möglich sein, dass die Vorrichtung 100 auf einem Chipsatz bereitgestellt ist, der einen zentralen Biasstromgenerator (in 2 nicht gezeigt) enthält. Der zentrale Biasstromgenerator kann verschiedene Aufgaben erfüllen, die nicht notwendigerweise in irgendeiner Beziehung zur Vorrichtung 100 stehen. Es ist jedoch möglich, dass der zentrale Biasstromgenerator mit der Vorrichtung 100 als Stromquelle 150 verbunden ist.
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Nunmehr mit Bezug auf 3 ist noch eine weitere Ausführungsform der Stromquelle 155 gezeigt. Und zwar umfasst die Stromquelle 155 in 3 einen Spannungs-Strom-Wandler 157. Der Spannungs-Strom-Wandler 157 ist an den Referenzanschluss 111 des LDO 101 gekoppelt und ist dafür konfiguriert, die Referenzspannung Vref in einen Zwischenstrom, in 3 als IR2 gekennzeichnet, umzuwandeln. Der Zwischenstrom IR2 fließt durch einen in 3 als R2 gekennzeichneten Widerstand 182. Der Zwischenstrom kann durch geeignete Dimensionierung der Bestandteile des Wandlers 157 eingestellt werden. Dieser Zwischenstrom wird durch einen Stromspiegel 158 in die Rückkopplungsschaltung 105 gespiegelt.
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Solch ein Aufbau ermöglicht die Nutzung der Referenzspannung Vref, um die vordefinierte Spannung Vconst in der Rückkopplungsschaltung 105 bereitzustellen. Dies kann es entbehrlich machen, eine speziell dafür vorgesehene Spannungs- und/oder Stromquelle bereitzustellen, um die vordefinierte Spannung Vconst zu erhalten. Ein Systemdesign der Vorrichtung 100 kann dadurch vereinfacht werden. Vielmehr ist es möglich, die Vorrichtung durch geeignete Dimensionierung der Widerstandswerte R1, R2 der Widerstände 181, 182 einzustellen, wie unten gezeigt werden wird. Durch solche Techniken ist es demnach möglich, die Verstärkung des LDO 101 durch vergleichsweise einfache Mittel maßzuschneidern.
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Wie anhand von
3 gesehen werden kann, umfasst der Spannungs-Strom-Wandler 157 einen Operationsverstärker, dessen Ausgang an einen Gate-Anschluss eines MOSFET gekoppelt ist; wodurch der Ausgang des Operationsverstärkers den Stromfluss zwischen einem Source-Anschluss und einem Drain-Anschluss dieses MOSFET steuert. Der Drain-Anschluss des MOSFET ist an einen der Eingänge des Operationsverstärkers gekoppelt, wodurch eine Rückkopplungsschaltung gebildet wird. Dieser Spannungs-Strom-Wandler 157 ergibt:
das heißt, dass der Stromfluss von der Referenzspannung Vref und dem Widerstandswert R2 des Widerstands 182 abhängt.
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Weiterhin umfasst der Stromspiegel 158 zwei MOSFETs, deren Gate-Anschlüsse gekoppelt sind. Die Versorgungsspannung VDD ist jeweils an den Drain-Anschlüssen der MOSFETs des Stromspiegels 158 angelegt. Dieser Stromspiegel 158 ergibt:
wobei Y ein Proportionalitätsfaktor ist, der in verschiedenen Ausführungsformen variabel eingestellt werden kann. Zum Beispiel ist es möglich, Y=1 zu setzen. Dann ergibt die Kombination von Gleichungen (2) und (3):
Kombination von Gleichung 4 mit Gleichung 1 mit V
const=I
constR
1 ergibt
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Folglich ist die Verstärkung des LDO 101 gleich (R2-R1)/R2. Obwohl angesichts dieser Gleichung die Verstärkung - beispielsweise durch Verwendung variabler Widerstandswerte R1, R2 - flexibel auf einen gewissen Wert kleiner als eins eingestellt werden kann, kann es ebenso wünschenswert sein, die Verstärkung flexibel auf Werte größer und kleiner als eins einzustellen. In 4 ist eine Ausführungsform der Vorrichtung 100 gezeigt, die es durch Verwendung des Schalters 160 ermöglicht, die Verstärkung auf Werte kleiner und größer als eins einzustellen. In der Ausführungsform der 4 ist die Spannungsquellenschaltung 150 durch die Stromquelle 155 und den Widerstand 181 mit dem variablen Widerstandswert R1 umgesetzt. Andere Umsetzungen der Spannungsquellenschaltung 150, wie beispielsweise oben erwähnt, sind möglich.
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Der Schalter 160 in der Ausführungsform von 4 ist ein Zwei-Wege-Schalter, der auf eine erste Schaltposition A und eine zweite Schaltposition B (vgl. 4) gestellt werden kann. Wenn der Schalter 160 in der ersten Schaltposition A ist, ist die Spannungsquellenschaltung 150 an den Rückkopplungsschaltkreis 105 gekoppelt; wenn der Schalter in der zweiten Schaltposition B ist, ist die Spannungsquellenschaltung 150 vom Rückkopplungsschaltkreis 105 abgeklemmt, und die Spannungsquellenschaltung 150 speist die vordefinierte Spannung nicht in die Rückkopplungsschaltung 105 ein. In dieser zweiten Schalterposition B ist ein als R3 gekennzeichneter Widerstand 183 in der Rückkopplungsschaltung 105 eingeschlossen, während die Rückkopplungsschaltung 105 über einen als R4 gekennzeichneten Widerstand 184 mit Masse verbunden ist.
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Wenn der Schalter 160 in der ersten Schaltposition A ist, dann ist die Verstärkung des LDO 101 - gemäß der oben bereitgestellten Erläuterung zum Beispiel mit Bezug auf 2 und 3 - typischerweise kleiner als eins. Wenn der Schalter 160 in der zweiten Schaltposition B ist, beträgt die Verstärkung 1+R4/R3, das heißt größer als eins. Folglich kann durch Betätigung des Schalters 160 die Verstärkung des LDO 101 gesteuert werden, kleiner oder größer als eins zu sein.
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Der Ausgangsanschluss 112 des LDO 101 zieht nur wenig Strom; dadurch fließt nahezu der gesamte Strom Iconst zur Last 190 (in 4 nicht gezeigt), insbesondere unabhängig von der Position des Schalters 160. Dies resultiert in einem vergleichsweise geringen Energieverbrauch, wobei der von der Stromquellenschaltung 155 bereitgestellte Strom Iconst zur Versorgung der Last 190 benutzt wird. Folglich ist die Stromquelle 155 derart konfiguriert, dass der vordefinierte Strom Iconst zur Last 190 fließt.
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Nunmehr mit Bezug auf 5 hat der Schalter 160 mehrere Unterpositionen der ersten Schaltposition A und der zweiten Schaltposition B. Es ist auch möglich, dass solche Unterpositionen entweder für die erste Schaltposition A oder die zweite Schaltposition B (in 5 nicht gezeigt) bereitgestellt werden.
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Auf diese Weise kann eine unterschiedliche Anzahl von Widerständen 181, 183, 184 durch geeignete Positionierung des Schalters 160 in einer der Unterpositionen ausgewählt werden. Dies ermöglicht es, die Verstärkung sowohl in der ersten als auch der zweiten Schalterposition A, B gemäß den oben erläuterten Techniken zu steuern. Mit anderen Worten kann der LDO 101 als vollständig programmierbar bezeichnet werden.
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In 6 ist eine andere Ausführungsform gezeigt. In dieser Ausführungsform ist ein Spannungsteiler 159 zwischen dem Eingangsanschluss 113, an dem die Versorgungsspannung VDD angelegt wird, und dem Ausgangsanschluss 112, an dem die Ausgangsspannung Vout angelegt wird, angeordnet. Mit anderen Worten ist die Spannungsquellenschaltung 150 weiterhin an den Eingangsanschluss 113 des LDO 101 gekoppelt und umfasst weiterhin den Spannungsteiler 159, der konfiguriert ist, einen vordefinierten Anteil der Versorgungsspannung VDD als die vordefinierte Spannung Vconst bereitzustellen.
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In einem solchen Szenario kann es besonders einfach sein, die Spannungsquellenschaltung 150 bereitzustellen. Insbesondere können lediglich wenige Elemente, beispielsweise die zwei den Spannungsteiler bildenden Widerstände 185, 186, notwendig sein. Weiterhin kann es möglich sein, dass die Verstärkung von der Versorgungsspannung VDD abhängt. Infolgedessen kann es möglich sein, die Verstärkung durch die Versorgungsspannung VDD zu steuern.
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In 7 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedener Ausführungsformen gezeigt. Das Verfahren beginnt in Schritt S1. In Schritt S2 wird die vordefinierte Spannung Vconst in die Rückkopplungsschaltung 105 eingespeist. Die Rückkopplungsschaltung 105 verbindet den Ausgangsanschluss 112 mit dem Anpassungsanschluss 114 des LDO 101. Das Verfahren endet in Schritt S3.
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Wie anhand der obigen detaillierten Beschreibung gesehen werden kann, sind verschiedene Modifikationen und Abänderungen möglich, ohne vom Schutzumfang der Erfindung abzuweichen. Demzufolge sind die oben beschriebenen Ausführungsformen nicht als in irgendeiner Weise den Schutzumfang einschränkend aufzufassen, sondern sind einfach beabsichtigt, veranschaulichende Umsetzungsbeispiele bereitzustellen. Vielmehr können für eine der Ausführungsformen beschriebene Modifikationen und Abänderungen ebenso auf andere beschriebene Ausführungsformen angewandt werden, soweit es nicht spezifisch anders angemerkt wird.
