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Technisches Gebiet
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Diese Anmeldung betrifft Spannungsreglerschaltungen und Verfahren zum Betreiben von Spannungsreglerschaltungen. Die Anmeldung betrifft insbesondere Low-Dropout-Reglerschaltungen und Verfahren zum Betreiben von Low-Dropout-Reglerschaltungen.
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Hintergrund
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Low-Dropout-Regler (LDOs – low-dropout regulators) sind in der Technik bekannt. 1 zeigt schematisch einen derartigen herkömmlichen LDO. Im Allgemeinen besteht der LDO von 1 aus einer Fehlerverstärkereingangsstufe, einer Common-Source-zweiten-Stufe, die das Fehlersignal in einen Strom umwandelt, und einem Stromspiegel zum Verstärken des Stroms in einem vorgegebenen Verhältnis zur Lieferung an die Ausgangslast. Im Einzelnen umfasst der LDO einen Eingangsanschluss 10, an den eine Eingangsspannung angelegt wird, und einen Ausgangsanschluss 20, an dem eine geregelte Ausgangsspannung ausgegeben wird, einen Fehlerverstärker 40 zum Empfangen einer Referenzspannung und eines vorgegebenen Anteils der Ausgangsspannung an seinen Eingangsanschlüssen, ein Schaltelement 45, das durch den Fehlerverstärker 40 gesteuert wird, und einen Stromspiegel 30, 35 zum Spiegeln eines Stroms, der durch das Schaltelement 45 fließt, an die Ausgangsanschlussseite zur Lieferung an eine Last, die mit dem Ausgangsanschluss 20 verbunden ist.
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Eine Schwellenspannung für die Eingangsspannung, oberhalb derer die Ausgangsspannung durch den LDO geregelt wird, ist abhängig von dem vorgegebenen Anteil der Ausgangsspannung, die an den Fehlerverstärker 40 angelegt wird, und von der Referenzspannung. Für Eingangsspannungen unterhalb der Schwellenspannung ist der LDO in dem Dropout-Modus (Dropout-Bedingung) und die Ausgangsspannung wird nicht geregelt. In diesem Fall ist das Schaltelement 45 vollständig offen, und der Strom I_diode, der durch das Schaltelement 45 fließt, wird nur durch den Ein-Zustand-Widerstand des Schaltelements 45 und den Diodespannungsabfall des Transistors 30 auf der Eingangsseite des Stromspiegels begrenzt (d. h. der Transistor des Stromspiegels, der den Eingangsstrom führt). Demgemäß ist der Ruhestrom des oben beschriebenen herkömmlichen LDOs vergleichsweise groß, was zu einem unerwünscht hohen Stromverbrauch des LDOs führt, auch für kleine Lastströme.
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Somit besteht ein Bedarf für einen verbesserten LDO, der einen reduzierten Ruhestromverbrauch hat, und für ein verbessertes Verfahren zum Betreiben (Steuern) eines LDOs, das einen Ruhestromverbrauch des LDOs reduziert. In anderen Worten, es besteht ein Bedarf für einen LDO, der energieeffizienter ist.
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Aus der Veröffentlichungsschrift
US 2012/0 262 137 A1 sind Verfahren und Schaltungen zur Begrenzung des ausgegebenen Laststroms eines stromgesteuerten LDO bekannt. Bei diesen ist ein zweiter Durchlasstransistor parallel zu einem ersten Durchlasstransistor angeordnet. Ein durch den zweiten Durchlasstransistor fließender Strom, der einen Bruchteil des durch den ersten Durchlasstransistor fließenden Stroms ausmacht, wird gemessen und mit einem Referenzstrom verglichen. Übersteigt der gemessene Strom den Referenzstrom, wird der durch die Gate-Anschlüsse der beiden Durchlasstransistoren fließende Strom verringert, und so der ausgegebene Laststrom des LDO verringert.
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Für weiteren bekannten Stand der Technik wird auf die Veröffentlichungsschriften
US 2006/0 208 770 A1 und
US 2015/0 015 331 A1 verwiesen.
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Zusammenfassung
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Im Hinblick auf diesen Bedarf schlägt das vorliegende Dokument eine Spannungsreglerschaltung und ein Verfahren zum Betreiben (Steuern) einer Spannungsreglerschaltung mit den Merkmalen der jeweiligen unabhängigen Ansprüche vor.
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Ein Aspekt der Offenbarung betrifft eine Spannungsreglerschaltung zur Regelung einer Ausgangsspannung in Abhängigkeit von einer Eingangsspannung. Die Spannungsreglerschaltung kann ein LDO sein. Die Spannungsreglerschaltung weist einen Ausgangsanschluss zum Ausgeben der Ausgangsspannung auf. Die Spannungsreglerschaltung weist weiter einen ersten Schaltungszweig auf, der zwischen einem Eingangsspannungspegel und dem Ausgangsanschluss verbunden ist. Die Spannungsreglerschaltung weist weiter einen zweiten Schaltungszweig auf, der zwischen dem Eingangsspannungspegel und einem vorgegebenen Spannungspegel verbunden ist. Der vorgegebene Spannungspegel kann dem Massespannungspegel (d. h. Masse) entsprechen. Der zweite Schaltungszweig weist ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement auf, die in Serie verbunden sind. Die Spannungsreglerschaltung weist weiter einen ersten Stromspiegel auf zum Spiegeln eines Stroms, der in dem zweiten Schaltungszweig fließt, an den ersten Schaltungszweig. Ein erstes Spiegelverhältnis des Stroms, der in dem ersten Schaltungszweigfließt, zu dem Strom, der in dem zweiten Schaltungszweigfließt, kann ein vorgegebenes Spiegelverhältnis sein (das heißt der Strom, der in dem ersten Schaltungszweig fließt, kann gegeben sein durch das vorgegebene Spiegelverhältnis multipliziert mit dem Strom, der in dem zweiten Schaltungszweig fließt). Das vorgegebene Spiegelverhältnis kann größer als 1 sein. Die Spannungsreglerschaltung weist weiter eine erste Rückkopplungsschaltung (erste Rückkopplungsschleife) auf zur Regelung der Ausgangsspannung durch Steuern (Ansteuern) des ersten Schaltelements in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung. Das Steuern des ersten Schaltelements kann weiter basierend auf einer vorgegebenen Referenzspannung durchgeführt werden. Die Spannungsreglerschaltung weist weiter eine zweite Rückkopplungsschaltung (zweite Rückkopplungsschleife) zum Steuern (Ansteuern) des zweiten Schaltelements auf. Die zweite Rückkopplungsschaltung weist ein Stromerfassungsmittel auf zum Erfassen eines Stroms, der von einem Strom abhängt, der in dem ersten Schaltungszweig fließt (zum Beispiel ein tatsächlicher Laststrom). Der von dem Stromerfassungsmittel erfasste Strom kann in einem vorgegebenen Verhältnis zu dem Strom sein, der in dem ersten Schaltungszweig fließt (d. h. der erfasste Strom kann gegeben sein durch das vorgegebene Verhältnis multipliziert mit dem Strom, der in dem ersten Schaltungszweig fließt). Das vorgegebene Verhältnis kann kleiner als 1 sein. Das vorgegebene Verhältnis kann das Inverse des vorgegebenen Spiegelverhältnisses (erstes Spiegelverhältnis) des ersten Stromspiegels sein. Die zweite Rückkopplungsschaltung ist konfiguriert zum Steuern des zweiten Schaltelements derart, dass der Strom, der durch den zweiten Schaltungszweig fließt, auf einen Strom begrenzt ist, der in einem vorgegebenen ersten Verhältnis zu dem Strom ist, der von dem Stromerfassungsmittel erfasst wird (d. h. der begrenzende Strom kann durch das vorgegebene erste Verhältnis multipliziert mit dem erfassten Strom gegeben sein). Das vorgegebene erste Verhältnis kann gleich oder größer als 1 sein. Das vorgegebene erste Verhältnis kann kleiner sein als das vorgegebene Spiegelverhältnis des ersten Stromspiegels.
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Wie oben konfiguriert, regelt die Spannungsreglerschaltung die Ausgangsspannung durch Steuerung des ersten Schaltelements während eines Betriebs in einem Regelungsmodus. In dem Dropout-Modus, d. h. wenn die Eingangsspannung unterhalb einer gegebenen Schwellenspannung für die Eingangsspannung ist, ist der Strom, der in dem zweiten Schaltungszweig fließt, durch das zweite Schaltelement in Abhängigkeit von dem erfassten Strom begrenzt. Dadurch kann der Strom, der in dem zweiten Schaltungszweig in dem Dropout-Modus fließt (d. h. der Ruhestrom), auf einen Betrag von Strom begrenzt sein, der zum Liefern eines gewünschten Laststroms an eine elektrische Last erforderlich ist, die mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist. Demgemäß ist ein Betrieb der Spannungsreglerschaltung in dem Regelungsmodus nicht betroffen und der Ruhestrom ist im Vergleich zu herkömmlichen Spannungsreglerschaltungen begrenzt. Für kleine Lastströme ist auch der Ruhestrom sehr gering. Dies führt zu einer Verbesserung der Energieeffizienz der Spannungsreglerschaltung im Vergleich zu herkömmlichen Spannungsreglerschaltungen.
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In Ausführungsbeispielen kann der erste Schaltungszweig eine Ausgangsdurchlassvorrichtung aufweisen, die zwischen dem Eingangsspannungspegel und dem Ausgangsanschluss verbunden ist. Die Ausgangsdurchlassvorrichtung kann durch einen ersten Transistor ausgeführt sein (zum Beispiel ein FET, insbesondere ein MOSFET, wie zum Beispiel ein PMOS oder ein NMOS), der zwischen dem Eingangsspannungspegel und dem Ausgangsanschluss verbunden ist. Der zweite Schaltungszweig kann einen zweiten Transistor (zum Beispiel einen FET, insbesondere einen MOSFET, wie zum Beispiel einen PMOS oder einen NMOS), einen dritten Transistor (zum Beispiel einen FET, insbesondere einen MOSFET, wie zum Beispiel einen PMOS oder einen NMOS) und einen vierten Transistor (zum Beispiel einen FET, insbesondere einen MOSFET, wie zum Beispiel einen PMOS oder einen NMOS) aufweisen, die in Serie verbunden sind. Die zweiten bis vierten Transistoren können zwischen dem Eingangsspannungspegel und dem vorgegebenen Spannungspegel in der Reihenfolge des zweiten Transistors, des dritten Transistors und des vierten Transistors verbunden sein. Der erste Transistor und der zweite Transistor können den ersten Stromspiegel bilden. Die Gate- und Drain-Anschlüsse des zweiten Transistors können miteinander verbunden sein (kurzgeschlossen). Der dritte Transistor kann als das erste Schaltelement wirken. Der vierte Transistor kann als das zweite Schaltelement wirken. Das Stromerfassungsmittel kann konfiguriert sein zum Erfassen eines Stroms, der von einem Strom abhängt, der durch den ersten Transistor fließt.
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Durch die obige Konfiguration kann die Spannungsreglerschaltung auf einfache Weise implementiert werden, unter Verwendung von leicht verfügbaren Standardkomponenten.
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In Ausführungsbeispielen kann das Stromerfassungsmittel derart konfiguriert sein, dass der Strom, der durch das Stromerfassungsmittel erfasst wird, in einem vorgegebenen zweiten Verhältnis zu dem Strom ist, der durch die Ausgangsdurchlassvorrichtung fließt (zum Beispiel der erste Transistor), d. h. der erfasste Strom kann gegeben sein durch das vorgegebene zweite Verhältnis multipliziert mit dem Strom, der durch die Ausgangsdurchlassvorrichtung fließt. Das vorgegebene zweite Verhältnis kann kleiner als 1 sein. Das vorgegebene zweite Verhältnis kann im Wesentlichen gleich zu dem Inversen des vorgegebenen Spiegelverhältnisses des ersten Stromspiegels sein. Das Inverse des vorgegebenen zweiten Verhältnisses kann größer sein als das vorgegebene erste Verhältnis, d. h. ein Produkt des vorgegebenen zweiten Verhältnisses und des vorgegebenen ersten Verhältnisses kann kleiner als 1 sein.
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In Ausführungsbeispielen kann die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein zum Steuern des zweiten Schaltelements (zum Beispiel der vierte Transistor) in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und einer Spannung an einem Ausgangsanschluss des Stromerfassungsmittels. Die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Stromerfassungsmittels kann abhängig sein von (kann zum Beispiel proportional sein) dem Strom, der in der Ausgangsdurchlassvorrichtung fließt (d. h. in dem ersten Schaltungszweig).
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Durch geeignete Wahl der obigen vorgegebenen Verhältnisse und Proportionalitätsfaktoren kann der Ruhestrom auf einen Wert begrenzt werden, der einen übermäßigen Stromverbrauch vermeidet, aber auf der anderen Seite eine Regelung der Ausgangsspannung während eines Betriebs in dem Regelungsmodus nicht behindert.
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In Ausführungsbeispielen kann die zweite Rückkopplungsschaltung einen dritten Schaltungszweig aufweisen, der zwischen dem Eingangsspannungspegel und dem vorgegebenen Spannungspegel verbunden ist. Der dritte Schaltungszweig kann einen fünften Transistor und einen sechsten Transistor aufweisen, die in Serie verbunden sind. Der fünfte Transistor kann als das Stromerfassungsmittel wirken. Der fünfte Transistor und der erste Transistor können konfiguriert sein zum Bilden eines zweiten Stromspiegels zum Spiegeln des Stroms, der durch den ersten Transistor fließt, an den fünften Transistor. In anderen Worten, der fünfte Transistor und der erste Transistor können derart verbunden sein, dass ein Strom, der durch den fünften Transistor fließt, in einem vorgegebenen Spiegelverhältnis des zweiten Stromspiegels (zweites Spiegelverhältnis) zu dem Strom ist, der durch den ersten Transistor fließt. Das vorgegebene Spiegelverhältnis des zweiten Stromspiegels kann das vorgegebene zweite Verhältnis sein. Der vierte Transistor und der sechste Transistor können konfiguriert sein zum Bilden eines dritten Stromspiegels zum Spiegeln des Stroms, der durch den sechsten Transistor fließt, an den vierten Transistor. In anderen Worten, der vierte Transistor und der sechste Transistor können derart verbunden sein, dass ein Strom, der durch den vierten Transistor fließt, in einem vorgegebenen dritten Verhältnis (drittes Spiegelverhältnis) zu dem Strom ist, der durch den sechsten Transistor fließt. Das vorgegebene dritte Verhältnis kann gleich dem vorgegebenen ersten Verhältnis sein. Die zweite Rückkopplungsschaltung kann konfiguriert sein zum Steuern des sechsten Transistors in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und einer Spannung an einem Ausgangsanschluss des fünften Transistors, der als das Stromerfassungsmittel wirkt (zum Beispiel eine Spannung an einem Zwischenknoten zwischen dem fünften Transistor und dem sechsten Transistor). Die Spannung kann abhängig sein (zum Beispiel proportional sein) von dem Strom, der in der Ausgangsdurchlassvorrichtung fließt (d. h. in dem ersten Schaltungszweig). Aufgrund dessen, dass die vierten und sechsten Transistoren den dritten Stromspiegel bilden, kann die zweite Rückkopplungsschaltung weiter konfiguriert sein zum Steuern des vierten Transistors in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und der Spannung an dem Zwischenknoten zwischen dem fünften Transistor und dem sechsten Transistor. Die zweite Rückkopplungsschaltung kann somit konfiguriert sein zum Durchführen der Steuerung basierend auf der Ausgangsspannung und einem Spannungsabfall über das Stromerfassungsmittel.
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In Ausführungsbeispielen kann die zweite Rückkopplungsschaltung konfiguriert sein zur Ausgabe einer Ansteuerspannung zum Ansteuern des sechsten Transistors in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und der Spannung an dem Zwischenknoten. Die zweite Rückkopplungsschaltung kann weiter konfiguriert sein zum Ansteuern des sechsten Transistors durch Anlegen der Ansteuerspannung an einen Steueranschluss des sechsten Transistors derart, dass der Strom, der durch den vierten Transistor fließt, zunimmt, wenn die Ausgangsspannung abnimmt, und zum Ansteuern des sechsten Transistors derart, dass der Strom, der durch den vierten Transistor fließt, abnimmt, wenn die Ausgangsspannung zunimmt. Die zweite Rückkopplungsschaltung kann weiter die Ansteuerspannung an einen Steueranschluss des vierten Transistors (zweites Schaltelement) anlegen.
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In Ausführungsbeispielen kann die Spannungsreglerschaltung weiter einen ersten Fehlerverstärker aufweisen zum Empfangen einer Spannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und einer Spannung in Abhängigkeit von der Spannung an dem Zwischenknoten an seinen positiven und negativen Eingangsanschlüssen. Ein Ausgangsanschluss des ersten Fehlerverstärkers kann mit dem Steueranschluss des sechsten Transistors verbunden sein. Der Ausgangsanschluss kann weiter mit einem Steueranschluss des vierten Transistors (zweites Schaltelement) verbunden sein. Der zweite Fehlerverstärker kann in der ersten Rückkopplungsschaltung enthalten sein.
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In Ausführungsbeispielen kann die Spannungsreglerschaltung weiter eine Stromförderschaltung aufweisen zum Empfangen einer Spannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und einer Spannung in Abhängigkeit von der Spannung an dem Zwischenknoten an ihren Eingangsanschlüssen. Die Spannung an dem Zwischenknoten kann die Spannung an dem Ausgang des Stromerfassungsmittels sein. Die Stromförderschaltung kann als der erste Fehlerverstärker wirken (ersetzen). Ein Ausgangsanschluss der Stromförderschaltung kann mit dem Steueranschluss des sechsten Transistors verbunden sein. Der Ausgangsanschluss kann weiter mit dem Steueranschluss des zweiten Schaltelements (zum Beispiel der vierte Transistor) verbunden sein. Die Stromförderschaltung kann konfiguriert sein zum Gleichmachen einer Spannung an ihrem ersten Eingangsanschluss mit einer Spannung, die an ihrem zweiten Eingangsanschluss angelegt wird. Die Spannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung kann an den zweiten Eingangsanschluss der Stromförderschaltung angelegt werden.
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In Ausführungsbeispielen kann die Stromförderschaltung einen vierten Schaltungszweig aufweisen, der zwischen dem Ausgangsanschluss und dem vorgegebenen Spannungspegel verbunden ist. Die Stromförderschaltung kann weiter einen fünften Schaltungszweig aufweisen, der zwischen dem Zwischenknoten (d. h. dem Ausgangsanschluss des Stromerfassungsmittels) und dem vorgegebenen Spannungspegel verbunden ist. Der vierte Schaltungszweig kann einen siebten Transistor und eine erste Stromsenke aufweisen, die in Serie verbunden sind. Der fünfte Schaltungszweig kann einen achten Transistor und eine zweite Stromsenke aufweisen, die in Serie verbunden sind. Steueranschlüsse der siebten und achten Transistoren können miteinander verbunden sein. Ein Gate-Anschluss und ein Drain-Anschluss des siebten Transistors können miteinander verbunden sein (kurzgeschlossen). Der Ausgangsanschluss der Stromförderschaltung kann zwischen dem achten Transistor und der zweiten Stromsenke angeordnet sein. Die ersten und zweiten Stromsenken können hin zu dem vorgegebenen Spannungspegel angeordnet sein (zum Beispiel Masse). Weiter können die ersten und zweiten Stromsenken konfiguriert sein zum Beziehen von jeweiligen Strömen aus dem siebten Transistor und dem achten Transistor.
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In Ausführungsbeispielen kann die Spannungsreglerschaltung weiter eine Stromförderschaltung aufweisen zum Empfangen einer Spannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und einer Spannung in Abhängigkeit von der Spannung an dem Zwischenknoten an ihren Eingangsanschlüssen. Die Stromförderschaltung kann einen vierten Schaltungszweig aufweisen, der zwischen dem Ausgangsanschluss und dem vorgegebenen Spannungspegel verbunden ist. Die Stromförderschaltung kann weiter einen fünften Schaltungszweig aufweisen, der zwischen dem Zwischenknoten (d. h. dem Ausgangsanschluss des Stromerfassungsmittels) und dem vorgegebenen Spannungspegel verbunden ist. Der vierte Schaltungszweig kann einen siebten Transistor und eine erste Stromsenke aufweisen, die in Serie verbunden sind. Der fünfte Schaltungszweig kann einen achten Transistor und eine zweite Stromsenke aufweisen, die in Serie verbunden sind. Steueranschlüsse der siebten und achten Transistoren können miteinander verbunden sein. Weiter können die Steueranschlüsse mit einem Drain-Anschluss des achten Transistors verbunden sein. Die Spannungsreglerschaltung kann weiter einen neunten Transistor aufweisen, der in dem dritten Schaltungszweig angeordnet ist. Ein Ausgangsanschluss der Stromfördererschaltung kann mit einem Steueranschluss des neunten Transistors verbunden sein. Zum Beispiel kann der Steueranschluss des neunten Transistors mit einem Knoten zwischen dem siebten Transistor und der ersten Stromsenke verbunden sein. Die ersten und zweiten Stromsenken können hin zu dem vorgegebenen Spannungspegel angeordnet sein (zum Beispiel Masse). Weiter können die ersten und zweiten Stromsenken konfiguriert sein zum Beziehen (Pull) von jeweiligen Strömen aus dem siebten Transistor und dem achten Transistor. Ein Gate-Anschluss und ein Drain-Anschluss des sechsten Transistors können miteinander verbunden sein (kurzgeschlossen).
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Durch Vorsehen einer Stromförderschaltung kann die zweite Rückkopplungsschaltung auf eine einfache und zuverlässige Weise implementiert werden.
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In Ausführungsbeispielen kann die Spannungsreglerschaltung weiter einen zweiten Fehlerverstärker aufweisen zum Steuern des ersten Schaltelements (zum Beispiel den dritten Transistor). Der zweite Fehlerverstärker kann eine Referenzspannung und eine Spannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung (zum Beispiel eine Spannung, die ein vorgegebener Anteil der Ausgangsspannung ist) an seinen positiven und negativen Eingangsanschlüssen empfangen. Ein Ausgangsanschluss des zweiten Fehlerverstärkers kann mit einem Steueranschluss des ersten Schaltelements verbunden sein. Die Referenzspannung kann an den positiven (d. h. nicht-invertierenden) Eingangsanschluss des zweiten Fehlerverstärkers geliefert werden und die Spannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung kann an den negativen (d. h. invertierenden) Eingangsanschluss des zweiten Fehlerverstärkers geliefert werden. Der zweite Fehlerverstärker kann in der ersten Rückkopplungsschaltung enthalten sein. Die Spannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung kann proportional sein zu der Ausgangsspannung, kann zum Beispiel ein Anteil der Ausgangsspannung sein. Zu diesem Zweck kann die Ausgangsspannung an einen Spannungsteiler angelegt werden, zum Beispiel eine Serienverbindung von Widerständen, die zwischen der Ausgangsspannung und dem vorgegebenen Spannungspegel verbunden sind.
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Wie oben konfiguriert, ist die Spannungsreglerschaltung in der Lage zum genauen Regeln der Ausgangsspannung auf einen Sollwert, der von dem Proportionalitätsfaktor zwischen der Spannung in Abhängigkeit der Ausgangsspannung und der Ausgangsspannung selbst abhängt, und von der Referenzspannung.
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Ein weiterer Aspekt der Offenbarung betrifft ein Verfahren zum Betreiben einer Spannungsreglerschaltung zum Ausgeben einer geregelten Ausgangsspannung. Die Spannungsreglerschaltung weist einen Ausgangsanschluss zum Ausgeben der Ausgangsspannung auf. Die Spannungsreglerschaltung weist weiter einen ersten Schaltungszweig auf, der zwischen einem Eingangsspannungspegel und dem Ausgangsanschluss verbunden ist. Die Spannungsreglerschaltung weist weiter einen zweiten Schaltungszweig auf, der zwischen dem Eingangsspannungspegel und einem vorgegebenen Spannungspegel verbunden ist. Der vorgegebene Spannungspegel kann dem Massespannungspegel (d. h. Masse) entsprechen. Der zweite Schaltungszweig weist ein erstes Schaltelement und ein zweites Schaltelement auf, die in Serie verbunden sind. Das Verfahren weist ein Spiegeln eines Stroms, der in dem zweiten Schaltungszweigfließt, an den ersten Schaltungszweig auf. Ein erstes Spiegelverhältnis (erstes Spiegelverhältnis) des Stroms, der in dem ersten Schaltungszweig fließt, zu dem Strom, der in dem zweiten Schaltungszweig fließt, kann ein vorgegebenes Spiegelverhältnis sein (das heißt der Strom, der in dem ersten Schaltungszweig fließt, kann gegeben sein durch das vorgegebene Spiegelverhältnis multipliziert mit dem Strom, der in dem zweiten Schaltungszweig fließt). Das vorgegebene Spiegelverhältnis kann größer als 1 sein. Das Verfahren weist weiter ein Regeln der Ausgangsspannung durch Steuern des ersten Schaltelements in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung auf. Das Steuern des ersten Schaltelements kann weiter basierend auf einer vorgegebenen Referenzspannung durchgeführt werden. Das Verfahren weist weiter ein Erfassen eines Stroms auf, der von einem Strom abhängt, der durch den ersten Schaltungszweigfließt (zum Beispiel ein tatsächlicher Laststrom). Der Strom, der durch das Stromerfassungsmittel erfasst wird, kann in einem vorgegebenen Verhältnis zu dem Strom sein, der in dem ersten Schaltungszweig fließt (d. h. der erfasste Strom kann gegeben sein von dem vorgegebenen Verhältnis multipliziert mit dem Strom, der in dem ersten Schaltungszweig fließt). Das vorgegebene Verhältnis kann kleiner als 1 sein. Das vorgegebene Verhältnis kann das Inverse des vorgegebenen Spiegelverhältnisses des ersten Stromspiegels sein. Das Verfahren weist weiter auf ein Steuern des zweiten Schaltelements derart, dass der Strom, der durch den zweiten Schaltungszweig fließt, auf einen Strom begrenzt ist, der in einem vorgegebenen ersten Verhältnis zu dem erfassten Strom ist (d. h. der begrenzende Strom kann durch das vorgegebene erste Verhältnis multipliziert mit dem erfassten Strom gegeben werden). Das vorgegebene erste Verhältnis kann gleich oder größer als 1 sein. Das vorgegebene erste Verhältnis kann kleiner als das vorgegebene erste Spiegelverhältnis sein.
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In Ausführungsbeispielen kann der erste Schaltungszweig eine Ausgangsdurchlassvorrichtung aufweisen, die zwischen dem Eingangsspannungspegel und dem Ausgangsanschluss verbunden ist. Die Ausgangsdurchlassvorrichtung kann durch einen ersten Transistor ausgeführt sein (zum Beispiel ein FET, insbesondere ein MOSFET, wie zum Beispiel ein PMOS oder ein NMOS), der zwischen dem Eingangsspannungspegel und dem Ausgangsanschluss verbunden ist. Ein Erfassen des Stroms kann durchgeführt werden derart, dass der erfasste Strom von dem Strom abhängt, der durch den ersten Transistor fließt.
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In Ausführungsbeispielen kann die Spannungsreglerschaltung einen zweiten Transistor aufweisen (zum Beispiel ein FET, insbesondere ein MOSFET, wie zum Beispiel ein PMOS oder ein NMOS), der einen Stromspiegel mit der Ausgangsdurchlassvorrichtung (zum Beispiel der erste Transistor) bildet und der als ein Stromerfassungsmittel zum Erfassen des Stroms wirkt. Der zweite Transistor kann dem fünften Transistor entsprechen, der in dem obigen Aspekt beschrieben wurde. Dadurch kann der Strom, der in der Ausgangsdurchlassvorrichtung fließt, an das Stromerfassungsmittel in einem vorgegebenen zweiten Spiegelverhältnis gespiegelt werden, d. h. der erfasste Strom kann gegeben sein durch das vorgegebene zweite Spiegelverhältnis multipliziert mit dem Strom, der in der Ausgangsdurchlassvorrichtung fließt. Das vorgegebene zweite Spiegelverhältnis kann kleiner als 1 sein. Weiter kann das vorgegebene zweite Spiegelverhältnis im Wesentlichen das Inverse des ersten Spiegelverhältnisses sein. Dann kann ein Steuern des zweiten Schaltelements in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und einer Spannung an einem Ausgangsanschluss des Stromerfassungsmittels (zum Beispiel der zweite Transistor) durchgeführt werden. Die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Stromerfassungsmittels kann abhängig sein (zum Beispiel proportional sein) von dem Strom, der in der Ausgangsdurchlassvorrichtung (d. h. in dem ersten Schaltungszweig) fließt.
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In Ausführungsbeispielen kann die Spannungsreglerschaltung weiter einen dritten Schaltungszweig aufweisen, der zwischen dem Eingangsspannungspegel und dem vorgegebenen Spannungspegel verbunden ist. Der dritte Schaltungszweig kann den zweiten Transistor und einen dritten Transistor (zum Beispiel ein FET, insbesondere ein MOSFET, wie zum Beispiel ein PMOS oder ein NMOS) aufweisen, die in Serie verbunden sind. Der dritte Transistor kann dem sechsten Transistor entsprechen, der in dem obigen Aspekt beschrieben wurde. Das Verfahren kann weiter ein Spiegeln eines Stroms, der in dem dritten Schaltungszweig fließt, an den zweiten Schaltungszweig aufweisen. Ein vorgegebenes drittes Spiegelverhältnis für das Spiegeln kann gleich oder größer als 1 sein. Das Verfahren kann weiter aufweisen ein Steuern des dritten Transistors in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und einer Spannung an einem Zwischenknoten zwischen dem zweiten Transistor und dem dritten Transistor.
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In Ausführungsbeispielen kann das Verfahren weiter ein Erzeugen einer Ansteuerspannung zum Ansteuern des dritten Transistors in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und der Spannung an dem Zwischenknoten aufweisen. Ein Erzeugen der Ansteuerspannung kann derart durchgeführt werden, dass der Strom, der durch das zweite Schaltelement fließt, zunimmt, wenn die Ausgangsspannung abnimmt, und dass der Strom, der durch das zweite Schaltelement fließt, abnimmt, wenn die Ausgangsspannung zunimmt.
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Es ist offensichtlich, dass Verfahrensschritte und Vorrichtungsmerkmale auf vielfältige Weise untereinander ausgetauscht werden können. Insbesondere können die Details der offenbarten Vorrichtung als ein Verfahren implementiert werden, wie für Fachleute offensichtlich ist.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei
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1 schematisch eine Spannungsreglerschaltung zeigt, auf die Beispiele der Offenbarung angewendet werden können,
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2 schematisch ein Beispiel einer Spannungsreglerschaltung gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung zeigt,
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3 schematisch ein weiteres Beispiel einer Spannungsreglerschaltung gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung zeigt,
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4 schematisch ein weiteres Beispiel einer Spannungsreglerschaltung gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung zeigt, und
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5 ein beispielhaftes Diagramm ist, das relevante Spannungen und Ströme in Spannungsreglerschaltungen gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
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2 zeigt schematisch ein Beispiel einer Spannungsreglerschaltung 1 gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung. Die Spannungsreglerschaltung 1 kann einen Eingangsanschluss 10 zum Empfangen einer Eingangsspannung V_in und einen Ausgangsanschluss 20 zum Ausgeben einer geregelten Ausgangsspannung V_out aufweisen. Der Ausgangsanschluss 20 kann mit dem Eingangsspannungspegel (d. h. mit dem Spannungspegel des Eingangsanschlusses 10) über einen ersten Schaltungszweig 100 verbunden sein. Der erste Schaltungszweig 100 kann eine Ausgangsdurchlassvorrichtung aufweisen, zum Beispiel einen ersten Transistor 35. Die Spannungsreglerschaltung 1 kann weiter einen zweiten Schaltungszweig 200 aufweisen, der zwischen dem Eingangsspannungspegel und einem vorgegebenen Spannungspegel (zum Beispiel Masse) verbunden ist. Der zweite Schaltungszweig 200 kann zweite bis vierte Transistoren 30, 45, 70 aufweisen, die in Serie verbunden sind, von denen der dritte Transistor 45 beispielhaft ein erstes Schaltelement verkörpert und der vierte Transistor 70 beispielhaft ein zweites Schaltelement verkörpert. Dabei sollen die Schaltelemente nicht als auf tatsächliche Schalter begrenzt angesehen werden, die einen Ein-Zustand (offener Zustand) und einen Aus-Zustand (geschlossener Zustand) annehmen können, sondern sich auch auf Elemente beziehen, die zwischenliegende (leitende) Zustände zwischen diesen zwei Zuständen annehmen können. Ein nicht-begrenzendes Beispiel für ein Schaltelement in dem Kontext der vorliegenden Offenbarung ist ein Transistor.
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Die ersten und zweiten Transistoren 35, 30 können einen ersten Stromspiegel bilden, der konfiguriert ist zum Spiegeln eines Stroms, der in dem zweiten Transistor 30 fließt (das heißt in dem zweiten Schaltungszweig 200), an den ersten Transistor 35 (d. h. an den ersten Schaltungszweig 100). Zu diesem Zweck können die Steueranschlüsse (zum Beispiel Gate-Anschlüsse) der ersten und zweiten Transistoren 35, 30 miteinander verbunden sein. Weiter kann ein Drain-Anschluss des zweiten Transistors 30 mit dem Steueranschluss des zweiten Transistors 30 verbunden sein. Ein erstes Spiegelverhältnis R1 des ersten Stromspiegels kann durch M gegeben sein (d. h. M:1). Demgemäß kann der Strom I_out, der in dem ersten Transistor 35 fließt, durch das erste Spiegelverhältnis R1 multipliziert mit dem Strom I_diode, der in dem zweiten Transistor 30 fließt, gegeben sein. Das heißt, I_out = M·I_diode. M kann größer als 1 gewählt sein.
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Die Spannungsreglerschaltung 1 kann weiter eine erste Rückkopplungsschaltung zum Steuern (Ansteuern) des ersten Schaltelements aufweisen. Die erste Rückkopplungsschaltung kann das erste Schaltelement in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung steuern. Die erste Rückkopplungsschaltung kann das erste Schaltelement weiter in Abhängigkeit von einer Referenzspannung V_ref für die geregelte Ausgangsspannung steuern. Die erste Rückkopplungsschaltung kann einen Fehlerverstärker 40 (zweiter Fehlerverstärker in den Ansprüchen) aufweisen zum Erzeugen einer Steuerspannung (Ansteuerspannung) für den dritten Transistor 45, die an einen Steueranschluss des dritten Transistors 45 angelegt wird. Der Fehlerverstärker 40 der ersten Rückkopplungsschaltung kann eine Spannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und der Referenzspannung an seinen Eingangsanschlüssen empfangen. Die Spannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung kann ein vorgegebener Anteil der Ausgangsspannung sein. Der vorgegebene Anteil kann durch einen Spannungsteiler erlangt werden, der zwei oder mehr Widerstände aufweist, die zwischen der Ausgangsspannung und dem vorgegebenen Spannungspegel verbunden sind. Die Referenzspannung kann an den positiven (d. h. nicht-invertierenden) Eingangsanschluss des Fehlerverstärkers 40 der ersten Rückkopplungsschaltung geliefert werden und die Spannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung kann an den negativen (d. h. invertierenden) Eingangsanschluss geliefert werden.
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Wie oben konfiguriert, kann der dritte Transistor 45 dazu gebracht (biased) werden, in dem (vollständig) offenen Zustand zu sein, wenn die Eingangsspannung unterhalb einer gegebenen Schwellenspannung ist. In diesem Fall wird die Ausgangsspannung nicht geregelt und ist im Wesentlichen gleich zu der Eingangsspannung (minus einem möglichen Spannungsabfall an der Ausgangsdurchlassvorrichtung). Diese Bedingung wird als die Dropout-Bedingung bezeichnet. Die Schwellenspannung wird durch eine Funktion der Referenzspannung und des Anteils der Ausgangsspannung gegeben, die an den Fehlerverstärker 40 der ersten Rückkopplungsschaltung geliefert wird. Sobald die Eingangsspannung über die Schwellenspannung ansteigt, kann der Fehlerverstärker 40 den dritten Transistor 45 in dem linearen Bereich in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung ansteuern und dadurch den Strom I_diode steuern, der in dem zweiten Schaltungszweig 200 fließt. Dadurch, dass der erste Stromspiegel den Strom in dem zweiten Schaltungszweig 200 an den ersten Schaltungszweig 100 spiegelt, kann die Ausgangsspannung durch Steuern des Stroms geregelt werden, der in den zweiten Schaltungszweig 200 fließt.
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Ein Beispiel für eine Steuerung des ersten Schaltelements durch die erste Rückkopplungsschaltung für die Spannungsreglerschaltung 1 in dem Regelungsmodus wird im Folgenden beschrieben. Es wird angenommen, dass die Ausgangsspannung V_out um einen Betrag fällt, zum Beispiel aufgrund einer Änderung der Last, die an den Ausgangsanschluss 20 angelegt wird. Dann wird die Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers 40 positiver und das erste Schaltelement wird gesteuert, um einen kleineren Widerstand zu haben (d. h. offener zu sein). Da das erste Schaltelement offener ist, nimmt der Strom in dem zweiten Schaltungszweig 200 zu, und durch den Betrieb des ersten Stromspiegels nimmt auch der Strom zu, der in dem ersten Schaltungszweig 100 fließt, d. h. der Ausgangsstrom I_out nimmt zu. Folglich nimmt die Ausgangsspannung V_out zu. Für ein anfängliches Ansteigen der Ausgangsspannung V_out würden die oben beschriebenen Änderungen der Quantitäten umgekehrt.
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Die Spannungsreglerschaltung 1 kann weiter eine zweite Rückkopplungsschaltung aufweisen zum Steuern (Ansteuern) des zweiten Schaltelements (zum Beispiel der vierte Transistor 70). Die zweite Rückkopplungsschaltung kann ein Stromerfassungsmittel aufweisen zum Erfassen eines Stroms I_sense in Abhängigkeit von dem Strom I_out, der in dem ersten Schaltungszweig 100 fließt. Der erfasste Strom I_sense kann proportional zu dem Strom I_out sein, der durch den ersten Schaltungszweig 100 fließt. Zum Beispiel kann der erfasste Strom in einem vorgegebenen Verhältnis (vorgegebenes zweites Verhältnis in den Ansprüchen) zu dem Strom sein, der in dem ersten Schaltungszweig 100 fließt. Die zweite Rückkopplungsschaltung kann konfiguriert sein zum Steuern des zweiten Schaltelements derart, dass ein Strom, der durch das zweite Schaltelement fließt, auf einen Strom begrenzt ist (begrenzender Strom I_limit), der von dem erfassten Strom abhängt, zum Beispiel proportional zu dem erfassten Strom ist. Die zweite Rückkopplungsschaltung kann das zweite Schaltelement in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und einer Spannung an einem Ausgangsanschluss des Stromerfassungsmittels steuern. Die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Stromerfassungsmittels kann proportional zu dem Strom sein, der in dem ersten Schaltungszweig 100 fließt.
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Die zweite Rückkopplungsschaltung kann einen dritten Schaltungszweig 300 aufweisen, der einen fünften Transistor 50 aufweist, der beispielhaft das Stromerfassungsmittel verkörpert. Der fünfte Transistor 50 und der erste Transistor 35 können einen zweiten Stromspiegel bilden zum Spiegeln des Stroms, der in dem ersten Transistor 35 fließt (d. h. in dem ersten Schaltungszweig 100), an den fünften Transistor 50 (d. h. den dritten Schaltungszweig 300). Zu diesem Zweck können die Steueranschlüsse (zum Beispiel Gate-Anschlüsse) der ersten und fünften Transistoren 35, 50 miteinander verbunden sein. Der zweite Stromspiegel kann ein zweites Spiegelverhältnis R2 haben. Demgemäß kann der Strom I_out, der in dem fünften Transistor 50 fließt, gegeben sein durch das zweite Spiegelverhältnis R2 multipliziert mit dem Strom I_out, der in dem ersten Transistor 35 fließt. Das zweite Spiegelverhältnis R2 des zweiten Stromspiegels kann kleiner als 1 sein. Zum Beispiel kann das zweite Spiegelverhältnis durch 1/M (d. h. 1:M) gegeben sein. In diesem Fall ist I_sense = 1/M·I_out, so dass der erfasste Strom I_sense im Wesentlichen gleich zu dem Strom I_diode ist, der in dem zweiten Schaltungszweig 200 fließt.
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Der dritte Schaltungszweig 300 kann weiter einen sechsten Transistor 60 aufweisen, der in Serie mit dem fünften Transistor 50 verbunden ist. Demgemäß kann der sechste Transistor 60 den gleichen Strom wie der fünfte Transistor 50 leiten, das heißt den erfassten Strom I_sense. Der sechste Transistor 60 kann näher an dem vorgegebenen Spannungspegel als der fünfte Transistor 50 angeordnet sein. Der sechste Transistor 60 kann einen dritten Stromspiegel mit dem vierten Transistor 70 (der beispielhaft das zweiten Schaltelement verkörpert) bilden zum Spiegeln eines Stroms, der durch den sechsten Transistor 60 fließt (d. h. in dem dritten Schaltungszweig 300), an den vierten Transistor 70 (d. h. an den zweiten Schaltungszweig 200). Der dritte Stromspiegel kann ein drittes Spiegelverhältnis R3 haben derart, dass der Strom, der möglicherweise durch den vierten Transistor 70 fließt (begrenzender Strom I_limit), gegeben ist durch das dritte Spiegelverhältnis R3 multipliziert mit dem Strom I_sense, der durch den sechsten Transistor 60 fließt. Insbesondere kann, abhängig von dem Durchlasswiderstand des dritten Transistors 45, der Strom, der in dem zweiten Schaltungszweig 200 fließt, kleiner sein als der begrenzende Strom. Demgemäß kann somit der Strom, der in dem zweiten Schaltungszweig 200 fließt, auf einen Strom begrenzt sein, der von dem erfassten Strom abhängt, d. h. in einem vorgegebenen ersten Verhältnis zu dem erfassten Strom ist. Das vorgegebene erste Verhältnis kann durch das dritte Spiegelverhältnis R3 des dritten Stromspiegels gegeben sein. Das dritte Spiegelverhältnis kann durch N gegeben sein, das gleich oder größer als 1 ist. Weiter kann N kleiner als M sein, wie oben definiert. Der Grund für ein Auswählen von N größer als 1 ist, einen gewissen Spielraum bei der Steuerung der geregelten Ausgangsspannung zu haben, d. h. einen Fall zu vermeiden, bei dem der Strom, der durch den zweiten Schaltungszweig 200 fließt, auf einen Strom begrenzt ist, der zu klein ist, um einen ausreichenden Laststrom I_out vorzusehen.
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Die zweite Rückkopplungsschaltung kann weiter einen Fehlerverstärker 80 aufweisen (erster Fehlerverstärker in den Ansprüchen). Der Fehlerverstärker 80 kann den sechsten Transistor 60 (und demgemäß auch den vierten Transistor 70) durch Anlegen einer Ansteuerspannung an einen Steueranschluss des sechsten Transistors 60 steuern. Der Fehlerverstärker 80 kann den sechsten Transistor 60 in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und einer Spannung an einem Ausgangsanschluss des Stromerfassungsmittels steuern. Die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Stromerfassungsmittels kann eine Spannung an einem Zwischenknoten zwischen dem fünften Transistor 50 und dem sechsten Transistor 60 sein, zum Beispiel eine Spannung an einem Drain-Anschluss des fünften Transistors 50. Der Fehlerverstärker 80 kann die Ausgangsspannung und die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Stromerfassungsmittels an seinen Eingangsanschlüssen empfangen, zum Beispiel die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Stromerfassungsmittels an seinem positiven (d. h. nicht-invertierenden) Eingangsanschluss und die Ausgangsspannung an seinem negativen (d. h. invertierenden) Eingangsanschluss.
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Ein Beispiel für eine Steuerung des zweiten Schaltelements durch die zweite Rückkopplungsschaltung, wenn die Spannungsreglerschaltung 1 in dem Regelungsmodus ist, wird im Folgenden beschrieben. Es wird angenommen, dass die Ausgangsspannung V_out um einen Betrag fällt, zum Beispiel aufgrund einer Änderung der Last, die an den Ausgangsanschluss 20 angelegt wird. Dann wird die Ausgangsspannung des Fehlerverstärkers 80 der zweiten Rückkopplungsschaltung positiver und die vierten und sechsten Transistoren 70, 60 werden gesteuert, einen geringeren Widerstand zu haben (d. h. offener zu sein). Demgemäß fällt auch die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Stromerfassungsmittels, das heißt, die zweite Rückkopplungsschaltung wirkt als eine Spannungsgleichmachvorrichtung für seine Eingangsspannungen. Da weiter der vierte Transistor 70 offener ist, kann der Strom in dem zweiten Schaltungszweig 200 unter Steuerung der ersten Rückkopplungsschaltung zunehmen, wie oben beschrieben wird (das heißt, der begrenzende Strom nimmt zu), und durch einen Betrieb des ersten Stromspiegels nimmt auch der Strom zu, der in dem ersten Schaltungszweig 100 fließt, das heißt der Ausgangsstrom I_out. Folglich nimmt die Ausgangsspannung V_out zu. Für ein anfängliches Ansteigen der Ausgangsspannung V_out würden die oben beschriebenen Änderungen der Quantitäten umgekehrt.
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Andererseits, wenn die Spannungsreglerschaltung 1 in einem Dropout-Modus ist, wird das zweite Schaltelement vollständig eingeschaltet, wie oben beschrieben. Jedoch ist der Strom, der in dem zweiten Schaltungszweig 200 fließt, durch den Widerstand des zweiten Schaltelements begrenzt (zum Beispiel der vierte Transistor 70), das somit als Begrenzer für den Strom wirkt, der durch den zweiten Schaltungszweig fließt. In anderen Worten, eine Begrenzung des Stroms I_diode, der durch den zweiten Schaltungszweig 200 fließt, wird durch andere Vorrichtungen bewirkt, die in Serie in dem zweiten Schaltungszweig 200 verbunden sind, in dem vorliegenden Fall das zweite Schaltelement (zum Beispiel der vierte Transistor 70). Die zweite Rückkopplungsschaltung, die das Stromerfassungsmittel (zum Beispiel der fünfte Transistor 50), den sechsten Transistor und den Fehlerverstärker 80 aufweist, arbeitet als eine Vds-Gleichmachvorrichtung und ermöglicht eine Strommessung in dem Stromerfassungsmittel, wobei der erfasste Strom I_sense proportional zu dem Ausgangsstrom I_out ist. Die Proportionalität wird durch das zweite Spiegelverhältnis definiert (zum Beispiel 1:M). Der erfasste Strom fließt auch durch den sechsten Transistor 60 und wird an das zweite Schaltelement mit einem Spiegelverhältnis N gespiegelt. In einem idealen Fall wäre N auf eins gesetzt; ein Setzen von N größer als 1 garantiert einen gewissen Spielraum für einen Prozessfehler und für Offsets bei der Regelung der Ausgangsspannung V_out. In dieser Konfiguration ist der begrenzende Strom proportional zu dem Ausgangsstrom (Laststrom) I_out, das heißt, der begrenzende Strom kann auf einen Wert gesetzt sein, der ausreichend ist, um eine Ausgabe eines gewünschten Laststroms zu ermöglichen. Der begrenzende Strom ist abhängig von dem Ausgangsstrom (Laststrom) I_out, dem zweiten Spiegelverhältnis und dem dritten Spiegelverhältnis. Unter Nichtbeachtung von Spannungsverlusten kann der begrenzende Strom I_limit durch I_limit = N/M·I_out < I_out gegeben sein. Das heißt, durch geeignete Wahl der zweiten und dritten Spiegelverhältnisse kann der begrenzende Strom auf einen Wert gesetzt werden, der einen übermäßigen Ruhestrom verhindert, aber gleichzeitig eine Ausgabe eines gewünschten Laststroms ermöglicht.
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Ein Verfahren zum Betrieb der Spannungsreglerschaltung 1 kann einen Schritt eines Spiegelns eines Stroms, der in dem zweiten Schaltungszweig 200 fließt, an den ersten Schaltungszweig 100 aufweisen. Dieser Schritt kann durch den ersten Stromspiegel durchgeführt werden. Ein Schritt zum Steuern des ersten Schaltelements in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung zum Regeln der Ausgangsspannung kann zum Beispiel durch die erste Rückkopplungsschaltung durchgeführt werden. Ein Schritt zum Erfassen eines Stroms, der von einem Strom abhängig ist, der durch die Ausgangsdurchlassvorrichtung fließt, kann zum Beispiel durch das Stromerfassungsmittel durchgeführt werden. Ein Schritt zum Steuern des zweiten Schaltelements derart, dass der Strom, der durch den zweiten Schaltungszweig 200 fließt, auf einen Strom begrenzt ist, der von dem erfassten Strom abhängt, kann zum Beispiel durch die zweite Rückkopplungsschaltung durchgeführt werden. Dieser letzte Schritt kann aufweisen ein Spiegeln des Stroms, der in dem dritten Schaltungszweig 300 fließt, an den zweiten Schaltungszweig 200 und Steuern des sechsten Transistors 60 in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung und der Spannung an dem Ausgangsanschluss des Stromerfassungsmittels.
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3 zeigt schematisch eine beispielhafte Implementierung der Spannungsreglerschaltung 1 von 2. Die Spannungsreglerschaltung 2 (d. h. die zweite Rückkopplungsschaltung) kann anstelle des ersten Fehlerverstärkers 80 eine Stromfördervorrichtung (Spannungsspiegel) 700 aufweisen. Die Stromfördervorrichtung 700 kann eine sehr schnelle Stromfördervorrichtung sein. Die Stromfördervorrichtung 700 kann die Ausgangsspannung und die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Stromerfassungsmittels an ihren Eingangsanschlüssen empfangen. Die Stromfördervorrichtung 700 kann konfiguriert sein zum Gleichmachen einer Spannung an ihrem ersten Eingangsanschluss mit der Spannung, die an ihrem zweiten Eingangsanschluss angelegt wird. Die Spannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung kann an den zweiten Eingangsanschluss der Stromfördervorrichtung 700 angelegt werden. Die Stromfördervorrichtung 700 kann einen vierten Schaltungszweig 400 und einen fünften Schaltungszweig 500 aufweisen. Der vierte Schaltungszweig 400 kann einen siebten Transistor 82 und eine erste Stromsenke 86 aufweisen. Der fünfte Schaltungszweig 500 kann einen achten Transistor 84 und eine zweite Stromsenke 88 aufweisen. Die ersten und zweiten Stromsenken 86, 88 können näher an dem vorgegebenen Spannungspegel als die siebten und achten Transistoren 82, 84 angeordnet sein. Steueranschlüsse (zum Beispiel Gate-Anschlüsse) der siebten und achten Transistoren 82, 84 können miteinander verbunden sein, d. h. die siebten und achten Transistoren 82, 84 können einen Stromspiegel bilden. Der Steueranschluss des siebten Transistors 82 kann mit einem Drain-Anschluss des siebten Transistors 82 verbunden sein. Ein Ausgangsanschluss der Stromfördervorrichtung 700 kann an einem Zwischenknoten zwischen dem achten Transistor 84 und der zweiten Stromsenke 88 vorgesehen sein oder mit diesem verbunden sein. Der Ausgangsanschluss der Stromfördervorrichtung 700 kann mit dem Steueranschluss des sechsten Transistors 60 verbunden sein.
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Ein Betrieb der Stromfördervorrichtung 700 ist analog zu dem des oben beschriebenen Fehlerverstärkers 80. Zum Beispiel wird angenommen, dass die Ausgangsspannung V_out um einen Betrag in dem Regelungsmodus fällt, zum Beispiel aufgrund einer Änderung der Last, die an den Ausgangsanschluss 20 angelegt wird. Dann versucht die Stromfördervorrichtung 700, die als Vds-Gleichmachvorrichtung wirkt, Spannungen an den Source-Anschlüssen der siebten und achten Transistoren 82, 84 gleichzumachen. Somit wird der achte Transistor 84 derart vorgespannt (biased), dass die Spannung an dem Source-Anschluss des achten Transistors 84 gleich V_out wird. Als ein Ergebnis nimmt die Spannung an dem Steueranschluss des sechsten Transistors 60 zu und ebenso nimmt die Spannung an dem Steueranschluss des vierten Transistors 70 zu. Demgemäß werden die vierten und sechsten Transistoren 70, 60 gesteuert, einen geringeren Widerstand zu haben (d. h. offener zu sein). Da der vierte Transistor 70 offener ist, kann der Strom in dem zweiten Schaltungszweig 200 unter der Steuerung der ersten Rückkopplungsschaltung zunehmen, wie oben beschrieben (das heißt, der begrenzende Strom nimmt zu), und durch den Betrieb des ersten Stromspiegels nimmt auch der Strom zu, der in dem ersten Schaltungszweig 100 fließt, d. h. der Ausgangsstrom I_out nimmt zu. Folglich nimmt die Ausgangsspannung V_out zu. Für ein anfängliches Ansteigen der Ausgangsspannung V_out würden die oben beschriebenen Änderungen der Quantitäten umgekehrt.
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4 zeigt schematisch eine weitere beispielhafte Implementierung der Spannungsreglerschaltung 1 von 2. Die Spannungsreglerschaltung 3 (d. h. die zweite Rückkopplungsschaltung) kann anstelle des ersten Fehlerverstärkers 80 eine Stromfördervorrichtung (Spannungsspiegel) 800 aufweisen. Die Stromfördervorrichtung 800 kann eine sehr schnelle Stromfördervorrichtung sein. Die Stromfördervorrichtung 800 kann die Ausgangsspannung und die Spannung an dem Ausgangsanschluss des Stromerfassungsmittels an ihren Eingangsanschlüssen empfangen. Die Stromfördervorrichtung 800 kann konfiguriert sein zum Gleichmachen einer Spannung an ihrem ersten Eingangsanschluss mit der Spannung, die an ihrem zweiten Eingangsanschluss angelegt wird. Die Spannung in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung kann an den zweiten Eingangsanschluss der Stromfördervorrichtung 800 angelegt werden. Die Stromfördervorrichtung 800 kann einen vierten Schaltungszweig 400 und einen fünften Schaltungszweig 500 aufweisen. Der vierte Schaltungszweig 400 kann einen siebten Transistor 92 und eine erste Stromsenke 96 aufweisen. Der fünfte Schaltungszweig 500 kann einen achten Transistor 94 und eine zweite Stromsenke 98 aufweisen. Die ersten und zweiten Stromsenken 96, 88 können näher an dem vorgegebenen Spannungspegel als die siebten und achten Transistoren 92, 94 angeordnet sein. Steueranschlüsse (zum Beispiel Gate-Anschlüsse) der siebten und achten Transistoren 92, 94 können miteinander verbunden sein, d. h. die siebten und achten Transistoren 92, 94 können einen Stromspiegel bilden. Weiter können die Steueranschlüsse der siebten und achten Transistoren 92, 94 mit einem Drain-Anschluss des achten Transistors 94 verbunden sein. Ein Ausgangsanschluss der Stromfördervorrichtung 800 kann an einem Zwischenknoten zwischen dem siebten Transistor 92 und der ersten Stromsenke 96 vorgesehen sein oder mit diesem verbunden sein.
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Für die Spannungsreglerschaltung 3, die die Stromfördervorrichtung 800 aufweist, kann der dritte Schaltungszweig 300 einen zusätzlichen neunten Transistor 90 aufweisen, der in Serie mit dem fünften Transistor 50 und dem sechsten Transistor 60 verbunden ist. Der neunte Transistor 90 kann zwischen dem fünften Transistor 50 und dem sechsten Transistor 60 verbunden sein. Ein Steueranschluss des neunten Transistors 90 kann mit dem Ausgangsanschluss der Stromfördervorrichtung 800 verbunden sein, das heißt mit dem Zwischenknoten zwischen dem siebten Transistors 92 und der ersten Stromsenke 96.
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Ein Betrieb der Stromfördervorrichtung 800 verläuft ähnlich zu dem der Stromfördervorrichtung 700, wie in 3 oben beschrieben wird. Zum Beispiel wird angenommen, dass die Ausgangsspannung V_out um einen Betrag in dem Regelungsmodus fällt, zum Beispiel aufgrund einer Änderung der Last, die an den Ausgangsanschluss 20 angelegt wird. Dann versucht die Stromfördervorrichtung 800, die als Vds-Gleichmachvorrichtung wirkt, Spannungen an den Source-Anschlüssen der siebten und achten Transistoren 92, 94 gleichzumachen. Somit wird der achte Transistor 94 derart vorgespannt (biased), dass die Spannung an dem Source-Anschluss des achten Transistors 94 gleich V_out wird. Als ein Ergebnis nimmt die Spannung an dem Steueranschluss des neunten Transistors 90 ab und der neunte Transistor 90 wird gesteuert, um einen geringeren Widerstand zu haben (d. h. offener zu sein). Demgemäß nimmt die Spannung an dem Steueranschluss des sechsten Transistors 60 zu und ebenso nimmt die Spannung an dem Steueranschluss des vierten Transistors 70 zu. Demgemäß werden auch die vierten und sechsten Transistoren 70, 60 gesteuert, um einen geringeren Widerstand zu haben (d. h. offener zu sein). Da der vierte Transistor 70 offener ist, kann der Strom in dem zweiten Schaltungszweig 200 unter der Steuerung der ersten Rückkopplungsschaltung zunehmen, wie oben beschrieben (das heißt, der begrenzende Strom nimmt zu), und durch den Betrieb des ersten Stromspiegels nimmt auch der Strom zu, der in dem ersten Schaltungszweig 100 fließt, d. h. der Ausgangsstrom I_out nimmt zu. Folglich nimmt die Ausgangsspannung V_out zu. Für ein anfängliches Ansteigen der Ausgangsspannung V_out würden die oben beschriebenen Änderungen der Quantitäten umgekehrt.
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Es ist offensichtlich, dass jeder der Transistoren, die der in der vorliegenden Offenbarung beschrieben werden, ein FET, insbesondere ein MOSFET, wie zum Beispiel ein PMOS oder ein NMOS sein kann. Besondere Beispiele, in denen jeder Transistor entweder ein PMOS oder ein NMOS ist, werden in 2 bis 4 dargestellt.
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Weiter, während im Obigen auf Transistoren Bezug genommen wird, ist offensichtlich, dass die entsprechenden Erklärungen ebenfalls auf jeweilige Schaltelemente, Ausgangsdurchlassvorrichtung und Stromerfassungsmittel anwendbar sind, die auf beispielhafte Weise durch diese Transistoren verkörpert werden. Aus Gründen einer Kürze der Offenbarung werden entsprechenden Erklärungen in Bezug auf die Schaltelemente, die Ausgangsdurchlassvorrichtung und Stromerfassungsmittel nicht bei jeder Instanz explizit dargelegt.
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5 ist ein beispielhaftes Diagramm, das relevante Spannungen und Ströme in Spannungsreglerschaltungen gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung darstellt. Die Abszisse des Diagramms gibt die Eingangsspannung V_in an. Der oberste Graph 510 in dem Diagramm gibt den Strom an, der in dem zweiten Schaltungszweig in einer herkömmlichen Spannungsreglerschaltung fließt, wie in 1 gezeigt. Der zweite Graph 520 von oben gibt den Ausgangsstrom oder Laststrom I_out an. Der dritte Graph 530 von oben gibt den Strom an, der in dem zweiten Schaltungszweig in der Spannungsreglerschaltung gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung fließt. Schließlich gibt der unterste Graph 540 die Ausgangsspannung V_out an.
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Für Eingangsspannungen V_in unterhalb der Schwellenspannung (was etwas über 5,3 V in dem Beispiel von 5 ist), ist die Spannungsreglerschaltung in dem Dropout-Modus und die Ausgangsspannung V_out ist im Wesentlichen gleich der Eingangsspannung V_in (abgesehen von Verlusten bei Durchlassvorrichtungen und Schaltelementen). Sobald die Eingangsspannung über die Schwellenspannung ansteigt, beginnt die erste Rückkopplungsschaltung mit einer Regelung der Ausgangsspannung V_out (Regelungsmodus), und die Ausgangsspannung V_out wird gleich einem vorgegebenen Sollwert für die Ausgangsspannung V_out. In dem Dropout-Modus ist der Strom I_diode, der durch den zweiten Schaltungszweig in der Spannungsreglerschaltung gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung fließt, etwas unterhalb des Ausgangsstroms I_out, während in der herkömmlichen Spannungsreglerschaltung der Strom I_diode wesentlich größer ist als der Ausgangsstrom I_out. Insbesondere ist der Strom I_diode in der herkömmlichen Spannungsreglerschaltung nur durch den Ein-Zustand-Widerstand des ersten Schaltelements und einen Spannungsabfall über den zweiten Transistor 30 begrenzt und kann auch für sehr kleine Ausgangsströme (Lastströme) I_out übermäßig sein.
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Die obige Differenz zwischen Ruheströmen ist eine Folge eines Vorsehens des zweiten Schaltelements unter Steuerung der zweiten Rückkopplungsschaltung. Ein Verhältnis zwischen dem Ausgangsstrom I_out und dem Strom I_diode, der durch den zweiten Schaltungszweig in dem Ausführungsbeispielen der Offenbarung fließt, wird durch eine Funktion der oben beschriebenen zweiten und dritten Spiegelverhältnisse gegeben, wie für Fachleute offensichtlich, d. h. I_diode = N/M·I_out. Somit kann in Ausführungsbeispielen der Offenbarung der Strom I_diode, der durch den zweiten Schaltungszweig 200 fließt, auf einen Wert begrenzt sein, der erforderlich ist zum Vorsehen eines gewünschten Ausgangsstroms I_out. Übermäßige Ruheströme werden dadurch effektiv vermieden und ein Gesamtenergieverbrauch der Spannungsreglerschaltung gemäß Ausführungsbeispielen der Offenbarung wird reduziert.
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In dem Regelungsmodus wird der Strom I_diode, der durch den zweiten Schaltungszweig fließt, auf einen Wert gesteuert, der im Wesentlichen um einen Faktor M kleiner ist als der Ausgangsstrom I_out. Der Ruhestrom in Ausführungsbeispielen der Offenbarung ist um einen Faktor N größer als der Ausgangsstrom I_out. Wie oben erläutert, garantiert eine Auswahl von N größer als 1 einen gewissen Spielraum für eine Steuerung des ersten Schaltelements in dem Regelungsmodus und berücksichtigt Verluste bei Durchlassvorrichtungen und Schaltelementen und andere Unvollkommenheiten. Andernfalls könnte ein Fall auftreten, in dem der Strom I_diode, der durch den zweiten Schaltungszweig fließt, auf einen Wert begrenzt ist, der zu klein ist, um noch einen gewünschten Ausgangsstrom erzeugen zu können.
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Es sollte angemerkt werden, dass die oben beschriebenen Vorrichtungsmerkmale jeweiligen Verfahrensmerkmalen entsprechen, die jedoch aus Gründen der. Kürze nicht explizit beschrieben werden, und umgekehrt. Die Offenbarung des vorliegenden Dokuments gilt auch für solche Verfahrensmerkmale beziehungsweise Vorrichtungsmerkmale.
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Es sollte weiter angemerkt werden, dass die Beschreibung und die Zeichnungen die Prinzipien der vorgeschlagenen Vorrichtung lediglich veranschaulichen. Fachleute werden in der Lage sein wird, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, obwohl hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt, die Prinzipien der Offenbarung verkörpern und in ihrem Sinn und Umfang enthalten sind. Weiter sollen alle Beispiele und Ausführungsbeispiele, die in diesem Dokument beschrieben werden, hauptsächlich ausdrücklich nur zu erläuternden Zwecken vorgesehen sein, um dem Leser bei einem Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Vorrichtung zu unterstützen. Weiter sollen alle hier gemachten Aussagen, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung vorsehen, sowie spezifische Beispiele davon, deren Äquivalente umfassen.
