DE102015002501B3

DE102015002501B3 - Anstiegsraten- und Einschaltstrom-Controller

Info

Publication number: DE102015002501B3
Application number: DE102015002501.5A
Authority: DE
Inventors: Mohammad Masoumi; Frank Kronmüller; Robert Prinz
Original assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Current assignee: Dialog Semiconductor UK Ltd
Priority date: 2015-02-27
Filing date: 2015-02-27
Publication date: 2016-07-07
Anticipated expiration: 2035-02-28
Also published as: US9933807B2; US20160252924A1

Abstract

Ein Einschaltstrom-Controller (200) ist beschrieben, der einen Halbleiterausgangsschalter (104) einschaltet. Der Ausgangsschalter ist mit einem Ausgangskondensator (105) zwischen einer Ausgangsversorgungsspannung (112) und einer Masse (113) in Reihe geschaltet und umfasst einen Schaltersteueranschluss zum Steuern eines Ausgangsstroms (124) und zum Steuern einer Ausgangsspannung (114) an einem Ausgangsknoten zwischen dem Ausgangsschalter und dem Ausgangskondensator. Der Controller umfasst einen Verstärker, der einen Schaltersteuerstrom (172) aus einer Steuerversorgungsspannung (172) bezieht oder einen Schaltersteuerstrom aus dem Schaltersteueranschluss in Richtung der Masse abführt, um den Ausgangsschalter einzuschalten. Der Schaltersteuerstrom ist von einem Verstärkersteuerstrom (273) an einem Verstärkersteueranschluss (533) abhängig. Ferner umfasst der Controller eine Referenzstromquelle (201), die einen Referenzstrom (221) an dem Verstärkersteueranschluss bereitstellt, sofern ein Steuersignal (116) angibt, dass der Ausgangsschalter eingeschaltet werden soll. Darüber hinaus umfasst der Controller einen Rückkopplungskondensator (262), um den Ausgangsknoten mit dem Verstärkersteueranschluss zu koppeln, und der einen Rückkopplungsstrom (272) in Abhängigkeit von einer Variation der Ausgangsspannung bereitstellt.

Description

Technisches Gebiet
Das vorliegende Dokument bezieht sich auf die Steuerung von Transistoren. Insbesondere bezieht sich das vorliegende Dokument auf das Steuern der Anstiegsrate und des Einschaltstroms eines Halbleiterschalters.
Hintergrund
Halbleiterschalter (insbesondere Transistoren) können verwendet werden, um den Laststrom zu steuern, der für eine Last bereitgestellt wird (zum Beispiel als Teil eines Leistungsumsetzers oder einer Batterieladevorrichtung). In diesem Zusammenhang kann es wichtig sein, die Anstiegsrate der Spannung an dem Schalter während einer Einschaltperiode des Schalters und/oder den Einschaltstrom durch den Schalter während der Einschaltperiode des Schalters zu steuern. EP 0854574 A2 beschreibt eine Treiberschaltung für eine Last, wobei die Treiberschaltung einen MOS-Schalttransistor, einen Versträrker und eine Rückkopplungskapazität aufweist, die den Ausgang des MOS-Schalttransistors mit dem Eingang des Verstärkers koppelt. Der Ausgang des Verstärkers ist mit dem Gate des MOS-Schalttransistors verbunden. Des Weiteren weist die Treiberschaltung eine Stromquelle auf, die einen Strom am Eingang des Verstärkers bereitstellt.
Das vorliegende Dokument befasst sich mit dem technischen Problem des Bereitstellens einer hochgenauen und stabilen Steuerung der Anstiegsrate und/oder des Einschaltstroms eines Halbleiterschalters während einer Einschaltperiode des Schalters. Der gesteuerte Schalter ist hier als ein Ausgangsschalter bezeichnet.
Zusammenfassung
Gemäß einem Aspekt wird ein Einschaltstrom-Controller beschrieben, der dazu ausgelegt ist, einen Halbleiter-Ausgangsschalter (insbesondere einen Metall-Oxid-Halbleiter-Transistor, MOS-Transistor) einzuschalten. Der Ausgangsschalter ist mit einem Ausgangskondensator zwischen einer Ausgangsversorgungsspannung und einer Masse in Reihe geschaltet. Der Ausgangsschalter umfasst einen Schaltersteueranschluss (z. B. ein Gate) zum Steuern eines Ausgangsstroms durch den Schalter und zum Steuern einer Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten zwischen dem Ausgangsschalter und dem Ausgangskondensator. Der Ausgangsstrom kann auch als ein Drain-Source-Strom oder als ein Einschaltstrom des Ausgangsschalters bezeichnet werden. Der Ausgangsknoten kann einer Source des Ausgangsschalters entsprechen.
Der Einschaltstrom-Controller umfasst einen Verstärker, der dazu ausgelegt ist, einen Schaltersteuerstrom aus einer Steuerversorgungsspannung in den Schaltersteueranschluss einzuspeisen oder einen Schaltersteuerstrom aus dem Schaltersteueranschluss in Richtung Masse abzuführen. Der Schaltersteuerstrom kann verwendet werden, um eine Gate-Kapazität des Ausgangsschalters zum Einschalten des Ausgangsschalters zu laden oder zu entladen. Insbesondere kann ein Schaltersteuerstrom, der aus der Steuerversorgungsspannung bezogen wird, verwendet werden, um die Gate-Kapazität eines NMOS-Ausgangsschalters zu laden und dadurch den NMOS-Ausgangsschalter einzuschalten. Andererseits kann ein Schaltersteuerstrom zur Masse abgeführt werden, um die Gate-Kapazität eines PMOS-Ausgangsschalters zu entladen und dadurch den PMOS-Ausgangsschalter auszuschalten.
Der Schaltersteuerstrom ist von einem Verstärkersteuerstrom an einem Verstärkersteueranschluss an dem Eingang des Verstärkers abhängig. Insbesondere kann der Verstärker dazu ausgelegt sein, einen Verstärkersteuerstrom an dem Verstärkersteueranschluss zu verstärken, um den Schaltersteuerstrom an dem Schaltersteueranschluss bereitzustellen. Der Schaltersteueranschluss kann (direkt) mit dem Ausgang des Verstärkers gekoppelt sein.
Der Einschaltstrom-Controller umfasst ferner eine Referenzstromquelle, die dazu ausgelegt ist, einen Referenzstrom an dem Verstärkersteueranschluss bereitzustellen. Der Referenzstrom kann selektiv bereitgestellt werden, um den Ausgangsschalter einzuschalten. Insbesondere kann der Referenzstrom abhängig von einem Steuersignal bereitgestellt werden, das anzeigt, dass der Ausgangsschalter eingeschaltet werden soll. Der Referenzstrom trägt zu dem Strom an dem Eingang des Verstärkers bei und wird von dem Verstärker zu einem Schaltersteuerstrom zum Laden/Entladen des Gates des Ausgangsschalters verstärkt, wodurch der Ausgangsschalter eingeschaltet wird. Zu diesem Zweck kann der Referenzstrom ein Strom in Richtung Masse sein.
Der Einschaltstrom-Controller kann einen Steuerschalter umfassen, der dazu ausgelegt ist, den Verstärkersteueranschluss mit einem hohen Potential (z. B. der Steuerversorgungsspannung) zu koppeln, um den Ausgangsschalter auszuschalten. Ferner kann der Steuerschalter dazu ausgelegt sein, den Verstärkersteueranschluss von dem hohen Potential zu entkoppeln, um den Ausgangsschalter einzuschalten, so dass ein Strom an dem Verstärkersteueranschluss von dem Referenzstrom abhängt. Das Steuersignal kann an einem Gate des Steuerschalters angelegt werden.
Der Einschaltstrom-Controller umfasst ferner. einen Rückkopplungskondensator, der angeordnet ist, um den Ausgangsknoten mit dem Verstärkersteueranschluss zu koppeln, und dazu ausgelegt ist, einen Rückkopplungsstrom an dem Verstärkersteueranschluss in Abhängigkeit von einer Variation der Ausgangsspannung bereitzustellen. Typischerweise wird der Rückkopplungsstrom von dem Referenzstrom abgezogen, insbesondere dann, wenn die Ausgangsspannung an dem Ausgangsknoten zunimmt. Daher wird der Nettostrom an dem Eingang des Verstärkers, d. h. an dem Verstärkersteueranschluss, verringert, sobald der Ausgangsschalter eingeschaltet wird, wodurch der Einschaltstrom durch den Ausgangsschalter und die Anstiegsrate des Ausgangsspannung gesteuert wird. Der Verstärker stellt eine Pufferfunktion bereit, wodurch eine effiziente Anstiegsraten-/Einschaltstrom-Steuerung für unterschiedlich große Ausgangsschalter ermöglicht wird.
Der Einschaltstrom-Controller kann ferner einen Hilfsrückkopplungskondensator umfassen, der angeordnet ist, um den Schaltersteueranschluss mit dem Verstärkersteueranschluss zu koppeln, und der dazu ausgelegt ist, einen Hilfsrückkopplungsstrom an dem Verstärkersteueranschluss in Abhängigkeit von einer Variation einer Schaltersteuerspannung an dem Schaltersteueranschluss bereitzustellen. Der Hilfsrückkopplungsstrom wird typischerweise von dem Referenzstrom abgezogen, insbesondere im Fall einer Erhöhung der Schaltersteuerspannung. Durch Verwendung eines Hilfsrückkopplungskondensators kann die Stabilität der Einschaltstrom-/Anstiegsraten-Steuerung erhöht werden.
Der Verstärker kann einen Verstärkertransistor und einen Vorspanntransistor umfassen, die zwischen der Steuerversorgungsspannung und der Masse in Reihe geschaltet sind. Der Schaltersteueranschluss kann mit einem Mittelpunkt zwischen dem Verstärkertransistor und dem Vorspanntransistor gekoppelt sein. Der Verstärkertransistor und der Vorspanntransistor können jeweils MOS-Transistoren umfassen. Insbesondere kann der Verstärkertransistor einen PMOS-Transistor umfassen und/oder der Vorspanntransistor einen NMOS-Transistor umfassen.
Der Vorspanntransistor kann verwendet werden, um einen Vorstrom in Richtung Masse an dem Mittelpunkt zwischen dem Verstärkertransistor und dem Vorspanntransistor einzustellen, wodurch das Gate des Ausgangsschalters (vor allem im Falle eines NMOS-Ausgangsschalters) entladen gehalten wird und dadurch der Ausgangsschalter im Aus-Zustand gehalten wird. Ein Strom durch den Verstärkertransistor kann über einen Transistorsteueranschluss (z. B. ein Gate) des Verstärkertransistors gesteuert werden und ein Strom an dem Transistorsteueranschluss kann von dem Referenzstrom und dem Rückkopplungsstrom abhängen. Beispielsweise kann der Transistorsteueranschluss dem Verstärkersteueranschluss entsprechen (oder dieser sein). Daher kann der Verstärkertransistor in Abhängigkeit von dem Referenzstrom und dem Rückkopplungsstrom eingeschaltet werden, wodurch ein Strom aus der Steuerversorgungsspannung bezogen wird, der das Gate des Ausgangsschalters an dem Mittelpunkt zwischen dem Verstärkertransistor und dem Vorspanntransistor auflädt.
Der Verstärker kann einen Differenzverstärker umfassen, der dazu ausgelegt ist, eine Differenzspannung in Abhängigkeit von dem Referenzstrom und dem Rückkopplungsstrom zu bestimmen. Ein Eingangsanschluss des Differenzverstärkers kann dem Verstärkersteueranschluss entsprechen. Der Verstärkertransistor kann in Abhängigkeit von der Differenzspannung an dem Ausgang des Differenzverstärkers gesteuert werden. Die Verwendung eines Differenzverstärkers kann dabei vorteilhaft sein, den Einschaltstrom-Controller in Bezug auf ein Rauschen der Steuerversorgungsspannung robuster zu machen.
Der Verstärker kann ferner einen Master-Transistor und einen Slave-Transistor umfassen, der zwischen der Steuerversorgungsspannung und der Masse in Reihe geschaltet sind. Der Master-Transistor und der Slave-Transistor können verwendet werden, um die Differenzspannung an dem Ausgang des Differenzverstärkers in einen Strom zum Steuern des Verstärkertransistors umzuwandeln. Insbesondere kann ein Strom durch den Master-Transistor mittels der Differenzspannung gesteuert werden. Ferner kann der Slave-Transistor einen Stromspiegel mit dem Verstärkertransistor bilden.
Der Einschaltstrom-Controller kann ferner Erfassungsmittel umfassen, die dazu ausgelegt sind, eine Angabe des Schaltersteuerstroms an dem Schaltersteueranschluss bereitzustellen. Die Erfassungsmittel können einen Erfassungstransistor und einen Erfassungs-Vorspanntransistor umfassen, die zwischen der Steuerversorgungsspannung und der Masse in Reihe geschaltet sind. Ein Steueranschluss des Erfassungstransistors kann mit einem Steueranschluss des Verstärkertransistors gekoppelt sein und ein Steueranschluss des Erfassungs-Vorspanntransistors kann mit einem Steueranschluss des Vorspanntransistors gekoppelt sein. Der Erfassungstransistor kann von der gleichen Transistorart wie der Verstärkertransistor sein (z. B. ein PMOS-Transistor) und/oder der Erfassungs-Vorspanntransistor kann von der gleichen Transistorart wie der Vorspanntransistor sein (z. B. ein NMOS-Transistor). Die Angabe des Schaltersteuerstroms kann von einem Strom an einem Mittelpunkt zwischen dem Erfassungstransistor und dem Erfassungs-Vorspanntransistor abhängig sein.
Ferner kann der Einschaltstrom-Controller Stromsteigerungsmittel umfassen, die dazu ausgelegt sind, einen Hilfsstrom an dem Verstärkersteueranschluss dann (z. B. nur dann) bereitzustellen, wenn die Angabe des Schaltersteuerstroms angibt, dass der Schaltersteuerstrom unterhalb einer vorbestimmten Stromschwelle liegt, d. h. dann (z. B. nur dann), wenn (basierend auf der Angabe des Schaltersteuerstroms) bestimmt wird, dass der Ausgangsschalter noch in einer ersten Phase der Einschaltzeitspanne ist (und noch nicht vollständig geöffnet ist). Die Stromsteigerungsmittel können einen Stromspiegel und/oder einen Stromkomparator (z. B. eine ”Winner-takes-all”-Schaltung bzw. Sieger-nimmt-alles-Schaltung) umfassen. Der Hilfsstrom kann so bereitgestellt sein, dass der Hilfsstrom zu dem Referenzstrom hinzugefügt wird. Als Folge davon kann die erste Phase der Einschaltzeitspanne beschleunigt werden, wodurch ermöglicht wird, dass eine zweite Phase der Einschaltzeitspanne (in der der Einschaltstrom durch den Ausgangsschalter fließt) verlängert wird, d. h. wodurch ermöglicht wird, dass ein maximaler Einschaltstrom reduziert wird.
Der Einschaltstrom-Controller kann ferner eine Hilfsreferenzstromquelle umfassen, die dazu ausgelegt ist, einen Hilfsreferenzstrom dann (z. B. nur dann) bereitzustellen, wenn eine Schaltersteuerspannung an dem Schaltersteueranschluss des Ausgangsschalters eine vorbestimmte Spannungsschwelle überschreitet, d. h. dann (z. B. nur dann), wenn die Schaltersteuerspannung angibt, dass die zweite Phase der Einschaltzeitspanne des Ausgangsschalters (während der der Ausgangskondensator geladen wird) beendet ist, und eine dritte Phase der Einschaltzeitspanne (während der das Gate des Ausgangsschalters vollständig geladen/entladen wird, um den Ausgangsschalter vollständig einzuschalten) begonnen hat. Der Hilfsreferenzstrom kann dem Referenzstrom hinzugefügt werden und beschleunigt dadurch die dritte Phase der Einschaltzeitspanne. Als Folge davon kann die zweite Phase der Einschaltzeitspanne verlängert werden, um zu ermöglichen, dass der maximale Einschaltstrom verringert wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt ist ein Verfahren zum Steuern eines Einschaltstroms durch einen Halbleiterausgangsschalter während einer Einschaltzeitspanne des Ausgangsschalters beschrieben. Der Ausgangsschalter ist mit einem Ausgangskondensator z. B. zwischen einer Ausgangsversorgungsspannung und einer Masse in Reihe geschaltet. Der Ausgangsschalter umfasst einen Schaltersteueranschluss zum Steuern eines Ausgangsstroms durch den Schalter und zum Steuern einer Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten zwischen dem Ausgangsschalter und dem Ausgangskondensator.
Das Verfahren umfasst ein Beziehen eines Schaltersteuerstroms an dem Schaltersteueranschluss z. B. aus einer Steuerversorgungsspannung oder ein Abführen eines Schaltersteuerstroms aus dem Schaltersteueranschluss beispielsweise Richtung Masse unter Verwendung eines Verstärkers zum Einschalten des Ausgangsschalters. Der Schaltersteuerstrom ist von einem Verstärkersteuerstrom an einem Verstärkersteueranschluss des Verstärkers abhängig. Ferner umfasst das Verfahren ein Bereitstellen eines Referenzstroms an dem Verstärkersteueranschluss, der von einem Steuersignal abhängt, das angibt, dass der Ausgangsschalter eingeschaltet werden soll. Darüber hinaus umfasst das Verfahren ein Bereitstellen eines Rückkopplungsstroms an dem Verstärkersteueranschluss in Abhängigkeit von einer Variation der Ausgangsspannung z. B. unter Verwendung eines Rückkopplungskondensators, der angeordnet ist, um den Ausgangsknoten mit dem Verstärkersteueranschluss zu koppeln.
Es ist zu beachten, dass die Verfahren und Systeme einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsformen, wie sie in dem vorliegenden Dokument dargelegt sind, eigenständig oder in Kombination mit anderen Verfahren und Systemen, die in diesem Dokument offengelegt sind, verwendet werden können. Darüber hinaus sind die Merkmale, die im Zusammenhang mit einem System dargelegt sind, auch auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Ferner können alle Aspekte der Verfahren und Systeme, die in dem vorliegenden Dokument dargelegt sind, beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Patentansprüche untereinander in beliebiger Weise kombiniert werden.
Im vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff ”koppeln” oder ”gekoppelt” darauf, dass Elemente entweder direkt, beispielsweise über Leitungen, oder auf andere Weise in elektrischer Verbindung miteinander stehen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist nachfolgend in beispielhafter Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei
1a einen beispielhaften Controller für einen Ausgangsschalter zeigt;
1b beispielhafte Signale während der Einschaltzeitspanne eines Ausgangsschalters zeigt;
1c einen beispielhaften Controller mit einer Anstiegsratensteuerungs-Rückkopplungsschleife zeigt;
2 ein Schaltbild eines beispielhaften Anstiegsraten-/Einschaltstrom-Controllers zeigt;
3a ein Blockdiagramm eines beispielhaften Anstiegsraten-/Einschaltstrom-Controllers zeigt;
3b ein Schaltbild eines weiteren beispielhaften Anstiegsraten-/Einschaltstrom-Controllers zeigt;
3c ein Schaltbild einer beispielhaften ”Winner-take-all”-Schaltung zeigt;
4 ein Schaltbild eines weiteren beispielhaften Anstiegsraten-/Einschaltstrom-Controllers zeigt;
5a ein Schaltbild eines weiteren beispielhaften Anstiegsraten-/Einschaltstrom-Controllers zeigt;
5b ein Schaltbild eines beispielhaften Differenzverstärkers zeigt;
5c beispielhafte Signale während der Einschaltzeitspanne eines Ausgangsschalters zeigt;
5d ein Schaltbild eines weiteren beispielhaften Anstiegsraten-/Einschaltstrom-Controllers zeigt; und
6 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Steuern eines Ausgangsschalters während einer Einschaltzeitspanne zeigt.
Genaue Beschreibung
Wie oben angegeben zielt das vorliegende Dokument auf das Steuern der Anstiegsrate und/oder des Einschaltstroms eines Halbleiterausgangsschalters in einer genauen Weise ab. Insbesondere kann die Abstimmung des Laststroms, der für die Last bereitgestellt wird, die mit dem Halbleiterausgangsschalter gekoppelt ist, durch eine genaue Steuerung der Anstiegsrate des Halbleiterausgangsschalters erreicht werden.
1 zeigt eine beispielhafte Steuerschaltung zum Steuern eines Ausgangsschalters 104, der zwischen einer Ausgangsversorgungsspannung 112 und einer Masse 113 angeordnet ist. Der Ausgangsschalter 104 wird verwendet, um einen Laststrom 123 bei einer Ausgangsspannung V_out 114 für eine Last bereitzustellen. Typischerweise ist der Ausgangsschalter 104 über einen Ausgangskondensator 105 (der parallel zu der Last angeordnet sein kann) mit der Masse 113 gekoppelt. In dem dargestellten Beispiel umfasst der Ausgangsschalter 104 einen Metall-Oxid-Halbleiterschalter (MOS-Schalter), insbesondere einen n-Typ-MOS- oder NMOS-Schalter.
Der Ausgangsschalter 104 wird unter Verwendung eines Referenzstroms I_ref 121 gesteuert, der mittels einer Referenzstromquelle 101 erzeugt wird. Der Referenzstrom 121 wird verwendet, um ein Gate des Ausgangsschalters 104 zu laden, wodurch die Schaltersteuerspannung 115 (z. B. die Gate-Spannung) über die Schwellenspannung des Ausgangsschalters 104 erhöht wird und wodurch der Ausgangsschalter 104 eingeschaltet wird. Die Einschaltzeitspanne zum Einschalten des Ausgangsschalters 104 kann unter Verwendung eines Steuerschalters 103, der durch einen Steuertreiber 102 und ein Steuersignal 116 angesteuert wird, eingeleitet werden. Der Steuerschalter 103 kann geschlossen werden, um den Schaltersteueranschluss (z. B. das Gate) des Ausgangsschalters 104 mit der Masse 113 zu koppeln und dadurch den Ausgangsschalter 104 zu schließen. Wenn der Steuerschalter 103 geöffnet wird, dann fließt der Referenzstrom 121 in den Gate-Kondensator des Ausgangsschalters 104, wodurch der Ausgangsschalter 104 geöffnet wird, d. h. wodurch der Ausgangsschalter 104 eingeschaltet wird.
Da der Ausgangsschalter 104 den Ausgangskondensator 105 speist, ist die entsprechende Stromstärke I_C 122 in den Ausgangskondensator 105 durch
gegeben, wobei C_out die Kapazität des Ausgangskondensators 105 und dV_out die Variation der Ausgangsspannung 114 bezeichnet. In dem dargestellten Beispiel lädt der NMOS-Schalter 104 die Ausgangskapazität 105 mit der Ausgangsversorgungsspannung 112 abhängig von der Stromreferenz 121. Der NMOS-Schalter 104 wird deaktiviert, wenn das Steuersignal 116 niedrig ist. Im aktiven Modus ist der Steuerschalter 103 ausgeschaltet und das Gate des NMOS-Schalters 104 wird von der Referenzstromquelle 101 geladen.
Die Ladezeit der Ausgangskapazität 105 und die Einschaltzeitspanne des Ausgangsschalters 104 können in drei Phasen 151, 152, 153 unterteilt werden, wie in 1b dargestellt. In einer ersten Phase 151 (nach Hochsetzen des Steuersignals 116) ist der Ausgangsschalter 104 nicht eingeschaltet, ist der Kondensatorstrom 124 klein und der Kondensator 105 wird nur langsam aufgeladen. In einer zweiten Phase 152 steigt der Kondensatorstrom 122 rasch an, da die Gate-Source-Spannung (d. h. die Schaltersteuerspannung) 115 an dem Ausgangsschalter 104 ausreichend hoch ist, so dass der Ausgangsschalter 104 eingeschaltet ist. Der Kondensatorstrom 124 beginnt in einer dritten Phase 153 zu sinken, wenn der Ausgangsschalter 104 in den Triodenbereich gelangt, und fällt nach vollständiger Aufladung des Ausgangskondensators 104 auf null. Der Kondensatorstrom 122 entspricht typischerweise dem Einschaltstrom 124 durch den Ausgangsschalter 104, falls es keinen Laststrom 123 gibt.
Das Maximum 142 des Kondensatorstroms 122 bzw. des Einschaltstroms 124 hängt von der maximalen Anstiegsrate
der Ausgangsspannung 114 ab, wobei die, Anstiegsrate
durch den Referenzstrom 121 gesteuert werden kann. Daher hängt der Einschaltstrom 124 direkt von dem Referenzstrom 121 und dem Zeitintervall, das zum Laden der Ausgangskapazität 105 erforderlich ist, ab. Mittels eines Rückkopplungsschemas kann der Referenzstrom 121 gesteuert werden, um das Maximum 142 des Einschaltstroms 124 zu reduzieren. Mit anderen Worten kann die Anstiegsratensteuerung durch das Verlangsamen der Einschaltzeit des Ausgangsschalters 104 erzielt werden.
Ein möglicher Weg zum Begrenzen und Steuern des Einschaltstroms 124 durch den Ausgangsschalter 104 ist in 1c gezeigt. In dem dargestellten Beispiel ist ein Rückkopplungskondensator 161 zwischen dem Ausgangsknoten (z. B. der Source) des Ausgangsschalters 104 und dem Gate des Ausgangsschalters 104 eingekoppelt. Der Rückkopplungsstrom 171 durch den Rückkopplungskondensator 161 hängt von der Änderung der Ausgangsspannung 114 ab. Der Rückkopplungsstrom 171 kann mittels eines Stromspiegels 162, 163 mit einem Spiegelverhältnis 1:M verstärkt werden. Als Folge davon wird der Gate-Strom 172 (hier auch als Schaltersteuerstrom bezeichnet) zum Laden des Gates des Ausgangsschalters 104 um das M-fache des Rückkopplungsstroms 171 reduziert, wodurch die Einschaltzeitspanne des Ausgangsschalters 104 verlangsamt wird. Daher wird der Einschaltstrom 124 in den Ausgangsschalter 104 während der Einschaltzeitspanne mittels eines Rückkopplungsschemas mit einem Rückkopplungskondensator 161 begrenzt.
Das Rückkopplungsschema, das in 1c gezeigt ist, hat mehrere Nachteile. Die Bandbreite des Stromverstärkers (gegeben durch den Stromspiegel 162, 163) ist typischerweise sehr stark von dem Rückkopplungsstrom 171 durch den Eingangstransistor 162 des Stromspiegels 162, 163 abhängig. Ferner können relativ geringe Rückkopplungsströme 171 ein Überschießen des Einschaltstroms 124 zu Beginn der zweiten Phase 152 der Einschaltzeitspanne verursachen. Zusätzlich beeinflusst eine Fehlabstimmung des Eingangstransistors 162 und des Ausgangstransistors 163 des Stromspiegels 162, 163 typischerweise den Einschaltstrom 124. Ferner hängt die erste Phase 151 der Einschaltzeitspanne nur von dem Referenzstrom 121 ab, der durch die Referenzstromquelle bereitgestellt wird. Dies führt zu einer Erhöhung der Gesamteinschaltzeit der Steuerung. Das gleiche gilt für die dritte Phase 153 der Einschaltzeitspanne. Darüber hinaus müssen der Referenzstrom 121 und der Rückkopplungsstrom 171 typischerweise aufgrund von Variationen der Gate-Kapazität des Ausgangsschalters 104 für Ausgangsschalter 104 verschiedener Größen angepasst werden.
2 zeigt ein Schaltbild eines Anstiegsraten-Controllers oder eines Einschaltstrom-Controllers 200, der dazu ausgelegt ist, wenigstens einige der oben erwähnten Nachteile zu überwinden. In dem Anstiegsraten-Controller 200 von 2 ist der Stromverstärker 162, 163 von einem Klasse-A-Verstärker 211, 212 ersetzt worden, wobei das Gate eines Verstärkertransistors 211 durch einen Gate-Strom 273 (auch als der Verstärkersteuerstrom bezeichnet) gespeist wird, der der Wegnahme des Referenzstroms 221 und des Rückkopplungsstroms 272 durch den Rückkopplungskondensator 262 entspricht. Als Folge davon ist kein Stromverstärker 162, 163 mehr erforderlich, wodurch das Problem einer Stromverstärker-Fehlabstimmung gelöst wird. Der Klasse-A-Verstärker 211, 212 spielt auch die Rolle eines Puffers und kann dadurch unterschiedlich große Ausgangsschalter 104 ansteuern. Die Abhängigkeit des Anstiegsraten-Controllers 200 von der Gate-Kapazität des Ausgangsschalters 104 wird mittels des Puffers 211, 212 (der von der Steuerversorgungsspannung 111 unterschiedlich große Ströme 172 beziehen kann) entfernt. Darüber hinaus kann der Anstiegsraten-Controller 200 von 2 verwendet werden, um die Zeitspanne der ersten Phase 151 zu reduzieren, wodurch ermöglicht wird, dass die zweite Phase 152 der Einschaltzeitspanne verlängert wird, um das Maximum 142 des Einschaltstroms 124 zu reduzieren.
Daher umfasst der Controller 200 von 2 einen Rückkopplungskondensator 262, um die Einschaltzeit-Anstiegsrate des Ausgangsschalters 104 zu steuern, und einen Klasse-A-Verstärker 211, 212, um den Ausgangsschalter 104 anzusteuern. Der Klasse-A-Verstärker 211, 212 umfasst einen Verstärkertransistor 211 und einen Vorspanntransistor 212, wobei der Vorspanntransistor 212 auf die Verwendung einer (festen) Vorspannung 222 eingestellt ist. Durch Verwendung eines Hilfsrückkopplungskondensators 261 zwischen dem Drain und dem Gate des Verstärkertransistors 211 (der einen zusätzlichen Rückkopplungsstrom 271 liefert) kann die Schleifen-Phasenreserve erhöht werden und folglich eine Spitze oder ein Maximum 142 des Einschaltstroms 124 verringert werden.
Wie in 2 gezeigt ist der Ausgangsschalter 104 dann ausgeschaltet, wenn das Steuersignal 116 niedrig ist. Der Ausgangsschalter 104 beginnt immer dann sich einzuschalten, wenn das Steuersignal 116 auf einen hohen Pegel gesetzt ist. Zu diesem Zeitpunkt wird der Steuerschalter 103 ausgeschaltet und das Gate des Verstärkertransistors 211 entlädt sich über die Referenzstromquelle 201 (entsprechend dem Referenzstrom 221). Da der Klasse-A-Verstärker 211, 212 als Invertierer arbeitet, führt ein Verringern der Gate-Spannung des Verstärkertransistors 211 zu einem Erhöhen der Gate-Spannung 115 des Ausgangsschalters 104.
Der Anstiegsraten-Controller 200 verbleibt in der ersten Phase 151, bis sich der Ausgangsschalter 104 einschaltet. Die zweite Phase 152 beginnt dann, wenn der Ausgangsschalter 104 im eingeschalteten Zustand ist. In dieser zweiten Phase 152 beginnt der Einschaltstrom 124 zu steigen und lädt den Ausgangskondensator 105. Der Einschaltstrom 124 kann von dem Rückkopplungsstrom 272 durch den Rückkopplungskondensator 262 begrenzt und gesteuert werden. Der Anstiegsraten-Controller 200 tritt dann in die dritte Phase 153 ein, wenn der Ausgangskondensator 105 vollständig geladen ist und wenn die Ausgangsspannung 114 die Ausgangsversorgungsspannung 112 erreicht. Zu diesem Zeitpunkt beträgt die Variation der Ausgangsspannung 114 null und der Rückkopplungsstrom 272 fällt auf den Minimalwert 0. Als Ergebnis davon entlädt sich das Gate des Verstärkertransistors 211 schneller als während der zweiten Phase 152 und das Gate des Ausgangsschalters 104 erreicht die maximale Spannung, das heißt die Steuerversorgungsspannung 111.
Wie oben dargelegt beginnt der Einschaltstrom während der zweiten Phase 152 der Einschaltzeitspanne dann zu steigen, wenn der Ausgangsschalter 104 eingeschaltet ist. Andererseits ist der Einschaltstrom 124 während der ersten und dritten Phase 151, 153 relativ klein. Unter Berücksichtigung der oben genannten Formel bezüglich des Kondensatorstroms I_C, kann der Einschaltstrom 124 proportional zu der Ausgangskapazität 105 und der Abweichung der Ausgangsspannung 114 über der Zeit sein. Unter der Annahme einer konstanten Ausgangskapazität 105 führt ein Erhöhen der Zeitspanne der zweiten Phase 152 zu einer Verringerung des Maximums 142 des Einschaltstroms 124. Es wird angenommen, dass das Gate des Ausgangsschalters 104 bis zu dem Maximalwert, d. h. bis zu der Steuerversorgungsspannung 111, in einer Gesamtzeitspanne Tp lädt, wobei Tp = Tp1 + Tp2 + Tp3, wobei Tp1, Tp2, Tp3 jeweils die Zeitspannen der ersten, zweiten und dritten Phase sind. Im Hinblick auf die Formel für I_C wird ein Erhöhen von dt, insbesondere der Zeitspanne Tp2 der zweiten Phase 152, das Maximum 142 des Einschaltstroms 124 verringern. Gleichzeitig sollten die Zeitspannen der ersten und der dritten Phase, d. h. Tp1 und Tp2, nahe null sein, um eine längere zweite Phase 152 zu ermöglichen und um reduzierte Einschaltströme 124 zu ermöglichen. Daher kann unter der Annahme einer konstanten Gesamteinschaltzeitspanne Tp ein Erhöhen von Tp2 durch ein Verringern von Tp1 und/oder Tp2 erreicht werden.
Eine mögliche Lösung zum Verringern der Zeitspanne Tp1 der ersten Phase 151 ist in 3b gezeigt. Der Anstiegsraten-Controller 200 von 3b umfasst die Komponenten des Controllers 200 von 2 und zusätzliche Komponenten zum Verringern der Zeitspanne Tp1 der ersten Phase 151.
3a zeigt ein Blockdiagramm der Struktur eines generischen Anstiegsraten-Controllers 200. Der Anstiegsraten-Controller 200 kann eine Rücksetzschaltung 301 umfassen, die mit einer Rücksetz-Spannungsversorgung 311 und/oder einer Anfahrschaltung 306 in Beziehung steht. Ein Beispiel für eine solche Schaltung ist der Steuerschalter 103. Ferner umfasst der Anstiegsraten-Controller 200 typischerweise einen Treiber 302 für die Ausgangsstufe 304 (die den Ausgangsschalter 104 umfasst). Der Treiber 302 kann z. B. den Verstärkertransistor 211 umfassen. Zusätzlich kann der Anstiegsraten-Controller 200 eine Anstiegsraten-Steuerschaltung wie etwa den Rückkopplungskondensator 262 umfassen, die dazu ausgelegt ist, den Rückkopplungsstrom 272 zum Verringern des Referenzstroms 221 (in der zweiten Phase 152 der Einschaltzeitspanne) bereitzustellen. Außerdem kann der Anstiegsraten-Controller 200 eine Einschalt-Verbesserungsschaltung 303 umfassen, die dazu ausgelegt ist, die Zeitspanne der ersten und/oder der dritten Phase 151, 153 einer Einschaltzeitspanne des Ausgangsschalters 104 zu reduzieren.
Ein Beispiel für eine derartige Einschalt-Verbesserungsschaltung 303 ist in 3b dargestellt. Die Schaltung 303 umfasst einen Abtasttransistor 311 und einen Abtast-Vorspanntransistor 312, die dazu ausgelegt sind, den Strom durch den Verstärkertransistor 211 abzutasten. Eine Angabe 321 des Stroms durch den Verstärkertransistor 211 wird für eine Stromvergleichseinheit 315 (über einen Stromspiegel 313, 314) bereitgestellt. In dem dargestellten Beispiel sinkt die Angabe 321, wenn der Strom durch die Abtasttransistoren 311 steigt. Die Stromvergleichseinheit 315 kann dazu ausgelegt sein, einen Hilfsentladungsstrom 322 (hier auch als Hilfsstrom bezeichnet) in Abhängigkeit von dem abgetasteten Strom 321 bereitzustellen. Insbesondere kann die Stromvergleichseinheit 315 dazu ausgelegt sein, einen Hilfsentladungsstrom 322 dann bereitzustellen, wenn die Angabe 321 über einem vorbestimmten Stromschwellenwert liegt (wie es z. B. in der ersten Phase 151 der Fall ist). Auf diese Weise wird das Gate des Verstärkertransistors 211 unter Verwendung der Summe aus dem Referenzstrom 221 und dem Hilfsentladungsstrom 322 entladen, wodurch die Zeitspanne der ersten Phase 151 verringert wird. Andererseits kann die Stromvergleichseinheit 315 dazu ausgelegt sein, keinen Hilfsentladungsstrom 322 bereitzustellen, wenn die Angabe 321 unter dem vorbestimmten Stromschwellenwert liegt (wie es beispielsweise während der zweiten Phase 152 der Fall ist). Als Folge davon wird die zweite Phase 152 (und die Anstiegsratensteuerung) nicht von dem Hilfsentladungsstrom 322 beeinflusst.
3c zeigt ein Schaltbild einer beispielhaften Stromvergleichseinheit 315. Insbesondere zeigt 3c eine beispielhafte ”Winner-take-all”-Schaltung (WTA-Schaltung). Die WTA-Schaltung umfasst Transistoren 341, 342, 343, 344. Die Angabe 321 wird mit einem Schwellenstrom 351 verglichen. Wenn die Angabe 321 größer als der Schwellenstrom 351 ist, entspricht der Hilfsentladungsstrom 322 einem Steigerungsstrom 352, ansonsten wird der Hilfsentladungsstrom 322 auf null gesetzt.
Als Folge der Verwendung der Einschalt-Verbesserungsschaltung 303 von 3b wird das Gate des Verstärkertransistors 211 mit einer erhöhten Stromstärke entladen. Daher ist die zum Einschalten des Verstärkertransistors 211 benötigte Zeit und die Zeitspanne Tp1 der ersten Phase 151 verringert. Zu Beginn, wenn das Steuersignal 116 von dem niedrigen Pegel auf den hohen Pegel übergeht, sind der Verstärkertransistor 211 und der Abtasttransistor 311 ausgeschaltet und der Gesamtstrom durch den Vorspanntransistor 312 wird von dem Stromspiegel 313, 314 gespiegelt, um eine Angabe 321 bereitzustellen, die in Einheit 315 mit dem Schwellenstrom 351 verglichen wird. Der zusätzliche Hilfsentladungsstrom 322 (d. h. der Steigerungsstrom 352) entlädt das Gate des Verstärkertransistors 211 dann, wenn die Angabe 321 höher als der Schwellenstrom 351 ist. Wenn der Abtasttransistor 311 den Strom des Verstärkertransistors 211 abtastet und das Entladen des Gates des Verstärkertransistors 211 den Verstärkertransistor 211 einschaltet, steigt der Strom durch den Abtasttransistor 311 allmählich und folglich sinkt der Strom durch den Transistor 313. Die Stromsteigerung endet zu dem Zeitpunkt, an dem die Angabe 321 niedriger als der Schwellenstrom 351 ist.
5a zeigt eine weitere Implementierung einer WTA-Schaltung. Der Erfassungstransistor 311 erfasst den Strom durch den Verstärkertransistor 211 und der Transistor 313 wird dann, wenn der Stromfluss durch den Sensortransistor 311 höher als der Strom des Erfassungs-Vorspanntransistors 312 ist, ausgeschaltet und folglich wird der Hilfsentladungsstrom 322 null, (über die Stromspiegel 313, 314 und 515, 516) und die erste Phase 151 endet. Daher wirkt die Schaltung wie die Stromsteigerung, die in Zusammenhang mit 3c gezeigt ist.
In Anbetracht der Latenzzeit zum Einschalten des Ausgangsschalters 104 und zum Erzeugen des Rückkopplungsstroms 271, kann ein zweiter Referenzstrom 421 mit einer Verzögerung aktiviert werden, um einen Spitzenstrom durch den Ausgangsschalter 104 zu Beginn der zweiten Phase 152 zu verhindern. Der zweite Referenzstrom 421 (auch als Hilfsreferenzstrom bezeichnet) wird unter Verwendung einer zweiten Referenzstromquelle 401 (auch als Hilfsreferenzstromquelle bezeichnet) bereitgestellt. Der zweite Referenzstrom wird dann aktiviert, wenn die Gate-Spannung 115 des Ausgangsschalters 104 ausreichend hoch ist, um den Schalter 402 einzuschalten. Die zweite Phase 152 endet dann, wenn die Ausgangsspannung 114 bis zu der Drain-Spannung 112 des Ausgangsschalters 104 lädt.
5d zeigt Mittel zum Beschleunigen der dritten Phase 153. Zu einem Zeitpunkt, an dem der Ausgangskondensator 105 mit der maximalen Spannung (d. h. der Drain-Spannung 112) geladen worden ist, fällt die Stromstärke durch den Ausgangsschalter 104 allmählich Richtung 0 A. Das Gate des Ausgangsschalters 105 kann schneller aufgeladen werden, um die Zeitspanne Tp3 zu verringern und folglich die Gesamtzeitspanne Tp zu verringern. Der Anstiegsraten-Controller 200 kann einen Auslöserblock 581 umfassen, der dazu ausgelegt ist, die Ausgangsspannung 114 zu erfassen und immer dann, wenn die Ausgangsspannung 114 eine vorbestimmten Auslöserschwellenspannung überschreitet, kann der Transistor 580 aktiviert werden, der das Gate des Ausgangsschalters 104 auf die Steuerversorgungspannung 111 hochzieht.
Die Steuerversorgungsspannung 111 kann verrauscht sein. Dies kann Probleme für einen Anstiegsraten-Controller 200 verursachen, der einen Klasse-A-Verstärker 211, 212 verwendet. Insbesondere können Variationen der Steuerversorgungsspannung 111 den Stromfluss durch den Verstärkertransistor 211 verschlechtern. Auf der anderen Seite haben Simulationen gezeigt, dass die Controller 200, die im vorliegenden Dokument beschrieben sind, immun gegen geringe Variationen von bis zu 10 mV von Spitze zu Spitze sind.
Der PSRR (Versorgungsspannungsdurchgriff) kann mit einem Differenzverstärker 530 (z. B. einem Verstärker mit einer hohen Einsverstärkungs-Bandbreite) verbessert werden, der in 5a innerhalb der Rückkopplungsschleife des Controllers 200 gezeigt ist. Die Verstärkung des Differenzverstärkers 530 kann unwichtig sein, und ein diodengeschalteter Transistor 556, 557 kann als Last verwendet werden (siehe 5b), um die Verstärkung des Verstärkers 530 zu reduzieren. Folglich ist die Schleifenverstärkung verringert und die Stabilität der Steuerung 200 verbessert. Die Anstiegsratensteuerung beginnt dann, wenn das Steuersignal 116 von niedrig auf hoch schaltet. Der Knoten 533 (mit der ersten Spannung 542) ist mit einer Referenzspannung 511 vorgeladen worden und der Knoten 533 wird in der ersten Phase 151 durch den Referenzstrom 221 und durch den Hilfsentladungsstrom 322 entladen. In der zweiten Phase 152 wird der Knoten 533 mittels des Referenzstroms 221 weiter entladen, das Gate des Ausgangsschalters 104 wird aufgeladen und der Ausgangsschalter 104 wird eingeschaltet.
Mit anderen Worten nutzt der Controller 200 von 5a einen Differenzverstärker 530, der die Spannung 542 an einem ersten Knoten 533 mit einer Spannung 541 an einem zweiten Knoten vergleicht und der eine Differenzspannung 543 an dem Ausgang des Differenzverstärkers 530 erzeugt. Diese Differenzspannung 543 wird verwendet, um den Verstärkertransistor 211 (mittels des Master-Transistors 531 und des Slave-Transistors 531) zu steuern. Wie in 5b gezeigt umfasst der Differenzverstärker 530 eine Vorspannstromquelle 551, 552, 553, Eingangstransistoren 554, 555 und diodengeschaltete Transistoren 556, 557.
5c zeigt Simulationsergebnisse. Insbesondere zeigt 5c den Einschaltstrom 124, die Ausgangsspannung 114, die Gate-Spannung 115 und die Steuerversorgungsspannung 111 als Funktion der Zeit 581. Wie man sehen kann, ist die Steuerversorgungsspannung 111 (beispielsweise eine Ladepumpenspannung) nicht rein und weist relativ große Signalvariationen auf. Dennoch kann eine genaue Steuerung des Einschaltstroms 124 und der Anstiegsrate der Ausgangsspannung 114 unter Verwendung des im vorliegenden Dokument beschriebenen Controllers 200 erreicht werden.
6 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 600 zum Steuern eines Einschaltstroms durch einen Halbleiterausgangsschalter 104 (beispielsweise einen MOS-Transistor) während einer Einschaltzeitspanne des Ausgangsschalters 104. Der Ausgangsschalter 104 ist mit einem Ausgangskondensator 105 zwischen einer Ausgangsversorgungsspannung 112 und einer Masse 113 in Reihe geschaltet. Der Ausgangsschalter 104 umfasst einen Schaltersteueranschluss (beispielsweise ein Gate) zum Steuern eines Ausgangsstroms 124 durch den Schalter 104 und zum Steuern einer Ausgangsspannung 114 an einem Ausgangsknoten (beispielsweise einer Source des Ausgangsschalters 104) zwischen dem Ausgangsschalter 104 und dem Ausgangskondensator 105. Der Ausgangsstrom 124 kann auch als Einschaltstrom bzw. Drain-Source-Strom durch den Ausgangsschalter 104 bezeichnet werden.
Das Verfahren 600 umfasst ein Beziehen 601 eines Schaltersteuerstroms 172 an dem Schaltersteueranschluss aus einer Steuerversorgungsspannung 111 (insbesondere im Fall eines n-Typ-MOS-Ausgangsschalters 104) oder ein Abführen 601 eines Schaltersteuerstroms 172 aus dem Schaltersteueranschluss in Richtung der Masse 113 (insbesondere im Fall eines p-Typ-MOS-Ausgangsschalters 104) unter Verwendung eines Verstärkers 530, 211, 212, 532, 531. Als Ergebnis des Schaltersteuerstroms 172 kann ein Gate des Ausgangsschalters 104 geladen (im Fall eines NMOS-Ausgangsschalters) oder entladen (im Fall eines PMOS-Ausgangsschalters) werden, um den Ausgangsschalter 104 einzuschalten. Der Verstärker 530, 211, 212, 532, 531 liefert den Schaltersteuerstrom 172 direkt aus der Steuerversorgungsspannung 111 oder an die Masse 113, wodurch der Controller 200 unterschiedlich große Gate-Kapazitäten laden/entladen kann. Daher stellt der Verstärker eine Pufferfunktion bereit.
Der Schaltersteuerstrom 172 ist von einem Verstärkersteuerstrom 273 an einem Verstärkersteueranschluss 533 des Verstärkers 530, 211, 212, 532, 531 abhängig. Das Verfahren 600 umfasst ein Bereitstellen 602 eines Referenzstroms 221 an dem Verstärkersteueranschluss 533 gemäß einem Steuersignal 116, das angibt, dass der Ausgangsschalter 104 eingeschaltet werden soll. Der Verstärker 530, 211, 212, 532, 531 transformiert den Referenzstrom 221 in einen Schaltersteuerstrom 172 (gemäß einem Verstärkungsfaktor des Verstärkers 530, 211, 212, 532, 531), wodurch veranlasst wird, dass der Ausgangsschalter 104 eingeschaltet wird.
Das Verfahren 600 umfasst ferner ein Bereitstellen 603 eines Rückkopplungsstroms 272 an dem Verstärkersteueranschluss 533 in Abhängigkeit von einer Variation der Ausgangsspannung 114, wobei z. B. ein Rückkoppelkondensator 262 verwendet wird, der angeordnet ist, um den Ausgangsknoten mit dem Verstärkersteueranschluss 533 zu koppeln. Der Rückkopplungsstrom 272 wird typischerweise von dem Referenzstrom 221 im Falle einer Erhöhung der Ausgangsspannung 114 abgezogen. Als Folge davon wird der Nettostrom an dem Verstärkersteueranschluss 533 verringert, sobald der Ausgangsschalter 114 beginnt, sich einzuschalten. Daher werden die Anstiegsrate des Ausgangsschalters 114 und der Einschaltstrom 124 durch den Ausgangsschalter 114 gesteuert.
Die Systeme, die in diesem Dokument beschrieben worden sind, steuern den Einschaltstrom 124 durch den Ausgangsschalter 104. Die Controller 200 können für skalierbare Ausgangsschalter 104 verwendet werden, ohne dass die Notwendigkeit besteht, den Controller 200 und die Größe der Elemente (z. B. Transistoren und Rückkopplungskondensatoren des Controllers 200) zu ändern. Die Einschaltzeitspanne des Ausgangsschalters 104 kann unter Verwendung verschiedener Werte für den Referenzstrom 221, die zu verschiedenen Einschaltströmen 124 führen, gesteuert werden. Der Controller 200 ist unempfindlich gegen Variationen der Steuerversorgungsspannung 111. Die Systeme sind für die Steuerung eines NMOS-Schalters beschrieben worden. Es sollte beachtet werden, dass die Systeme auch für die Steuerung eines Ausgangs-PMOS-Schalters anwendbar sind. In diesem Fall müssen die in den Figuren des vorliegenden Dokuments dargestellten Transistoren möglicherweise wenigstens teilweise von NMOS in PMOS oder von PMOS in NMOS umgewandelt werden.
Es ist zu beachten, dass die Beschreibung und die Zeichnungen die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme lediglich veranschaulichen. Fachleute auf dem Gebiet werden in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die hier zwar nicht explizit beschrieben oder gezeigt sind; aber die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Gedanken und Umfang enthalten sind. Darüber hinaus sollen alle Beispiele und Ausführungsformen, die in dem vorliegenden Dokument dargelegt sind, hauptsächlich Erläuterungszwecken dienen, um dem Leser beim Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu helfen. Ferner sollen alle hier gemachten Aussagen, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung sowie spezifische Beispiele davon bereitstellen, deren Äquivalente umfassen.

Claims

Einschaltstrom-Controller (200), der dazu ausgelegt ist, einen Halbleiterausgangsschalter (104) einzuschalten, wobei der Ausgangsschalter (104) mit einem Ausgangskondensator (105) zwischen einer Ausgangsversorgungsspannung (112) und einer Masse (113) in Reihe geschaltet ist, wobei der Ausgangsschalter (104) einen Schaltersteueranschluss zum Steuern eines Ausgangsstroms (124) durch den Ausgangsschalter (104) und zum Steuern einer Ausgangsspannung (114) an einem Ausgangsknoten zwischen dem Ausgangsschalter (104) und dem Ausgangskondensator (105) umfasst, wobei der Controller (200) umfasst: – einen Verstärker (530, 211, 212, 532, 531), der dazu ausgelegt ist, einen Schaltersteuerstrom (172) an dem Schaltersteueranschluss aus einer Steuerversorgungsspannung (111) zu beziehen oder einen Schaltersteuerstrom (172) aus dem Schaltersteueranschluss in Richtung Masse (113) abzuführen, um den Ausgangsschalter (104) einzuschalten; wobei der Schaltersteuerstrom (172) von einem Verstärkersteuerstrom (272) an einem Verstärkersteueranschluss (533) abhängig ist; – eine Referenzstromquelle (201), die dazu ausgelegt ist, einen Referenzstrom (221) an dem Verstärkersteueranschluss (533) gemäß einem Steuersignal (116) bereitzustellen, das angibt, dass der Ausgangsschalter (104) eingeschaltet werden soll; und – einen Rückkopplungskondensator (262), der angeordnet ist, um den Ausgangsknoten mit dem Verstärkersteueranschluss (533) zu koppeln, und dazu ausgelegt ist, einen Rückkopplungsstrom (272) an dem Verstärkersteueranschluss (533) in Abhängigkeit von einer Variation der Ausgangsspannung (114) bereitzustellen, wobei der Rückkopplungsstrom (272) von dem Referenzstrom (221) abgezogen wird; und – einen Hilfsrückkopplungskondensator (261), der angeordnet ist, um den Schaltersteueranschluss mit dem Verstärkersteueranschluss (533) zu koppeln, und der dazu ausgelegt ist, einen Hilfsrückkopplungsstrom (271) an dem Verstärkersteueranschluss (533) in Abhängigkeit von einer Variation einer Schaltersteuerspannung (115) an dem Schaltersteueranschluss bereitzustellen, wobei der Hilfsrückkopplungsstrom (271) von dem Referenzstrom (221) abgezogen wird.
Einschaltstrom-Controller (200) nach Anspruch 1, wobei – der Verstärker (530, 211, 212, 532, 531) einen Verstärkertransistor (211) und einen Vorspanntransistor (212) umfasst, die zwischen der Steuerversorgungsspannung (111) und der Masse (212) in Reihe geschaltet sind; und – der Schaltersteueranschluss mit einem Mittelpunkt zwischen dem Verstärkertransistor (211) und dem Vorspanntransistor (212) gekoppelt ist.
Einschaltstrom-Controller (200) nach Anspruch 2, wobei – ein Strom durch den Verstärkertransistor (211) über einen Transistorsteueranschluss gesteuert wird; und – ein Strom an dem Transistorsteueranschluss von dem Referenzstrom (221) und dem Rückkopplungsstrom (272) abhängig ist.
Einschaltstrom-Controller (200) nach einem der Ansprüche 2 bis 3, wobei – der Verstärker (530, 211, 212, 532, 531) einen Differenzverstärker (530) umfasst, der dazu ausgelegt ist, eine Differenzspannung (532) in Abhängigkeit von dem Referenzstrom (221) und dem Rückkopplungsstrom (272) zu bestimmen; – ein Eingangsanschluss des Differenzverstärkers (530) dem Verstärkersteueranschluss (533) entspricht; und – der Verstärkertransistor (211) in Abhängigkeit von der Differenzspannung (532) gesteuert wird.
Einschaltstrom-Controller (200) nach Anspruch 4, wobei – der Verstärker (530, 211, 212, 532, 531) einen Master-Transistor (531) und einen Slave-Transistor (532) umfasst, die zwischen der Steuerversorgungsspannung (111) und der Masse (113) in Reihe geschaltet sind; – ein Strom durch den Master-Transistor (531) unter Verwendung der Differenzspannung (532) gesteuert wird; und – der Slave-Transistor (532) einen Stromspiegel mit dem Verstärkertransistor (211) bildet.
Einschaltstrom-Controller (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, der ferner umfasst: – Erfassungsmittel (311, 312), die dazu ausgelegt sind, eine Angabe (321) des Schaltersteuerstroms (172) an dem Schaltersteueranschluss bereitzustellen; und – Stromsteigerungsmittel (315, 515, 516), die dazu ausgelegt sind, einen Hilfsstrom (322) an dem Verstärkersteueranschluss (533) bereitzustellen, der dann zu dem Referenzstrom (221) hinzugefügt wird, wenn die Angabe (321) angibt, dass der Schaltersteuerstrom (172) unter einer vorbestimmten Stromschwelle liegt.
Einschaltstrom-Controller (200) nach Anspruch 6 unter Rückbezug auf Anspruch 2, wobei – die Erfassungsmittel (311, 312) einen Erfassungstransistor (311) und einen Erfassungs-Vorspanntransistor (312) umfassen, die zwischen der Steuerversorgungsspannung (111) und der Masse (113) in Reihe geschaltet sind; – die Angabe (321) des Schaltersteuerstroms (172) von einem Strom an einem Mittelpunkt zwischen dem Erfassungstransistor (311) und dem Erfassungs-Vorspanntransistor (312) abhängig ist; – ein Steueranschluss des Erfassungstransistors (311) mit einem Steueranschluss des Verstärkertransistors (211) gekoppelt ist; und – ein Steueranschluss des Erfassungs-Vorspanntransistors (312) mit einem Steueranschluss des Vorspanntransistors (212) gekoppelt ist.
Einschaltstrom-Controller (200) nach Anspruch 7, wobei – die Stromsteigerungsmittel (315, 515, 516) einen Stromspiegel (515, 516) umfassen; und/oder – die Stromsteigerungsmittel (315, 515, 516) einen Stromkomparator umfassen.
Einschaltstrom-Controller (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, der ferner eine Hilfsreferenzstromquelle (401, 402) umfasst, die dazu ausgelegt ist, einen Hilfsreferenzstrom (421) bereitzustellen, der dann zu dem Referenzstrom (221) hinzugefügt wird, wenn eine Schaltersteuerspannung (115) an dem Schaltersteueranschluss eine vorbestimmte Spannungsschwelle überschreitet.
Einschaltstrom-Controller (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei – der Ausgangsschalter (104) ein MOS-Transistor ist; und – der Schaltersteueranschluss ein Gate des Ausgangsschalters (104) ist.
Einschaltstrom-Controller (200) nach Anspruch 10 unter Rückbezug auf Anspruch 2, wobei – der Ausgangsschalter (104) ein n-Typ-MOS-Transistor ist; – der Verstärkertransistor (211) ein p-Typ-MOS-Transistor ist; und – ein Steueranschluss des Verstärkertransistors (211) ein Gate des Verstärkertransistors (211) umfasst.
Einschaltstrom-Controller (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Referenzstrom (221) ein Strom in Richtung der Masse (113) ist.
Einschaltstrom-Controller (200) nach einem der vorherigen Ansprüche, der ferner einen Steuerschalter (103) umfasst, der für Folgendes ausgelegt ist: – Koppeln des Verstärkersteueranschlusses (533) mit einem hohen Potential (111, 511), um den Ausgangsschalter (104) auszuschalten, und – Entkoppeln des Verstärkersteueranschlusses (533) von dem hohen Potential (111, 511), um den Ausgangsschalter (104) einzuschalten, so dass ein Strom an dem Verstärkersteueranschluss (533) von dem Referenzstrom (221) und dem Rückkopplungsstrom (272) abhängt.
Verfahren (600) zum Steuern eines Einschaltstroms durch einen Ausgangsschalter (104) während einer Einschaltzeitspanne des Ausgangsschalters (104), wobei der Ausgangsschalter (104) mit einem Ausgangskondensator (105) in Reihe geschaltet ist, wobei der Ausgangsschalter (104) einen Schaltersteueranschluss zum Steuern eines Ausgangsstroms (124) durch den Ausgangschalter (104) und zum Steuern einer Ausgangsspannung (114) an einem Ausgangsknoten zwischen dem Ausgangsschalter (104) und dem Ausgangskondensator (105) umfasst, wobei das Verfahren (600) umfasst: – Beziehen (601) eines Schaltersteuerstroms (172) an dem Schaltersteueranschluss oder Abführen (601) eines Schaltersteuerstroms (172) aus dem Schaltersteueranschluss unter Verwendung eines Verstärkers (530, 211, 212, 532, 531), um den Ausgangsschalter (104) einzuschalten; wobei der Schaltersteuerstrom (172) von einem Verstärkersteuerstrom (273) an einem Verstärkersteueranschluss (533) des Verstärkers (530, 211, 212, 532, 531) abhängig ist; – Bereitstellen (602) eines Referenzstroms (221) an dem Verstärkersteueranschluss (533), sofern ein Steuersignal (116) angibt, dass der Ausgangsschalter (104) eingeschaltet werden soll; – Bereitstellen (603) eines Rückkopplungsstroms (272) an dem Verstärkersteueranschluss (533) in Abhängigkeit von einer Variation der Ausgangsspannung (114); und – Bereitstellen eines Hilfsrückkopplungsstroms (271) an dem Verstärkersteueranschluss (533) in Abhängigkeit von einer Variation einer Schaltersteuerspannung (115) an dem Schaltersteueranschluss mittels eines Hilfsrückkopplungskondensator (261), der angeordnet ist, um den Schaltersteueranschluss mit dem Verstärkersteueranschluss (533) zu koppeln, wobei der Hilfsrückkopplungsstrom (271) von dem Referenzstrom (221) abgezogen wird.