DE102016101045A1

DE102016101045A1 - Schaltungsimplementierungen zum Reduzieren von Verlusten in einer Leistungsversorgung

Info

Publication number: DE102016101045A1
Application number: DE102016101045.6A
Authority: DE
Inventors: Alex Lollio
Original assignee: Infineon Technologies North America Corp
Current assignee: Infineon Technologies North America Corp
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2016-01-21
Publication date: 2016-07-28
Also published as: US20160218611A1; US9647559B2; CN105827114B; CN105827114A

Abstract

Eine Leistungsversorgungsschaltung weist einen Steuerschalter, einen Synchronschalter, eine Induktivität und eine Spannungsanstiegsschaltung auf. Ein gemeinsamer Knoten in der Leistungsversorgung schaltet den Steuerschalter mit dem Synchronschalter in Reihe. Der gemeinsame Knoten ist ferner mit der Induktivität gekoppelt, die einer Last auf der Basis des Schaltens des Steuerschalters und des Synchronschalters in jeweilige EIN-/AUS- und AUS-/EIN-Zustände Strom liefert. Die Spannungsanstiegsschaltung erzeugt und regelt das Ansteigen einer Gatespannung des Steuerschalters auf der Basis von wenigstens teilweise einem Wert einer Rückführspannung, die auf einem Schaltungspfad vom gemeinsamen Knoten empfangen wird. Das mehrstufige Ansteigen einer Schaltersteuerspannung reduziert eins oder mehrere von Folgendem: i) QRR-Verluste, ii) Schaltverluste, und/oder iii) eine Totzeit der Leistungsversorgung.

Description

Herkömmliche Schaltungen sind schon verwendet worden, um eine Anstiegsrate einer Steuerspannung zu steuern, die an einem Gateknoten eines Steuerschalters (manchmal als High-Side-Schalter bezeichnet) in einem synchronen Tiefsetzsteller anliegt. 1 ist eine beispielhafte Darstellung einer Spannungsanstiegsschaltung gemäß dem Stand der Technik, um eine Schaltersteuerspannung ansteigen zu lassen,.
Wie in 1 gezeigt, weist die herkömmliche Spannungsanstiegsschaltung 185 in einer Leistungsversorgungsschaltung 170 im Allgemeinen einen langsamen Ladepfad und einen schnellen Ladepfad auf, um einen jeweiligen Gateknoten 198 des Steuerschalters 171 zu laden. Wie in den in der Technik bekannten Leistungsversorgungen, wird der Steuerschalter 171 nach der Deaktivierung des Synchronschalters 172 aktiviert. Genauer gesagt aktiviert die Spannungsanstiegsschaltung 185 den Schalter 190 nach der Deaktivierung des Synchronschalters 172, um einen langsamen Ladepfad durch eine Kombination aus Kondensator 180 und Widerstand 175 zu aktivieren.
Wenn der langsame Ladepfad aktiviert ist, lädt er den Gateknoten 198 von Steuerschalter 171. Nachdem der langsame Pfad für eine vorbestimmte Zeitdauer aktiviert und die Spannung von Gateknoten 198 wenigstens teilweise geladen wurde, aktiviert die Verzögerungsschaltung 199 zusätzlich den Schalter 192, um den Gateknoten 198 von Steuerschalter 171 mit einer schnelleren Ladegeschwindigkeit (unter Verwendung des schnellen Pfades) zu laden.
Somit lädt, gemäß der herkömmlichen Anstiegsschaltung 185 während eines ersten Zeitabschnitts, wenn nur der langsame Pfad den Gateknoten 198 durch den Widerstand 175 über die Aktivierung von Schalter 190 lädt, die Spannung am Gateknoten 198 von Steuerschalter 171 gemäß einer ersten Geschwindigkeit, die durch eine Kombination des Kondensators 180 und des Widerstands 175 vorgegeben wird. Während eines zweiten Zeitsegments nach der Aktivierung von Schalter 190 aktiviert die Verzögerungsschaltung 199 den Schalter 192, wodurch ein schnellerer Pfad zum Laden des Gateknotens 198 erzeugt wird. Der schnelle Pfad umgeht den langsamen Pfad einschließlich des Widerstands 175, wodurch die Spannung vom Kondensator 180 direkt mit dem Gateknoten von Steuerschalter 171 wirksam gekoppelt wird, womit die am Gateknoten 198 anliegende Spannung schneller erhöht wird.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Techniken umfassen die vorliegenden Ausführungsformen ein mehrstufiges Ansteigen einer Schaltersteuerspannung, um eines oder mehrere der folgenden zu reduzieren: i) einen QRR-Verlust der schaltenden Leistungsversorgung (engl.: switching power supply), ii) Schaltverluste in der schaltenden Leistungsversorgung, und/oder iii) eine Totzeit zwischen der Deaktivierung eines Synchronschalters und der Aktivierung des Steuerschalters.
Gemäß einer Ausführungsform weist eine Leistungsversorgungsschaltung zum Beispiel einen Steuerschalter, einen Synchronschalter, eine Induktivität und eine Ansteuer-Steuerschaltung (Spannungsanstiegsschaltung) auf. Ein gemeinsamer Knoten (in der Leistungsversorgung wie beispielsweise ein Schalter-SW-Knoten) schaltet den Steuerschalter in Reihe mit dem Synchronschalter zwischen eine erste Referenzspannung und eine zweite Referenzspannung. Der gemeinsame Knoten ist ferner mit der Induktivität gekoppelt, die einer Last basierend auf einem abwechselndem Schalten des Steuerschalters und des Synchronschalters in EIN-/AUS- und AUS-/EIN-Zustände Strom liefert. Die Ansteuer-Steuerschaltung (eine Spannungsanstiegsschaltung) steuert einen Zustand des Steuerschalters. In einer Ausführungsform erzeugt und regelt die Ansteuer-Steuerschaltung während des Betriebs das Ansteigen einer Schaltersteuerspannung (um die Aktivierung der Steuerung zu steuern), wenigstens teilweise basierend auf einem Wert einer Rückführspannung, die auf einem Schaltungspfad vom gemeinsamen Knoten erhalten wird.
Gemäß spezielleren Ausführungsformen implementiert die Ansteuer-Steuerschaltung (wie beispielsweise eine Spannungsanstiegsschaltung) ein neuartiges mehrstufiges Ansteigen eines Werts der Schaltersteuerspannung, um den Steuerschalter zu aktivieren. So lädt zum Beispiel während eines ersten Zeitsegments des Ansteigens des Werts der Schaltersteuerspannung ein erster Schaltungspfad der Ansteuer-Steuerschaltung einen Gateknoten des Steuerschalters auf eine vorbestimmte Schwellenspannung vor, damit der Steuerschalter aus dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand übergeht, um die Totzeit zu reduzieren; während eines zweiten Zeitsegments des Ansteigens des Werts der Schaltersteuerspannung lädt ein zweiter Schaltungspfad der Ansteuer-Steuerschaltung den Gateknoten des Steuerschalters gemäß einer ersten Ladegeschwindigkeit (wie beispielsweise eine langsame Ladegeschwindigkeit durch einen Widerstand), damit der Steuerschalter aus dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand übergeht, um QRR-Verluste zu reduzieren; und während eines dritten Zeitsegments des Ansteigens des Werts der Schaltersteuerspannung lädt ein dritter Schaltungspfad der Ansteuer-Steuerschaltung den Gateknoten des Steuerschalters gemäß einer zweiten Ladegeschwindigkeit (schnellere Ladegeschwindigkeit als die langsame Ladegeschwindigkeit durch einen Widerstand), damit der Steuerschalter aus dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand übergeht, um Schaltverluste zu reduzieren,.
In noch weiteren Ausführungsformen sind der erste Schaltungspfad, der zweite Schaltungspfad und der dritte Schaltungspfad der Ansteuer-Steuerschaltungen parallel geschaltet. Der Rückführpfad vom gemeinsamen Knoten (SW-Knoten) weist einen Kondensator auf, der dazu ausgebildet ist, die Rückführspannung vom gemeinsamen Knoten zu den parallelen Schaltungspfaden zu transportieren.
Zunächst bewirken die Deaktivierung des Synchronschalters und der Empfang eines Steuersignals, das anzeigt, den Steuerschalter zu aktivieren, dass der erste Schaltungspfad den Knoten des Steuerschalters schnell auf eine vorbestimmte Spannung vorlädt. Das schnelle Laden des Gates des Steuerschalters reduziert eine übermäßige Totzeit (d. h. die Zeit zwischen der Deaktivierung des Synchronschalters und der Aktivierung des Steuerschalters).
In einer Ausführungsform lädt der zweite Schaltungspfad zusätzlich zum Vorladen des Gateknotens des Steuerschalters unter Verwendung des ersten Schaltungspfads auch den Gateknoten des Steuerschalters, allerdings mit einer langsameren Ladegeschwindigkeit. Nach dem Vorladen des Gateknotens des Steuerschalters auf einen Schwellenwert unterbricht der erste Schaltungspfad das Vorladen des Gateknotens des Steuerschalters. Allerdings setzt der zweite Schaltungspfad (wie beispielsweise der langsame Ladepfad durch einen Widerstand) während eines zweiten Zeitsegments das Laden das Gateknotens des Steuerschalters fort.
Schließlich bewirkt das Ansteigen des Spannungswerts des Gateknotens des Steuerschalters während des zweiten Zeitsegments, dass der Spannungswert auf einen zweiten Schwellenwert erhöht wird. In einer nicht einschränkenden beispielhaften Ausführungsform bewirkt das Ansteigen der Spannung des Gateknotens des Steuerschalters auf den zweiten Schwellenwert die Aktivierung des dritten Schaltungspfads (schneller Ladepfad). Der dritte Schaltungspfad lädt das Gate des Steuerschalters während des dritten Zeitsegments. Im Allgemeinen erhöht die Ladeverstärkung ausgehend vom dritten Schaltungspfad während des dritten Zeitsegments eine Anstiegsrate eines Werts der Schaltersteuerspannung des Gateknotens, damit der Steuerschalter in den EIN-Zustand übergeht.
In einer Ausführungsform, und wie hier weiter erörtert, reduziert die Aktivierung des ersten Schaltungspfads während des ersten Zeitsegments eine Totzeit der schaltenden Leistungsversorgung (engl.: switching power supply). Die Aktivierung des zweiten Schaltungspfads während des zweiten Zeitsegments reduziert QRR-(Reverse-Recovery-Ladung)-Verluste in der schaltenden Leistungsversorgung. Die Aktivierung des dritten Schaltungspfads während des dritten Zeitsegments reduziert Schaltverluste in der Leistungsversorgung.
Wie hier erörtert, sind die Techniken hier sehr gut zur Verwendung in Schaltungen für schaltende Leistungsversorgungen wie beispielsweise synchrone DC-DC-Tiefsetzsteller geeignet. Es wird allerdings darauf hingewiesen, dass die Ausführungsformen hier nicht auf die Verwendung in derartigen Anwendungen beschränkt sind und dass die hier erörterten Techniken auch genauso gut für andere Anwendungen geeignet sind.
Diese und andere speziellere Ausführungsformen werden nachstehend ausführlicher offenbart.
Es wird darauf hingewiesen, dass weitere hierin enthaltene Ausführungsformen analoge und/oder digitale Schaltungen (z. B. eine oder mehrere Prozessorvorrichtung/en) aufweisen können, um beliebige oder alle hier offenbarten Hardware- oder Verfahrensoperationen auszuführen und/oder zu unterstützen. Anders ausgedrückt kann/können in einer Ausführungsform eine/r oder mehrere computergestützte Vorrichtung/en oder Prozessoren dazu programmiert und/oder ausgebildet sein, wie hier erläutert betrieben zu werden, um verschiedene Ausführungsformen der Erfindung zu realisieren.
Noch andere hierin enthaltene Ausführungsformen weisen Softwareprogramme auf, um die vorstehend zusammengefassten und nachstehend ausführlich offenbarten Schritte und Operationen durchzuführen. Eine derartige Ausführungsform umfasst ein Computerprogrammprodukt, das ein nichtflüchtiges computerlesbares Speichermedium (d. h. ein beliebiges physisches computerlesbares Hardwarespeichermedium) aufweist, auf dem Softwareanweisungen zur anschließenden Ausführung codiert sind. Die Anweisungen programmieren und/oder veranlassen den Prozessor, wenn sie in einer computergestützten Vorrichtung (z. B. Computerverarbeitungshardware) mit einem Prozessor ausgeführt werden, die hier offenbarten Operationen durchzuführen. Derartige Anordnungen werden typischerweise als Software, Code, Anweisungen und/oder als andere Daten (z. B. Datenstrukturen) bereitgestellt, die auf einem nicht flüchtigen computerlesbaren Speichermedium angeordnet oder codiert sind, wie beispielsweise ein optisches Medium (z. B. CD-ROM), Floppydiskette, Festplatte, Speicherstick usw. oder ein anderes Medium, wie beispielsweise Firmware in einem oder mehreren ROM, RAM, PROM usw. oder als eine anwendungsspezifisch integrierte Schaltung (ASIC, Application Specific Intergrated Circuit) usw. Die Software oder Firmware oder andere derartige Ausgestaltungen kann/können auf einer computergestützten Vorrichtung installiert sein, um die computergestützte Vorrichtung zu veranlassen, die hier erläuterten Techniken auszuführen.
Dementsprechend richten sich die hierin enthaltenen Ausführungsformen auf ein Verfahren, System, Computerprogrammprodukt usw., das die hier erörterten Operationen unterstützt.
Eine oder mehrere hierin enthaltene Ausführungsform/en weist/weisen ein computerlesbares Speichermedium und/oder ein System mit darauf gespeicherten Anweisungen auf. Gemäß einer Ausführungsform veranlassen die Anweisungen, wenn sie durch Computerprozessorhardware ausgeführt werden, die Computerprozessorhardware (wie beispielsweise die Spannungsanstiegsschaltung) dazu: ein Schaltersteuersignal zu empfangen, das angibt, einen Steuerschalter in einer Leistungsversorgung zu aktivieren, wobei ein gemeinsamer Knoten in der Leistungsversorgung den Steuerschalter und einen Synchronschalter zwischen eine erste Referenzspannung und eine zweite Referenzspannung in Reihe schaltet, wobei der gemeinsame Knoten mit einer Induktivität gekoppelt ist, die einer Last Strom liefert; eine Rückführspannung vom gemeinsamen Knoten über einen Schaltungspfad zu empfangen; und basierend auf einem Wert der Rückführspannung einen Ladepfad zu aktivieren, um eine Schaltersteuerspannung zu erzeugen, mit der die Aktivierung des Steuerschalters geregelt wird.
Die Reihenfolge der vorstehenden Operationen wurde aus Gründen der Übersichtlichkeit gewählt. Es wird darauf hingewiesen, dass alle beliebigen Verarbeitungsschritte wie hier erörtert in jeder beliebigen Reihenfolge durchgeführt werden können.
Andere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung weisen Softwareprogramme und/oder jeweilige Hardware auf, um alle Schritte und Operationen der Verfahrensausführungsform auszuführen, die vorstehend zusammengefasst wurden und nachstehend ausführlich offenbart werden.
Es ist zu verstehen, dass das System, das Verfahren, die Einrichtung, die Anweisungen auf computerlesbaren Speichermedien usw., wie sie hier erörtert werden, auch rein als Softwareprogramm, Firmware, als Software-, Hardware- und/oder Firmwarehybrid, oder nur als Hardware, wie beispielsweise innerhalb eines Prozessors oder innerhalb eines Betriebssystems oder innerhalb einer Softwareanwendung, ausgeführt werden kann/können.
Zusätzlich wird darauf hingewiesen, dass, obwohl jedes/jede der unterschiedlichen Merkmale, Techniken, Konfigurationen usw. hierin an verschiedenen Stellen dieser Offenbarung erörtert werden kann, beabsichtigt ist, dass alle diese Konzepte optional unabhängig voneinander oder in Kombination miteinander ausgeführt werden kann/können. Dementsprechend kann/können die eine oder mehrere vorliegende/n Erfindung/en wie hier beschrieben in vielen unterschiedlichen Arten ausgeführt und gesehen werden.
Es wird auch darauf hingewiesen, dass diese einleitende Erörterung von Ausführungsformen hier absichtlich nicht jede Ausführungsform und/oder jeden inkrementell neuartigen Aspekt der vorliegenden Offenbarung oder beanspruchten Erfindung(en) darlegt. Stattdessen zeigt diese kurze Beschreibung nur allgemeine Ausführungsformen und entsprechende Neuheitsaspekte gegenüber herkömmlichen Techniken. Für zusätzliche Einzelheiten und/oder mögliche Perspektiven (Permutationen) der Erfindung(en) wird der Leser auf die ausführliche Beschreibung und die weitere Zusammenfassung von Ausführungsformen weiter unten verwiesen.
1 ist eine beispielhafte Darstellung einer Spannungsanstiegsschaltung gemäß den herkömmlichen Techniken.
2 ist eine beispielhafte Darstellung, die eine Leistungsversorgungsschaltung und die verbesserte Spannungsanstiegsschaltung gemäß den Ausführungsformen hier darstellt.
3 ist eine beispielhafte Darstellung, die Einzelheiten einer Spannungsanstiegsschaltung gemäß den hierin enthaltenen Ausführungsformen darstellt.
4 ist ein beispielhaftes Zeitablaufdiagramm, welches das Ansteigen einer Schaltersteuerspannung gemäß den hierin enthaltenen Ausführungsformen darstellt.
5 ist eine beispielhafte Darstellung, die das Überwachen eines Leistungsversorgungsknotens (Knoten SW) darstellt, um eine Ladegeschwindigkeit eines Gateknotens eines Steuerschalters gemäß den hierin enthaltenen Ausführungsformen zu regeln.
6 bis 8 sind beispielhafte Darstellungen, welche die Steuerung eines schnellen Ladepfads basierend auf einem Wert eines Leistungsversorgungsknotens gemäß den hierin enthaltenen Ausführungsformen darstellen.
9 ist eine beispielhafte Darstellung, die eine Computerarchitektur darstellt, um das Ansteigen einer Spannung gemäß den hierin enthaltenen Ausführungsformen auszuführen.
10 ist eine beispielhafte Darstellung, die ein Verfahren gemäß den hierin enthaltenen Ausführungsformen darstellt.
Die vorstehenden und weitere Gegenstände, Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden genaueren Beschreibung von hier bevorzugten Ausführungsformen deutlicher hervor, wie sie in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind, in denen sich gleiche Bezugszeichen in den verschiedenen Ansichten auf dieselben Teile beziehen. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu; vielmehr sollen sie die Ausführungsformen, Grundsätze, Konzepte usw. veranschaulichen.
Wie schon vorstehend erörtert, weisen hierin enthaltene Ausführungsformen eine einzigartige Spannungsanstiegsschaltung auf, um QRR-Verluste, Schaltverluste und/oder Totzeit in einer schaltenden Leistungsversorgung zu reduzieren. Eine Leistungsversorgung weist zum Beispiel einen Steuerschalter, einen Synchronschalter, eine Induktivität und eine Ansteuer-Steuerschaltung (Spannungsanstiegsschaltung) auf. Ein gemeinsamer Knoten in der Leistungsversorgung schaltet den Steuerschalter mit dem Synchronschalter in Reihe. Der gemeinsame Knoten ist ferner mit der Induktivität gekoppelt. Die Induktivität liefert auf der Basis des Schaltens des Steuerschalters und des Synchronschalters in jeweilige EIN-/AUS- und AUS-/EIN-Zustände einer Last Strom. In einer Ausführungsform erzeugt und regelt die Ansteuer-Steuerschaltung das Ansteigen einer Gatespannung des Steuerschalters für eine oder mehrere Anstiegsstufe/n wenigstens teilweise basierend auf einem Wert einer Rückführspannung, die auf einem Schaltungspfad vom gemeinsamen Knoten erhalten wird.
1 ist eine beispielhafte Darstellung einer Leistungsversorgung 100 gemäß den hierin enthaltenen Ausführungsformen. Wie gezeigt, weist die Leistungsversorgung 100 eine Steuereinheit 140 auf. Die Steuereinheit 140 steuert eine Operation von Treibern 110-1 und 110-2, um eine Ausgangsspannung 190 in einem gewünschten Bereich zu erzeugen.
In dieser beispielhaften Ausführungsform erhält die Steuereinheit 140 eines oder mehrere Eingangssignale 121 wie beispielsweise Vin, IL1, Vout usw.
Auf der Basis der erhaltenen Eingangssignal 121 und Konfigurationseinstellungen der Steuereinheit 140 gibt die Steuereinheit 140 Steuersignale aus, um den Steuerschalter 150 (z. B. High-Side-Schalter) und den Synchronschalter 160 (z. B. Low-Side-Schalter) in EIN-/AUS- und AUS-/EIN-Zuständen zu steuern. Während eines EIN-/AUS-Zustands aktiviert zum Beispiel die Steuereinheit 140 den Steuerschalter in einen EIN-Zustand und deaktiviert den Synchronschalter in einen AUS-Zustand. Umgekehrt deaktiviert während eines AUS-/EIN-Zustands die Steuereinheit 140 den Steuerschalter in einen AUS-Zustand und aktiviert den Synchronschalter in einen EIN-Zustand.
Als ein spezielleres veranschaulichendes Beispiel erzeugt die Steuereinheit 140 während des Betriebs Signale, mit denen die Ansteuerschaltungen 110-1 und 110-2 gesteuert werden. Auf der Basis von einem oder mehreren Steuersignal/en, das/die von der Steuereinheit 140 empfangen wird/werden, steuert die Ansteuerschaltung 110-1 einen Zustand des Steuerschalters 150 (wie beispielsweise einen ersten Feldeffekttransistor). Auf der Basis von einem oder mehreren Steuersignal/en, das/die von der Steuereinheit 140 empfangen wird/werden, steuert die Ansteuerschaltung 110-2 einen Zustand des Synchronschalters 160 (wie beispielsweise einen zweiten Feldeffekttransistor) in der Leistungsversorgung 100.
Durch Schalten des Steuerschalters 150 und des Synchronschalters 160 erzeugt die Steuereinheit 140 die Ausgangsspannung 190, um die Last 118 zu versorgen.
Wie ferner gezeigt weisen die Ansteuerschaltungen 110-1 (welche den Steuerschalter 150 steuern) die Spannungsanstiegsschaltung 240 auf. Wie ihr Name andeutet, steuert die Spannungsanstiegsschaltung 240 das Ansteigen eines Werts der Spannung, die am Gateknoten von Schalter 150 anliegt. Weitere Einzelheiten der Spannungsanstiegsschaltung 240 werden weiter unten in den nachfolgenden Figuren erörtert.
Wenn der Steuerschalter 150 über ein oder mehrere Steuersignale eingeschaltet ist (d. h. aktiviert ist), das/die durch die Steuereinheit 140 erzeugt wird/werden (während der Synchronschalter 160 gleichzeitig AUS ist), steigt im Allgemeinen der Strom durch die Induktivitätsressource 144 basierend auf einem hochleitenden Pfad, der durch den Steuerschalter 150 zwischen der Spannungsquelle 120 (wie beispielsweise eine 12-V-Gleichspannungs(DC)-Quelle) und eine Induktivitätsressource 144 bereitgestellt wird.
Wird der Synchronschalter 160 über Steuersignale eingeschaltet (d. h. aktiviert), die durch die Steuereinheit 140 erzeugt werden (während der Steuerschalter 150 gleichzeitig AUS ist), fällt der Strom durch die Induktivitätsressource 144 basierend auf einem hochleitenden Pfad ab, der – wie dargestellt – durch den Synchronschalter 160 zwischen der Induktivitätsressource 144 und Masse bereitgestellt wird.
Durch Schalten des Steuerschalters 150 und des Synchronschalters 160 regelt die Steuereinheit 140 die Ausgangsspannung 190 innerhalb eines gewünschten Bereichs, um die Last 118 zu versorgen.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Leistungsversorgung 100 mehrere Phasen aufweisen kann. Jede der mehreren Phasen kann ähnlich der in 1 gezeigten beispielhaften Phase sein. In solch einer Ausführungsform betreibt die Steuereinheit 140 eine Kombination der Phasen, um die Ausgangsspannung 190 innerhalb eines gewünschten Bereichs zu halten, um die Last 118 zu versorgen. Die Phasen können phasengleich oder im Verhältnis zueinander phasenversetzt betrieben werden.
Jede Phase kann, wie vorstehend erörtert, eine jeweilige High-Side-Schalterschaltung und eine Low-Side-Schalterschaltung aufweisen. Um eine jeweilige Phase zu deaktivieren, kann die Phasensteuereinheit 140 sowohl die Schaltungen des High-Side-Schalters als auch die Schaltungen des Low-Side-Schalters der jeweiligen Phase auf einen AUS-Zustand einstellen. Wenn die jeweilige Phase aus oder deaktiviert ist, wird sie nicht dazu beitragen, Strom zu erzeugen, um die Last 118 zu versorgen.
In bestimmten Fällen kann die Steuereinheit 140 oder eine andere geeignete Ressource abhängig von einer durch die Last 118 verbrauchten Strommenge wählen, wie viele Phasen aktiviert werden. Wenn die Last 118 zum Beispiel eine relativ große Strommenge verbraucht, kann die Steuereinheit 100 mehrere Phasen aktivieren, um die Last 118 mit Strom zu versorgen. Wenn die Last 118 eine relativ geringe Strommenge verbraucht, kann die Steuereinheit 140 eine einzelne Phase aktivieren, um die Last 118 mit Strom zu versorgen.
3 ist eine beispielhafte Darstellung, die Einzelheiten einer Spannungsanstiegsschaltung gemäß den hierin enthaltenen Ausführungsformen darstellt.
Wie vorstehend schon erörtert, weist die Leistungsversorgung 100 den Steuerschalter 150 (Schaltungen des High-Side-Schalters), Synchronschalter 160 (Schaltungen des Low-Side-Schalters), die Induktivität 144 und die Spannungsanstiegsschaltung 240 (Ansteuer-Steuerschaltung) auf. Wie ferner in 3 gezeigt, schaltet der gemeinsame Knoten 325 (gekennzeichnet als SW-Knoten) der Leistungsversorgungsschaltung 300 den Sourceknoten des Steuerschalters 150 mit dem Drainknoten des Synchronschalters 160 in Reihe zwischen eine erste Referenzspannung (PVIN wie beispielsweise 12 V DC, wenn der Steuerschalter 150 eingeschaltet ist) und eine zweite Referenzspannung (wie beispielsweise Masse, wenn der Synchronschalter 160 eingeschaltet ist). Der Synchronschalter 160 umfasst eine inhärente Diode 392 (für Reverse Recovery) zwischen seinem jeweiligen Sourceknoten und Drainknoten auf.
Wie ferner gezeigt, ist der gemeinsame Knoten 325 ferner mit der Induktivität 144 gekoppelt, die einer Last 118 auf der Basis des abwechselnden Schaltens des Steuerschalters 150 und des Synchronschalters 160 in EIN-/AUS- und AUS-/EIN-Zustände Strom liefert.
Wie vorstehend schon erörtert, werden der Steuerschalter 150 und der Synchronschalter 160 niemals gleichzeitig aktiviert. So ist zum Beispiel wenigstens etwas Verzögerung zwischen einem Zeitpunkt des Deaktivierens des Synchronschalters 160 in einen AUS-Zustand und einem Zeitpunkt des Aktivierens des Steuerschalters 150 in einen EIN-Zustand vorhanden. Ähnlich ist wenigstens etwas Verzögerung zwischen einem Zeitpunkt des Deaktivierens des Steuerschalters 150 in einen AUS-Zustand und einem Zeitpunkt des Aktivierens des Synchronschalters 160 in einen EIN-Zustand vorhanden.
Wie nachstehend weiter erörtert, stellt die Spannungsanstiegsschaltung 240 eine neuartige Steuerung des Steuerschalters 150 bereit, wenn der Steuerschalter 150 aus einem AUS-Zustand in einen EIN-Zustand übergeht. Während des Betriebs erzeugt und steuert die Spannungsanstiegsschaltung 240 zum Beispiel das Ansteigen einer Schaltersteuerspannung Vg (Schaltersteuerspannung), die am Gateknoten 398 des Steuerschalters 150 anliegt, wenigstens teilweise basierend auf einem Wert einer Rückführspannung (wie beispielsweise eine Spannung von Knoten 325), die über einen Schaltungspfad (der den Kondensator 320 aufweist) vom gemeinsamen Knoten 325 empfangen wird.
Wie ferner gezeigt, weist die Spannungsanstiegsschaltung 240 drei unterschiedliche Schaltungspfade auf (wie beispielsweise einen ersten Ladepfad, einen zweiten Ladepfad und einen dritten Ladepfad), um den Gateknoten 398 des Steuerschalters 150 zu laden.
Der erste Ladepfad (wie beispielsweise eine Vorladeschaltung 345) weist einen Schalter Q2, einen Widerstand 375 und einen Schalter Q6 auf. Der Schalter Q6 ist aus mehreren parallelen Feldeffekttransistoren (nf = 2) hergestellt. Der Steuerschalter 150 ist aus mehreren parallelen Transistoren (nf = 536) hergestellt. In einer Ausführungsform ist der Schalter Q2 aus Ladesteuerschaltelement, weil ein Zustand des Schalters Q2 steuert, ob ein entsprechender Ladepfad (vom Kondensator 320 zum Schalter Q1) aktiviert wird oder nicht.
Wie sein Name andeutet und wie später in der Beschreibung ausführlicher erörtert, lädt die kurze Aktivierung des Schalters Q6 der Vorladeschaltung 345 während eines ersten Zeitsegments den Gateknoten 398 des Steuerschalters 150 während eines anfänglichen Übergangs des Steuerschalters 150 von einem AUS-Zustand in einen EIN-Zustand vor. In einer Ausführungsform wird der Schalter Q6 für einen kurzen Zeitraum nach der Aktivierung des Schalters Q1 in einen EIN-Zustand aktiviert. Die Aktivierung des Schalters Q1 löst das Ansteigen der Spannung Vg aus.
Der zweite Ladepfad weist den Widerstand 395 auf, der einen kontinuierlichen Stromfluss vom Kondensator 320 durch den Schalter Q1 gewährleistet, wenn der Schalter Q1 eingeschaltet ist. Im Allgemeinen begrenzt der Widerstand 395 die Strommenge, die vom Kondensator 320 auf dem Rückführpfad durch den Schalter Q1 zum Gateknoten 398 transportiert wird. Somit bewirkt der zweite Ladepfad, der den Widerstand 395 aufweist, ein langsames Ansteigen der Spannung Vg, wenn der Widerstand 395 mit einem ausreichend hohen Wert wie beispielsweise 10 Kiloohm gewählt ist.
Der dritte Ladepfad weist eine Kombination aus Schalter Q3, Zenerdiode 390 und Widerstand 385 auf. In einer Ausführungsform ist der Schalter Q3 ein Ladesteuerschaltelement, weil ein Zustand des Schalters Q3 steuert, ob ein entsprechender Ladepfad aktiviert wird oder nicht.
Im Allgemeinen ist der Schalter Q3 aktiviert, wenn eine Spannung des Schalterknotens 325 über einen Schwellenwert ansteigt. Wie nachstehend weiter erörtert, erhöht die Aktivierung des Schalters Q3 eine Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung Vg, die am Gateknoten 398 anliegt, im Vergleich zur Anstiegsgeschwindigkeit der Spannung Vg unter Verwendung des zweiten Ladepfads mit dem Widerstands 395.
Somit weist gemäß den hierin enthaltenen Ausführungsformen die Spannungsanstiegsschaltung 240 einen ersten Schaltungspfad (Schalter Q2), einen zweiten Schaltungspfad (Widerstand 395) und einen dritten Schaltungspfad (Schalter Q3) auf, die alle miteinander parallel geschaltet sind, wie in 3 gezeigt. Der Rückführpfad der Spannung vom Knoten 325 weist den Kondensator 320 auf, der dazu ausgebildet ist, einen Wechselspannungsanteil (AC) vom gemeinsamen Knoten 325 zu den parallelen Schaltungspfaden zu transportieren und zurückzuführen. Wie nachstehend weiter erörtert, führen die Deaktivierung des Synchronschalters 160 und die Aktivierung des Schalters Q1 (ein Steuerschalter) zu einem mehrsegmentartigen Ansteigen der Spannung Vg, die am Gateknoten 398 des Steuerschalters 150 anliegt.
4 ist ein beispielhaftes Zeitablaufdiagramm, welches das Ansteigen einer Schaltersteuerspannung (wie beispielsweise Vg) gemäß den hierin enthaltenen Ausführungsformen darstellt.
Wie vorstehend schon erörtert, implementiert die Spannungsanstiegsschaltung 240 (auch als Ansteuer-Steuerschaltung bekannt) ein mehrstufiges Ansteigen eines Werts der Schaltersteuerspannung Vg, die am Gateknoten 398 anliegt, um den Steuerschalter 150 zu aktivieren. Das hier beschriebene Ansteigen des Werts der Schaltersteuerspannung (Vg, die am Gateknoten 398 anliegt) reduziert eine oder mehrere unterschiedliche Art/en von Stromverlusten in der jeweiligen Leistungsversorgungsschaltung 300.
Insbesondere lädt, wie im Zeitablaufdiagram 400 in 4 gezeigt, der erste Schaltungspfad der Spannungsanstiegsschaltung 240 den Gateknoten 398 des Steuerschalters 150 auf eine vorbestimmte Schwellenwertspannung während eines ersten Zeitsegments 1 des Ansteigens des Werts der Schaltersteuerspannung Vg vor, damit der Steuerschalter 150 aus dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand übergeht, um die Totzeit zu reduzieren,. Insbesondere wird der Schalter Q1 vor dem Zeitpunkt T1 ausgeschaltet, während der Schalter Q5, der dem Steuerschalter 150 zugeordnet ist, eingeschaltet wird. Dies bewirkt, dass der Steuerschalter 150 auf einen AUS-Zustand eingestellt wird. Zum Zeitpunkt T1 nach dem Ausschalten des Synchronschalters 160 steuert die Steuereinheit 140 den Schalter Q1 in einen EIN-Zustand.
Der anfängliche Übergang des Schalters Q1 in den EIN-Zustand führt zur Aktivierung des Schalters Q2 (EIN) während des Zeitsegments 1 zwischen dem Zeitpunkt T1 und T2. Zwischen dem Zeitpunkt T1 und T2 ist der Schalter Q3 in einem AUS-Zustand. Weil der aktivierte Schalter Q2 (der in einem EIN-Zustand ist) einen niederimpedanten Pfad zwischen dem Kondensator 320 und dem Schalter Q1 (auch in einem EIN-Zustand) bereitstellt, verhält sich der Schalter Q2 wie ein niederimpedanter Überbrückungspfad (engl.: low impedance bypass path) im Verhältnis zum Widerstand 395, wodurch ein schnelles Vorladen des Gateknotens 398 während des Zeitsegments 1 gewährleistet wird.
Wie ferner im Zeitablaufschaubild 400 gezeigt, wird die Spannung Vg des Gateknotens 398 schließlich auf eine Schwellenwertspannung Vth1 geladen, wie beispielsweise ungefähr 0 +/– Volt (wie beispielsweise ein Wert um die Massereferenzspannung, mit welcher der Sourceknoten des Synchronschalters 160 verbunden ist). Zu diesem Zeitpunkt T2, wenn die Spannung Vg einen Schwellenwert Vth1 erreicht, wird der Schalter Q2 wieder in einen AUS-Zustand deaktiviert.
Nach der Aktivierung des Schalters Q2 während des Zeitsegments 2 zwischen dem Zeitpunkt T2 und dem Zeitpunkt T3 lädt der leitende Pfad, der vom Knoten 325 durch eine Reihenschaltung des Kondensators 320, Widerstands 395 und Schalters Q1 (EIN) verläuft, den Gateknoten 398 des Steuerschalters 150 weiter, wodurch die Spannung Vg, weiter ansteigt, um den Steuerschalter 150 in einen EIN-Zustand zu aktivieren. Zwischen dem Zeitpunkt T2 und T3 ist der Schalter Q3 in einem AUS-Zustand. Zwischen dem Zeitpunkt T2 und T3 ist der Schalter Q2 auch in einem AUS-Zustand.
Ferner reduziert das Ansteigen der Spannung Vg (Laden des Gateknotens 398) mit einer langsamen Ladegeschwindigkeit (basierend auf dem durch den Widerstand 395 begrenztem Strom) während des Zeitsegments 2 QRR-Verluste, wie in 4 gezeigt. Das langsame Ansteigen der Spannung Vg im Zeitsegment 2 begrenzt die Strommenge, die vom Drainknoten zum Sourceknoten von Steuerschalter 150 fließen kann.
Schließlich steigt die Spannung Vg während des Zeitsegments 2 bei oder um den Zeitpunkt T3 auf die Schwellenwertspannung Vth2. Zum Zeitpunkt T3 führt die Erhöhung der Spannung Vg auf die Schwellenwertspannung Vth2 zur Aktivierung von Schalter Q3. Im Zeitsegment 3 befindet sich der Schalter Q2 in einem AUS-Zustand. Wie gezeigt ist der Schalter Q3 während des Zeitsegments 3 aktiviert, um die Spannung Vg (mit einer deutlich höheren Geschwindigkeit als die Ladegeschwindigkeit des Gateknotens 398 durch den Widerstand 395) schnell auf einen Wert zu laden, der deutlich größer ist als die Schwellenwertspannung Vth2.
Nach der Aktivierung des Steuerschalters 150 für die Dauer des Zeitsegments 3 deaktiviert die Steuereinheit 140 den Schalter Q1 in einen AUS-Zustand und aktiviert den Schalter Q5 in einen EIN-Zustand. Dies bewirkt, dass der Steuerschalter 150 ausgeschaltet wird. In einem darauffolgenden Zyklus zur erneuten Aktivierung des Steuerschalters 150 (wie beispielsweise über die Aktivierung von Schalter Q1 in einen EIN-Zustand und Deaktivierung von Schalter Q5 in einen AUS-Zustand) funktioniert die Spannungsanstiegsschaltung 240 wieder auf ähnliche Weise wie im Zeitablaufdiagramm 400 dargestellt.
Es wird darauf hingewiesen, dass in einer Ausführungsform der Widerstand 395 kontinuierlich einen Ladepfad bereitstellt, um den Gateknoten 398 zwischen den Zeitpunkten T1 und T4 zu laden. Wie schon vorstehend erörtert, erhöht allerdings die Aktivierung des Schalters Q2 während des Zeitsegments 1 und die Aktivierung des Schalters Q3 während des Zeitsegments 3 deutlich eine Ladegeschwindigkeit im Vergleich zur langsamen Ladegeschwindigkeit während des Zeitsegments 2.
Gemäß weiteren Ausführungsformen und wie hier weiter erörtert, reduziert die Aktivierung des ersten Schaltungspfads während des Zeitsegments 1 eine Totzeit zwischen der Deaktivierung des Synchronschalters 160 und der anschließenden Aktivierung des Steuerschalters 150. Die Aktivierung des zweiten Schaltungspfads während des Zeitsegments 2 reduziert QRR-(Reverse-Recovery-Ladung)-Verluste in der schaltenden Leistungsversorgung. Die Aktivierung des dritten Schaltungspfads während des Zeitsegments 3 reduziert Schaltungsverluste in der Leistungsversorgung.
5 ist eine beispielhafte Darstellung, die das Überwachen eines Leistungsversorgungsknotens (Knoten SW), um eine Ladegeschwindigkeit eines Gateknotens eines Steuerschalters zu regeln, gemäß den hierein enthaltenen Ausführungsformen hier darstellt.
Als Alternative zur Verwendung der Zenerdiode 390 und zur Verbindung des Gateknotens des Schalter Q3 mit Vcc, wie dies in 3 gezeigt ist, stellt 5 die Verwendung eines Komparator 450 dar, um das schnelle Laden des Gateknotens 398 während des Zeitsegments 3 zu regeln.
Gemäß dieser beispielhaften Ausführungsform wird der Schalter Q9 gleichzeitig aktiviert, wenn der Schalter Q1 aktiviert wird. Der Komparator 450 überwacht die Spannung am Knoten 325. Wenn die Spannung am Knoten 325 weniger als Masse beträgt, erzeugt der Komparator 450 ein Ausgangssignal, um den Schalter Q3 in einen AUS-Zustand zu deaktivieren. Umgekehrt veranlasst der Komparator 450 die Aktivierung des Schalters Q3 in einen EIN-Zustand, wenn der Komparator 450 detektiert, dass die Spannung am Knoten 325 höher als die Massereferenz (oder eine andere geeignete Spannungsreferenz) ist. Wenn sowohl der Schalter Q3 als auch der Schalter Q9 in einen EIN-Zustand aktiviert sind, stellt dies einen schnellen Ladepfad 610 bereit, um den Gateknoten 398 während des Zeitsegments 3 zu laden.
Die 6 bis 8 sind beispielhafte Darstellungen, die die Steuerung eines schnellen Ladepfads basierend auf einem Wert eines Leistungsversorgungsknotens gemäß den hierin enthaltenen Ausführungsformen darstellen.
Wie in 6 gezeigt, wird der Schalter Q1 zu einem Zeitpunkt T1 auf eine vorstehend schon erörterte Weise in einen EIN-Zustand geschaltet. Zu diesem Zeitpunkt T1 bewirkt die Aktivierung des Schalters Q1 einen Stromfluss durch den Widerstand 395, um den Gateknoten 398 des Steuerschalters 150 zu laden. Die Spannung zwischen dem Gateknoten von Schalter Q3 (eingestellt auf Vcc von 5 V) ist gleich der Sourceknotenspannung des Schalters Q3 (5 V vom Kondensator 320). Somit befindet sich der Schalter Q3 anfangs zum Zeitpunkt der Aktivierung des Schalters Q1 in einem AUS-Zustand.
Wie in 7 gezeigt, wird der Steuerschalter 150 schließlich über den langsamen Ladepfad aktiviert, der eine Reihenschaltung des Widerstands 395 und des Schalters Q1 aufweist. Es sei angenommen, dass der Spannungswert der SW-Spannung am gemeinsamen Knoten 325 auf eine Spannung wie beispielsweise 2 V (2 Volt) steigt. Die Spannungserhöhung des gemeinsamen Knotens 325 und die Spannung am Kondensator 320 bewirken, dass die Spannung des Sourceknotens des Schalters Q3 + 7 V beträgt. Da der Gateknoten des Schalters Q3 bei 5 V liegt, beträgt die Spannung zwischen dem Gate und der Source des Schalter Q3 – 2 V, was zum Einschalten des Schalters Q3 führt, da dieser ein PMOS-Bauelement ist. Wie vorstehend erörtert, bewirkt die Aktivierung des Schalter Q3 in den EIN-Zustand, dass der schnelle Pfad 610 (eine Kombination des Schalter Q3 in einem EIN-Zustand und des Schalters Q9 in einem EIN-Zustand) bewirkt, dass die Spannung Vg schnell auf 12 V ansteigt (was zur Aktivierung des Steuerschalters 150 in den EIN-Zustand führt).
Wie in 8 gezeigt, steigt die Spannung des gemeinsamen Knotens 325 aufgrund der Aktivierung des Steuerschalters 150 schließlich auf 12 V. In solch einem Fall strebt der Sourceknoten eine Erhöhung der Spannung von Schalter Q3 auf 17 V. Allerdings wird die Spannung durch das Vorhandensein der Zenerdiode 390 auf 6 V geklemmt, wodurch der Schalter Q3 vor Beschädigung geschützt wird.
9 ist ein beispielhaftes Blockschaltbild eines Computersystems zum Implementieren aller Operationen, die mit dem Ansteigen der Spannung gemäß den Ausführungsformen hier zusammenhängen. In einer Ausführungsform weist die Spannungsanstiegsschaltung 240 das Computersystem 900 auf, um das Ansteigen der Spannung Vg zu ermöglichen.
Wie gezeigt, umfasst das Computersystem 900 des vorliegenden Beispiels ein Verbindung 911, mit der computerlesbare Speichermedien 912 wie beispielsweise eine nichtflüchtige Medienart (d. h. jede Art Hardwarespeichermedium), in denen digitale Informationen gespeichert und daraus abgerufen werden können, gekoppelt werden, einen Prozessor 913 (z. B. einen digitalen Signalprozessor), E/A-Schnittstelle 914 und eine Kommunikationsschnittstelle 917 auf.
Die E/A-Schnittstelle 914 stellt Anschlussmöglichkeiten für Ressourcen wie beispielsweise die Steuereinheit 140, die Speicherressource 980 usw. bereit.
Das computerlesbare Speichermedium 912 kann eine beliebige Hardwarespeichervorrichtung wie beispielsweise ein Speicher, ein optischer Speicher, eine Festplatte, eine Floppydiskette usw. sein. In einer Ausführungsform speichert das computerlesbare Speichermedium 912 Anweisungen und/oder Daten.
Die Kommunikationsschnittstelle 917 ermöglicht dem Computersystem 900 und dem Prozessor 913 mit anderen Ressourcen in der Leistungsversorgung 100 zu kommunizieren. Die E/A-Schnittstelle 914 ermöglicht dem Prozessor 913 Informationen zu empfangen und weiterzuleiten.
Wie gezeigt, ist das computerlesbare Speichermedium 912 mit der Spannungsanstiegsanwendung 240-1 codiert (z. B. Software, Firmware usw.), die durch den Prozessor 913 ausgeführt wird. Die Spannungsanstiegsanwendung 240-1 kann dazu konfiguriert sein, Anweisungen aufzuweisen, um alle hier erörterten Operationen zu implementieren.
Während des Betriebs einer Ausführungsform greift der Prozessor 913 durch Verwendung der Verbindung 911 auf das computerlesbare Speichermedium 912 zu, um die Anweisungen, die der Spannungsanstiegsanwendung 240-1 zugeordnet sind, die auf dem computerlesbaren Speichermedium 912 gespeichert ist, zu starten, laufen zu lassen, auszuführen, zu interpretieren oder anderweitig durchzuführen.
Die Ausführung der Spannungsanstiegsanwendung 240-1 erzeugt eine Verarbeitungsfunktionalität wie beispielsweise den Spannungsanstiegsprozess 240-2 im Prozessor 913. Anders ausgedrückt, der Spannungsanstiegsprozess 240-2, der dem Prozessor 913 zugeordnet ist, stellt einen oder mehrere Aspekt/e zum Ausführen der Spannungsanstiegsanwendung 240-1 im oder am Prozessor 913 im Computersystem 700 dar.
Wie vorstehend erörtert, kann die Spannungsanstiegsanwendung 240-1 dazu ausgebildet sein, ein mehrstufiges Ansteigen von Spannung Vg zu unterstützen, um den Steuerschalter 150 zu aktivieren.
10 ist ein Flussdiagramm 1000, das ein beispielhaftes Verfahren gemäß den Ausführungsformen veranschaulicht. Es wird darauf hingewiesen, dass sich die vorstehend erörterten Konzepte in manchen Bereichen überschneiden.
Im Verarbeitungsblock 1010 empfängt die Spannungsanstiegsschaltung 240 ein Schaltersteuersignal (z. B. ein Eingangssignal von der Steuereinheit 140), mit dem angegeben wird, den Steuerschalter Q1 in einen EIN-Zustand zu aktivieren. Ein gemeinsamer Knoten 325 in der Leistungsversorgung 100 schaltet den Steuerschalter 150 und einen Synchronschalter 160 in Reihe zwischen eine erste Referenzspannung (PVIN) und eine zweite Referenzspannung (Masse). Der gemeinsame Knoten 325 ist mit der Induktivität 144 gekoppelt, die der Last 118 in Abhängigkeit von Steuereinstellungen des Steuerschalters 150 und des Synchronschalters 160 Strom liefert.
Im Verarbeitungsblock 1020 empfängt die Spannungsanstiegsschaltung 240 eine Rückführspannung über einen Schaltungspfad (der den Kondensator 320 aufweist) vom gemeinsamen Knoten 325.
Im Verarbeitungsblock 1030 implementiert die Spannungsanstiegsschaltung 240 ein mehrstufiges Ansteigen eines Werts der Schaltersteuerspannung Vg. Das mehrstufige Ansteigen des Werts der Schaltersteuerspannung Vg lässt den Steuerschalter 150 aus einem AUS-Zustand in einen EIN-Zustand übergehen. Das mehrstufige Ansteigen des Werts der Schaltersteuerspannung Vg beinhaltet die Aktivierung von einem oder mehreren Ladepfad/en.
Im Unterverarbeitungsblock 1040 lädt während eines ersten Zeitsegments des Ansteigens des Werts der Schaltersteuerspannung die Spannungsanstiegsschaltung 240 den Gateknoten 398 des Steuerschalters 150 auf eine vorbestimmte Schwellenwertspannung Vth1 (auf irgendeinen geeigneten Wert) vor.
Im Unterverarbeitungsblock 1050 lädt während eines zweiten Zeitsegments des Ansteigens des Werts der Schaltersteuerspannung Vg die Spannungsanstiegsschaltung 240 den Gateknoten 398 des Steuerschalters 150 gemäß einer ersten Ladegeschwindigkeit. Anders ausgedrückt begrenzt der Widerstand 395 die Strommenge, die durch den Schalter Q1 fließt, um den Gateknoten 398 zu laden.
Im Unterverarbeitungsblock 1060 geht die Spannungsanstiegsschaltung 240 als Reaktion auf einen Zustand, in welchem ein Spannungswert am gemeinsamen Knoten 325 einen Schwellenwert Vth2 überschreitet, vom zweiten Zeitsegment zu einem dritten Zeitsegment über. In einer Ausführungsform ist der Schwellenwert Vth2 im Wesentlichen gleich der zweiten Referenzspannung (wie beispielsweise Masse), mit der ein Sourceknoten des Synchronschalters 160 verbunden ist. Der zweite Schwellenwert Vth2 kann allerdings irgendein geeigneter Wert sein.
Im Unterverarbeitungsblock 1070 lädt während des dritten Zeitsegments des Ansteigens des Werts der Schaltersteuerspannung Vg die Spannungsanstiegsschaltung 240 den Gateknoten 398 des Steuerschalters 150 gemäß einer zweiten Ladegeschwindigkeit, die größer als eine Ladegeschwindigkeit ist, die durch Strom bereitgestellt wird, der im Zeitsegment 2 durch den Widerstand 395 und den Schalter Q1 zum Gateknoten 398 fließt.
Es wird nochmals darauf hingewiesen, dass die Techniken hier gut zur Verwendung in Leistungsversorgungsanwendungen und zum Reduzieren von Verlusten in DC-zu-DC-Spannungsstromwandlern, schaltenden Leistungsversorgungen, synchronen Tiefsetzstellern usw. geeignet sind. Es wird allerdings darauf hingewiesen, dass die Ausführungsformen hier nicht auf die Verwendung in derartigen Anwendungen beschränkt sind und dass die hier erörterten Techniken auch genauso gut für die Verwendung in anderen Anwendungen geeignet sind.
Auf der Basis der hier dargelegten Beschreibung wurden zahlreiche spezielle Einzelheiten dargelegt, um ein umfassendes Verständnis des beanspruchten Erfindungsgegenstands zu vermitteln. Fachleute auf diesem Gebiet der Technik werden jedoch erkennen, dass der beanspruchte Erfindungsgegenstand ohne diese spezifischen Einzelheiten verwirklicht werden kann. In anderen Fällen wurden Verfahren, Vorrichtungen, Systeme usw., die dem Durchschnittsfachmann bekannt sind, nicht ausführlich beschrieben, so dass der beanspruchte Erfindungsgegenstand nicht verschleiert wird.
Einige Abschnitte der ausführlichen Beschreibung wurden als Algorithmen oder symbolische Darstellungen von Operationen an Datenbits oder digitalen Binärsignalen vorgestellt, die in einem Rechensystemspeicher wie beispielsweise ein Computerspeicher gespeichert sind. Diese algorithmischen Beschreibungen oder Darstellungen sind Beispiele von Techniken, die von den Durchschnittsfachleuten in der Datenverarbeitungstechnik verwendet werden, um anderen Fachleuten auf diesem Gebiet der Technik das Wesentliche ihrer Arbeit zu vermitteln. Im Allgemeinen wird ein Algorithmus, wie hier beschrieben, als eine eigenständige Sequenz von Operationen oder ähnlicher Verarbeitung angesehen, die zu einem gewünschten Ergebnis führt. In diesem Zusammenhang involvieren Operationen oder Verarbeitung physische Manipulation von physischen Mengen. Typischerweise, wenn auch nicht notwendigerweise, können derartige Mengen die Form von elektrischen oder magnetischen Signalen annehmen, die gespeichert, übertragen, kombiniert, verglichen oder anders gehandhabt werden können. Gelegentlich ist es, hauptsächlich aus Gründen des allgemeinen Gebrauchs, zweckmäßig, derartige Signale als Bits, Daten, Werte, Elemente, Symbole, Zeichen, Ausdrücke, Zahlen, Ziffern oder dergleichen zu bezeichnen. Es ist allerdings zu verstehen, dass all diese und ähnliche Ausdrücke entsprechenden physikalischen Größen zuzuordnen sind und rein zweckmäßige Kennzeichnungen sind. Soweit nicht ausdrücklich anders angegeben und aus der nachfolgenden Erörterung abzuleiten ist einzusehen, dass sich in dieser Spezifikation Erörterungen, in denen Ausdrücke wie beispielsweise „Verarbeiten“, „mit dem Computer verarbeiten“, „Berechnen“, „Bestimmen“ oder dergleichen verwendet werden, auf Vorgänge oder Prozesse einer Rechenplattform, wie beispielsweise ein Computer oder eine ähnliche elektronische Rechenvorrichtung, beziehen, mit dem/ der Daten, die als physische elektronische oder magnetische Mengen innerhalb von Speichern, Registern oder anderen Informationsspeichervorrichtungen, Übertragungsvorrichtungen oder Anzeigevorrichtungen der Rechenplattform dargestellt sind, gehandhabt oder transformiert werden, beziehen.

Claims

Schaltende Leistungsversorgungsschaltung, die aufweist: einen Steuerschalter; einen Synchronschalter; ein gemeinsamer Knoten, der den Steuerschalter und den Synchronschalter in Reihe zwischen eine erste Referenzspannung und eine zweite Referenzspannung schaltet, wobei der gemeinsame Knoten mit einer Induktivität gekoppelt ist, die einer Last Strom liefert; und eine Spannungsanstiegsschaltung, die mit dem Steuerschalter gekoppelt ist, wobei die Spannungsanstiegsschaltung die Erzeugung einer Schaltersteuerspannung regelt, die angelegt wird, um den Steuerschalter basierend auf einem Wert einer Rückführspannung zu regeln, die an einem Schaltungspfad von dem gemeinsamen Knoten erhalten wird.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung nach Anspruch 1, bei der die Spannungsanstiegsschaltung ein mehrstufiges Ansteigen eines Werts der Schaltersteuerspannung implementiert, wobei durch das mehrstufige Ansteigen des Werts der Schaltersteuerspannung der Steuerschalter aus einem AUS-Zustand in einen EIN-Zustand übergeht, wobei das mehrstufige Ansteigen des Werts der Schaltersteuerspannung die Aktivierung eines Ladepfads basierend auf dem Wert der Rückführspannung aufweist.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung nach Anspruch 2, bei der die Spannungsanstiegsschaltung: während eines ersten Zeitsegments des Ansteigens des Werts der Schaltersteuerspannung aus dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand einen Gateknoten des Steuerschalters auf eine vorbestimmte Schwellenwertspannung vorlädt; während eines zweiten Zeitsegments des Ansteigens des Werts der Schaltersteuerspannung aus dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand den Gateknoten des Steuerschalters gemäß einer ersten Ladegeschwindigkeit lädt; und während eines dritten Zeitsegments des Ansteigens des Werts der Schaltersteuerspannung aus dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand den Gateknoten des Steuerschalters gemäß einer zweiten Ladegeschwindigkeit lädt, wobei die zweite Ladegeschwindigkeit größer als die erste Ladegeschwindigkeit ist.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung nach Anspruch 3, bei der die Spannungsanstiegsschaltung als Reaktion auf einen Zustand, in welchem ein Spannungswert am gemeinsamen Knoten einen Schwellenwert überschreitet, vom zweiten Zeitsegment zum dritten Zeitsegment übergeht.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung nach Anspruch 4, bei der der Schwellenwert im Wesentlichen die zweite Referenzspannung ist, mit der ein Sourceknoten des Synchronschalters verbunden ist.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung nach Anspruch 4, bei der das Auftreten des Zustands eine Ladesteuerschaltervorrichtung aktiviert, die zwischen dem Schaltungspfad und dem Gateknoten des Steuerschalters angeordnet ist, um den Gateknoten des Steuerschalters zu laden.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung nach Anspruch 6, bei der der Schaltungspfad einen Kondensator aufweist, der eine Wechselspannung (AC) des gemeinsamen Knotens transportiert, um die Steuerschaltervorrichtung zu laden.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Spannungsanstiegsschaltung ein Eingangssteuersignal erhält, wobei das Eingangssteuersignal angibt, ob der Steuerschalter aktiviert werden soll; und bei der die Spannungsanstiegsschaltung die Schaltersteuerspannung basierend auf einer Kombination des Zustands des Eingangssteuersignals und des Werts der Rückführspannung erzeugt, die auf dem Schaltungspfad vom gemeinsamen Knoten empfangen wird.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Rückführpfad einen Kondensator aufweist, der die Rückführspannung vom gemeinsamen Knoten zu einer Ladesteuerschaltervorrichtung in der Spannungsanstiegsschaltung transportiert, wobei die Rückführspannung die Ladesteuerschaltervorrichtung in einen EIN-Zustand aktiviert, wobei eine Reihenkombination des Kondensators und der aktivierten Ladesteuerschaltervorrichtung die Rückführspannung zu einem Gateknoten des Steuerschalters transportiert.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Spannungsanstiegsschaltung eine Ladesteuerschalterelement aufweist, das aktiviert wird, wenn der Wert der Rückführspannung über einem Schwellenwert liegt, wobei die Aktivierung der Ladesteuerschaltervorrichtung eine Anstiegsrate eines Werts der Schaltersteuerspannung erhöht, während der der Steuerschalter aus einem AUS-Zustand in einen EIN-Zustand übergeht.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung nach Anspruch 1, bei der die Spannungsanstiegsschaltung einen ersten Ladesteuerpfad, einen zweiten Ladesteuerpfad und einen dritten Ladesteuerpfad aufweist, um die Schaltersteuerspannung zu erzeugen, wobei der erste Ladesteuerpfad, der zweite Ladesteuerpfad und der dritte Ladesteuerpfad jeweils während unterschiedlicher Zeitsegmente aktiviert werden, um einen Wert der Schaltersteuerspannung ansteigen zu lassen, wodurch der Steuerschalter aus einem AUS-Zustand in einen EIN-Zustand übergeht.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung nach Anspruch 11, bei der die Aktivierung des ersten Steuerpfads, des zweiten Steuerpfads und des dritten Steuerpfads während unterschiedlicher Zeitsegmente des mehrstufigen Ansteigens der Schaltersteuerspannung einen Wert eines Parameters reduziert, der aus der folgenden Gruppe ausgewählt wird: i) einer QRR der schaltenden Leistungsversorgungsschaltung, ii) Schaltverlusten in der schaltenden Leistungsversorgungsschaltung, und iii) einer Totzeit zwischen der Deaktivierung des Synchronschalters und der Aktivierung des Steuerschalters.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der Schaltungspfad ein Ladesteuerschalterelement aufweist, das als Reaktion auf einen Zustand aktiviert wird, in welchem ein Spannungswert des gemeinsamen Knotens über einen Schwellenwert ansteigt.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung nach Anspruch 13, bei der der Schaltungspfad eine Reihenschaltung mit einem Kondensator und der Ladesteuerschaltervorrichtung aufweist, wobei die Aktivierung der Ladesteuerschaltervorrichtung die Schaltersteuerspannung vom Kondensator zum Steuerschalter transportiert.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung, die aufweist: einen Steuerschalter; einen Synchronschalter; einen gemeinsamen Knoten, der den Steuerschalter und den Synchronschalter zwischen eine erste Referenzspannung und eine zweite Referenzspannung in Reihe schaltet, wobei der gemeinsame Knoten mit einer Induktivität gekoppelt ist, die einer Last Strom liefert; und eine Spannungsanstiegsschaltung, die mit dem Steuerschalter gekoppelt ist, wobei die Spannungsanstiegsschaltung einen ersten Ladepfad, einen zweiten Ladepfad und einen dritten Ladepfad aufweist: wobei der erste Ladepfad während eines ersten Zeitsegments einen Gateknoten des Steuerschalters auf eine vorbestimmte Schwellenwertspannung vorlädt, wobei der zweite Ladepfad während eines zweiten Zeitsegments ein Spannungswert des Gateknotens gemäß einer ersten Ladegeschwindigkeit ansteigen lässt; wobei der dritte Ladepfad der Spannungswert des Gateknotens gemäß einer zweiten Ladegeschwindigkeit ansteigen lässt, wobei die zweite Ladegeschwindigkeit größer als die erste Ladegeschwindigkeit ist.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung nach Anspruch 15, bei der der erste Ladepfad, der zweite Ladepfad und der dritte Ladepfad in einer Parallelschaltung parallel angeordnet sind.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung nach Anspruch 16, bei der die Parallelschaltung zu einem Kondensator in Reihe geschaltete ist, der mit dem gemeinsamen Knoten gekoppelt ist, wobei der Kondensator eine Wechselspannung (AC) des Schaltknotens zu einem Gateknoten des Steuerschalters transportiert.
Schaltende Leistungsversorgungsschaltung nach Anspruch 17, bei der der dritte Ladepfad eine Schaltervorrichtung aufweist, die in einen EIN-Zustand aktiviert wird, wenn der Wert der Eingangsspannung des Schalterknotens eine Schwellenwertspannung überschreitet, wobei die Aktivierung der Schaltervorrichtung in den EIN-Zustand den Kondensator elektrisch mit dem Gateknoten verbindet.
Verfahren, das aufweist: Empfangen eines Schaltersteuersignals, das anzeigt, einen Steuerschalter in einer Leistungsversorgung zu aktivieren, wobei ein gemeinsamer Knoten in der Leistungsversorgung den Steuerschalter und einen Synchronschalter zwischen einer erste Referenzspannung und einer zweite Referenzspannung in Reihe schaltet, wobei der gemeinsame Knoten mit einer Induktivität gekoppelt ist, die einer Last Strom liefert; Erhalten einer Rückführspannung über einen Schaltungspfad vom gemeinsamen Knoten; und Aktivieren eines Ladepfads, um eine Schaltersteuerspannung zu erzeugen, welche die Aktivierung des Steuerschalters regelt, basierend auf einem Wert der Rückführspannung.
Verfahren nach Anspruch 19, bei dem das Aktivieren des Ladepfads basierend auf dem Wert des Rückführspannungssignals die Aktivierung eines Ladesteuerschalterelements aufweist, mit der das Rückführspannungssignal, das über den Rückführpfad erhalten wird, mit einem Gateknoten des Steuerschalters elektrisch gekoppelt wird, wobei das Rückführspannungssignal den Gateknoten des Steuerschalters lädt, wobei die Ladesteuerschaltervorrichtung basierend darauf aktiviert wird, dass der Wert der Rückführspannung einen Schwellenwert überschreitet.
Verfahren nach Anspruch 20, bei dem der Rückführpfad einen Kondensator aufweist, der mit dem gemeinsamen Knoten gekoppelt ist, wobei das Verfahren ferner aufweist: Empfangen des Rückführspannungssignals durch den Kondensator, der mit dem gemeinsamen Knoten gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 19, das ferner aufweist: Implementieren eines mehrstufigen Ansteigens eines Werts der Schaltersteuerspannung, wobei der Steuerschalter durch das mehrstufige Ansteigen des Werts der Schaltersteuerspannung aus einem AUS-Zustand in einen EIN-Zustand übergeht, wobei das mehrstufige Ansteigen des Werts der Schaltersteuerspannung die Aktivierung des Ladepfads aufweist.
Verfahren nach Anspruch 22, bei dem das Implementieren des mehrstufigen Ansteigens des Werts der Schaltersteuerspannung aufweist: während eines ersten Zeitsegments des Ansteigens des Werts der Schaltersteuerspannung aus dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand, Vorladen eines Gateknotens des Steuerschalters auf eine vorbestimmte Schwellenwertspannung; während eines zweiten Zeitsegments des Ansteigens des Werts der Schaltersteuerspannung aus dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand, Laden des Gateknotens des Steuerschalters gemäß einer ersten Ladegeschwindigkeit; und während eines dritten Zeitsegments des Ansteigens des Werts der Schaltersteuerspannung aus dem AUS-Zustand in den EIN-Zustand, Laden des Gateknotens des Steuerschalters gemäß einer zweiten Ladegeschwindigkeit, wobei die zweite Ladegeschwindigkeit größer als die erste Ladegeschwindigkeit ist.
Verfahren nach Anspruch 23, das ferner aufweist: Übergehen aus dem zweiten Zeitsegment in das dritte Zeitsegment als Reaktion auf einen Zustand, bei dem ein Spannungswert am gemeinsamen Knoten einen Schwellenwert überschreitet.