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Die vorliegende Anmeldung betrifft Schaltspannungsregler, und insbesondere eine sofortige Transientenunterstützung für Schaltspannungsregler.
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Schaltspannungsregler werden aufgrund ihres hohen Wirkungsgrads und ihrer/ihres durch derartige Wandler benötigten, geringen Fläche/Volumens in modernen elektronischen Systemen weithin für eine Vielzahl von Anwendungen wie beispielsweise im Computerwesen (Server und Mobil) und POLs (Point-of-Load Systemen) zur Telekommunikation weithin eingesetzt. Weithin anerkannte Schaltspannungsreglertopologien umfassen Abwärts-, Aufwärts-, Abwärts-Aufwärts-, Vorwärts-, Sperr-, Halbbrücken-, Vollbrücken- und SEPIC-Topologien. Mehrphasen-Abwärtswandler sind insbesondere gut geeignet, um einen hohen Strom bei geringen Spannungen bereitzustellen, der von integrierten Hochleistungsschaltungen wie beispielsweise Mikroprozessoren, Grafikprozessoren und Netzwerkprozessoren erforderlich ist. Abwärtswandler werden mit aktiven Bauelementen wie beispielsweise einem Pulsweitenmodulations-(PWM)-Controller-IC (integrierte Schaltung), Treiberschaltkreisen, einer oder mehrerer Phasen, die Leistungs-MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistors) enthalten, und passiven Komponenten wie beispielsweise Spulen, Transformatoren oder gekoppelten Spulen, Kondensatoren und Widerständen implementiert. Mehrere Phasen (Leistungsstufen) können durch entsprechende Spulen parallel zur Last geschaltet werden, um die Anforderungen an einen hohen Ausgangsstrom zu erfüllen.
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Steile Lasttransienten (z.B. ein ansteigender Übergang von 0 A oder von nahe 0 A auf 200 A oder mehr in weniger als 1 µs) erfordern typischerweise umfangreiche und kostenintensive Kondensator-Entkopplungslösungen, um zu verhindern, dass die Ausgangsspannung unter ein festgelegtes Limit abfällt oder über ein solches ansteigt. Reglertopologien, die eine induktive Kopplung mit der Last einsetzen, besitzen wegen der durch die Ausgangsspulen, die verwendet werden, um den Regler mit der Last zu koppeln, begrenzte Stromanstiegsgeschwindigkeit (Slew-Rate), eine inhärente Begrenzung der Bandbreite, mit der der Regler Antwort bekommen kann. Herkömmliche Reglercontroller besitzen typischerweise eine Einrichtung zur Transientenunterstützung, um es allen Phasen eines Mehrphasenreglers zu ermöglichen, gleichzeitig einen Strom abzugeben oder aufzunehmen. Ebenso wurden Bypass-Schalter verwendet, um den Ausgangskondensator bei Bedarf zu entladen. Reglerphasen zum Tragen nur von Wechselstrom-(AC)-Inhalten wurden eingesetzt, um den Regler zu überbrücken. Allerdings erfordert eine durchgängige Verbesserung der Reglerbandbreite geringere Spulenwerte und eine höhere Schaltfrequenz auf Kosten des Wirkungsgrads. Von daher ist eine Lösung zur Handhabung steiler transienter Lastereignisse wünschenswert, die keinen größeren Ausgangskondensator, keine kleineren Ausgangsspulen, keine großen Bypass-Schalter und/oder keine erhöhte Anzahl von Phasen erfordert.
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Gemäß einer Ausgestaltung einer Spannungsreglerschaltung weist die Schaltung einen Spannungsregler auf, der durch eine Ausgangsspule elektrisch mit einer Last gekoppelt ist und so betrieben werden kann, dass er eine an die Last angelegte Spannung regelt, und einen Ausgangskondensator, der elektrisch mit einem Knoten zwischen der Spule und der Last gekoppelt ist, und eine Ladungsinjektionsschaltung, die mit dem Knoten kapazitiv gekoppelt ist. Der Ausgangskondensator ist dazu ausgebildet, während transienter Lastanstiegsereignisse (engl.: „step-up transient events“) an der Last in dem Kondensator gespeicherte Energie an die Last abzugeben, und während transienter Lastabfallereignisse (engl.: „step-down transient events“) an der Last Energie von der Last aufzunehmen. Die Ladungsinjektionsschaltung kann so betrieben werden, dass sie während der transienten Lastanstiegsereignisse eine Ladung in den Ausgangskondensator einspeist, und während der transienten Lastabfallereignisse Ladung von dem Ausgangskondensator aufnimmt.
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Gemäß einer Ausgestaltung eines Verfahrens zur Regelung einer Last weist das Verfahren auf: Regeln einer an die Last angelegten Spannung durch einen Spannungsregler, der durch einen Ausgangskondensator elektrisch mit der Last gekoppelt ist; Abgeben von Energie, die in einem Ausgangskondensator gespeichert ist, während transienter Lastanstiegsereignisse an der Last, an die Last, wobei der Ausgangskondensator elektrisch mit einem Knoten zwischen der Spule und der Last gekoppelt ist; Aufnehmen von Energie von der Last durch den Ausgangskondensator während transienter Lastabfallereignisse an der Last; Einspeisen von Ladung in den Ausgangskondensator während der transienten Lastabfallereignisse durch eine Ladungsinjektionsschaltung, die mit dem Knoten kapazitiv gekoppelt ist; und Aufnehmen von Ladungen von dem Ausgangskondensator während der transienten Lastabfallereignisse über die Ladungsinjektionsschaltung.
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Gemäß einer Ausgestaltung einer Ladungsinjektionsschaltung für eine Spannungsreglerschaltung, die durch eine Ausgangsspule elektrisch mit einer Last gekoppelt ist und die einen Ausgangskondensator aufweist, der elektrisch mit einem Knoten zwischen der Spule und der Last gekoppelt ist, weist die Ladungsinjektionsschaltung einen ersten Schalter, einen zweiten Schalter, einen Hilfskondensator, der einen ersten Anschluss aufweist, der ohne die Verwendung einer Spule elektrisch mit dem Knoten gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der durch den ersten Schalter schaltbar mit einer ersten Schienenspannung (engl.: „voltage rail“) und durch den zweiten Schalter mit einer von der ersten Schienenspannung verschiedenen zweiten Schienenspannung gekoppelt ist, und eine Bias-Spannung, die an den zweiten Anschluss des Hilfskondensators angelegt wird, auf. Der erste Schalter ist dazu ausgebildet, den zweiten Anschluss des Hilfskondensators während des transienten Lastanstiegsereignisses an der Last elektrisch mit der ersten Schienenspannung zu koppeln. Der zweite Schalter ist dazu ausgebildet, den zweiten Anschluss des Hilfskondensators während transienter Lastabfallereignisse an der Last elektrisch mit der zweiten Schienenspannung zu koppeln.
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Fachleute werden beim Lesen der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und bei der Betrachtung der begleitenden Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile erkennen.
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Die Elemente der Zeichnungen sind relativ zueinander nicht notwendigerweise maßstäblich. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen sind dargestellt und werden in der folgenden Beschreibung ausführlicher erläutert.
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1 zeigt ein Blockdiagramm eines Ausführungsbeispiels eines Schaltspannungsreglers, der eine sofortige Transientenunterstützung aufweist.
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2 zeigt verschiedene Kurven, die mit dem Betrieb des in 1 gezeigten Schaltspannungsreglers verbunden sind, bis zu und während eines transienten Lastanstiegsereignisses.
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3 zeigt verschiedene Kurven, die mit dem Betrieb des in 1 gezeigten Schaltspannungsreglers im Zusammenhang stehen, bis zu und während eines transienten Lastabfallereignisses.
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4 zeigt ein Blockdiagramm eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Schaltspannungsreglers, der eine sofortige Transientenunterstützung aufweist
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5 zeigt ein Blockdiagramm noch eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Schaltspannungsreglers, der eine sofortige Transientenunterstützung aufweist.
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Hierin beschriebene Ausführungsbeispiele geben während transienter Lastereignisse an den Ausgangskondensator eines Schaltspannungsreglers direkt Ladung ab oder nehmen direkt Ladung von diesem auf, um eine sofortige oder nahezu sofortige Transientenunterstützung zu bieten. Die hierin beschriebene Ladungsinjektionsschaltung ist ohne die Verwendung einer Spule kapazitiv mit dem Ausgangskondensator gekoppelt und gibt während transienter Lastanstiegsereignisse Ladung an den Ausgangskondensator ab und nimmt während transienter Lastabfallereignisse Ladung von dem Ausgangskondensator auf. Schalter, die in der Ladungsinjektionsschaltung enthalten sind, werden eingeschaltet, um den Ausgangskondensator durch einen Hilfskondensator direkt auf eine Schienenspannung (z.B. Vin, GND oder allgemein eine beliebige Spannung) zu laden oder zu entladen. Kurze Ansprechzeiten, die durch die Ladungsinjektionsschaltung ermöglicht werden, verringern den Kapazitätswert des Ausgangskondensators effektiv, was das Ansprechen der Gesamtausgangsspannung des Reglers verbessert. Die hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele gelten sowohl für Einzelphasen- als auch für Mehrphasenschaltspannungsregler. Die Ausdrücke "Phase" und "Leistungsstufe" werden hierin austauschbar verwendet, um die Ausgangskomponenten (z.B. Treiberschaltung, High-Side- und Low-Side-Transistoren, Spulen, etc.) eines Schaltspannungsreglers, die zudem während der Regelung zu dem an die Last abgegebenen Gesamtstrom beitragen, zu beschreiben.
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1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Spannungsreglerschaltung. Die Spannungsreglerschaltung weist einen Spannungsregler 100 auf, der elektrisch mit einer Last 102 gekoppelt ist, einen Ausgangskondensator Cout, der elektrisch mit einem Knoten 104 zwischen dem Reglerausgang und der Last 102 gekoppelt ist, und eine Ladungsinjektionsschaltung 106, die mit demselben Knoten 104 wie der Ausgangskondensator Cout kapazitiv gekoppelt ist. Der Spannungsregler 100 weist eine Leistungsstufe 108 auf, die dazu ausgebildet ist, aus einer Eingangsschienenspannung (Vin) eine Ausgangsspannung (Vout) zu erzeugen, und einen Controller 110 wie beispielsweise einen Mikrocontroller, einen Mikroprozessor, einen ASIC (anwenderspezifische integrierte Schaltung), etc., der so betrieben werden kann, dass er das Schalten der Leistungsstufe 108 steuert. Die Leistungsstufe 108 ist durch eine oder mehr Ausgangsspulen (L1, ..., Ln) und den Ausgangskondensator Cout elektrisch mit der Last 102 gekoppelt. Der Spannungsregler 100 kann eine beliebige induktiv gekoppelte Topologie wie beispielsweise eine Abwärts-, Aufwärts-, Abwärts-Aufwärts-, Vorwärts-, Sperrwandler-, Halbbrücken-, Vollbrücken-, etc. -Topologie aufweisen.
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Die Leistungsstufe 108 weist eine oder mehrere Phasen auf, die durch die entsprechende Ausgangsspule induktiv mit der Last 102 gekoppelt sind. Jede Phase weist einen High-Side-Transistor und einen Low-Side-Transistor auf. Der High-Side-Transistor verbindet die Last 102 schaltbar mit der Eingangsschienenspannung (Vin) des Reglers 100, und der entsprechende Low-Side-Transistor verbindet die Last 102 zu anderen Zeiten schaltbar mit einer zweiten Schienenspannung, z.B. Masse. Im Allgemeinen kann die Leistungsstufe 108 eine beliebige gewünschte Anzahl von Phasen enthalten, die eine Phase (Einzelphasenimplementierung) oder mehr als eine Phase (Mehrphasenimplementierung) aufweisen. Bei der durch den Spannungsregler 100 mit Energie versorgten Last 102 kann es sich um eine integrierte Hochleistungsschaltung wie beispielsweise einen Mikroprozessor, einen Graphikprozessor, einen Netzwerkprozessor, etc., oder eine beliebige andere Art von integrierter Schaltung, die, wie beispielsweise eine POL (Point-of-Load), eine Spannungsregelung benötigt, handeln.
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Der Spannungsregler 100 kann so betrieben werden, dass er die an die Last 102 angelegte Spannung Vout regelt. In dem Fall, in dem der Spannungsregler 100 durch eine oder mehr Ausgangsspulen (L1, ..., Ln) elektrisch mit der Last 102 gekoppelt ist, ist der Ausgangskondensator Cout elektrisch mit einem Knoten 104 zwischen der/den Ausgangsspule/n und der Last 102 gekoppelt. Im Fall eines Einphasenspannungsreglers weist die Leistungsstufe 108 eine einzelne Ausgangsspule L1 auf, die den Regler 100 induktiv mit der Last 102 koppelt. Im Fall eines Mehrphasenspannungsreglers weist die Leistungsstufe 108 für jede Phase der Leistungsstufe 108 eine Ausgangsspule L1, ... Ln auf. Jede Phase ist durch die betreffende Ausgangsspule L1, ... Ln induktiv mit der Last 102 gekoppelt.
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Der Reglercontroller 110 regelt die von der Leistungsstufe 108 an die Last 102 angelegte Spannung Vout, indem er den der Last 102 zugeführten Strom einstellt. Der Controller 110 kann eine Pulsweitenmodulator-(PWM)-Einheit 112 aufweisen, um die Transistoren der Leistungsstufe 108 durch ein entsprechendes PWM-Steuersignal (PWM) zu schalten, so dass die Leistungsstufe 108 der Last 102 Strom zuführt oder von dieser aufnimmt. Wenn sich das PWM-Steuersignal auf einem logischen "High"-Pegel befindet, wird der entsprechende High-Side-Transistor in einen leitenden Zustand versetzt, der Spulenstrom wird durch den High-Side-Transistor zugeführt, und der Strom durch die Spule steigt für die Dauer an. Wenn der Strom durch den High-Side-Transistor abgezogen wird, verringert sich der Spulenstrom. Dies wird allgemein als "Einschaltzeit" bezeichnet. Wenn sich das PWM-Steuersignal auf einem logischen „Low“-Pegel " befindet, wird der entsprechende Low-Side-Transistor in einen leitenden Zustand versetzt, Strom wird von dem Low-Side-Transistor bereitgestellt oder abgezogen, und der Strom durch die Spule verringert sich für die Dauer. Dies wird allgemein als "Ausschaltzeit" bezeichnet. Wenn sich das PWM-Steuersignal auf einem trivalenten oder hochohmigen Logikpegel befindet (das PWM-Steuersignal weder "High" noch "Low" ist), werden sowohl der High-Side- als auch der Low-Side-Transistor in einen nicht-leitenden Zustand versetzt, Strom wird entweder durch die Low-Side- oder High-Side-Transistor-Bodydiode zugeführt oder abgezogen, und die Stärke des Stroms durch die Spule verringert sich in Richtung Null. Dies wird allgemein als die "HiZ-Zeit" oder "inaktive Zeit" bezeichnet, und die Leistungsstufe 108 wird als in einem "High Z" oder inaktivem Zustand befindlich betrachtet.
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Die Leistungsstufe 108 enthält außerdem einen Steuerschaltkreis, um den Gates des High-Side- und Low-Side-Transistors der Leistungsstufe 108 als Reaktion auf die durch den Controller 110 bereitgestellten PWM-Steuersignale entsprechende Gateansteuersignale zuzuführen. Der Steuerschaltkreis und die Leistungstransistoren der Leistungsstufe 108 sind zur Vereinfachung der Darstellung in 1 nicht gezeigt. Der Aktivierungszustand einer jeden Leistungsstufenphase und das Tastverhältnis der zugehörigen High-Side- und Low-Side-Transistoren werden zumindest teilweise basierend auf der an die Last 102 angelegten Ausgangsspannung Vout bestimmt, so dass der Spannungsregler 100 so schnell und zuverlässig wie möglich auf sich ändernde Lastbedingungen reagieren kann.
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Der Controller 110 kann mit Änderungen von einer Referenzspannung zu einer anderen zurechtkommen. Der Controller 110 kann auch Abweichungen zwischen der Ausgangsspannung Vout und einer Referenz-(Ziel-)-Spannung bestimmen und die Spannungsabweichung in eine digitale Darstellung umwandeln, die der PWM-Einheit 112 des Controllers 110 zugeführt wird, um den Schaltzyklus von Leistungsstufentransistoren z.B. durch Einstellen des Tastverhältnisses zu modifizieren. Der Controller 110 kann auch Transientenunterstützungsfunktionen wie beispielsweise ein aktives Transientenansprechen implementieren, um auf transiente Ereignisse an der Last zu reagieren, z.B. indem alle Phasen eines Mehrphasenreglers aktiviert werden, um, als Reaktion auf ein transientes Lastereignis, den Strom simultan abzugeben oder aufzunehmen. Derartige Spannungsreglerfunktionen sind Standard in typischen digital gesteuerten Schaltspannungsreglern, weshalb in dieser Hinsicht keine weitere Erläuterung gegeben wird.
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Während ansteigender transienter Ereignisse an der Last 102 wird die auf dem Ausgangskondensator Cout gespeicherte Ladung an die Last 102 abgegeben. Umgekehrt nimmt der Ausgangskondensator Cout während eines abfallenden transienten Ereignisses an der Last Energie von der Last 102 auf. Ein transientes Lastanstiegsereignisereignis führt zu einem sofortigen oder beinahe sofortigen Anstieg des Laststroms (z.B. 0 A oder beinahe 0 A bis 200 A oder mehr in weniger als 1 µs). Ein transientes Lastabfallereignis führt zu einem sofortigen oder beinahe sofortigen Abfall des Laststroms.
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Die Ladungsinjektionsschaltung 106 ist kapazitiv mit demselben Knoten 104 gekoppelt wie der Ausgangskondensator Cout. Der Ausdruck "Ausgangskondensator", wie er hierin verwendet wird, bezieht sich auf einen einzelnen Kondensator oder eine Kondensatorbank. In jedem Fall kann die Ladungsinjektionsschaltung 106 so betrieben werden, dass sie während aufsteigender transienter Ereignisse Ladung in den Ausgangskondensator Cout einspeist und während abfallender transienter Ereignisse Ladung von dem Ausgangskondensator Cout aufnimmt. Es werden keine Spulen verwendet, um die Ladungsinjektionsschaltung 106 elektrisch mit dem Ausgangskondensator Cout zu koppeln. Auf diese Weise gibt es auf dem elektrischen Weg zwischen der Ladungsinjektionsschaltung 106 und dem Ausgangskondensator Cout lediglich eine parasitäre Induktivität. Von daher bietet die Ladungsinjektionsschaltung 106 eine sofortige oder beinahe sofortige Unterstützung während aufsteigender und abfallender transienter Ereignisse an der Last 102. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist die Ladungsinjektionsschaltung 106 in einem anderen Halbleiter-Die angeordnet als der Spannungsregler 100. Das Die, das die Ladungsinjektionsschaltung 106 enthält, ist näher an dem Ausgangskondensator Cout angeordnet als der/die Ausgangsspule(n) des Spannungsreglers 100, um die parasitäre Induktivität zwischen der Ladungsinjektionsschaltung 106 und dem Ausgangskondensator Cout zu verringern.
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Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist die Ladungsinjektionsschaltung 106 einen ersten Schalter S1, einen zweiten Schalter S2 und einen Hilfskondensator Caux auf. Der Hilfskondensator Caux besitzt einen ersten Anschluss 114, der, ohne Verwendung einer Spule, elektrisch mit demselben Knoten 104 gekoppelt ist wie der Ausgangskondensator Cout, und einen zweiten Anschluss 116, der, durch den ersten Schalter S1, schaltbar mit einer ersten Schienenspannung, z.B. Vin, gekoppelt ist, und, durch zweiten Schalter S2, mit einer von der ersten Schienenspannung verschiedenen zweiten Schienenspannung (V2), z.B. Masse. Eine Bias-Spannung Vaux wird an den zweiten Anschluss 116 des Hilfskondensators Caux angelegt. Der erste Schalter S1 ist dazu ausgebildet, den zweiten Anschluss 116 des Hilfskondensators Caux während ansteigender transienter Ereignisse an der Last 102 elektrisch mit der ersten Schienenspannung zu koppeln, und der zweite Schalter S2 ist dazu ausgebildet, den zweiten Anschluss 116 des Hilfskondensators Caux während abfallender transienter Ereignisse an der Last 102 elektrisch mit der zweiten Schienenspannung V2 zu koppeln. Für die Schalter S1, S2 kann jeder Standard-Transistortyp verwendet werden. Der offene/geschlossene Zustand des ersten Schalters S1 wird durch ein erstes Signal ATRH gesteuert, und der offene/geschlossene Zustand des zweiten Schalters S2 wird durch ein zweites Signal ATRL gesteuert. Die Signale ATRH, ATRL können von der Ladungsinjektionsschaltung 106 erzeugt oder der Ladungsinjektionsschaltung 106 von extern, z.B. durch den Reglercontroller 110, zugeführt werden.
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2 zeigt verschiedene Kurven hinführend zu und während eines aufsteigenden transienten Ereignisses an der Last 102, die den Betrieb der Ladungsinjektionsschaltung 106 veranschaulichen, und 3 zeigt dieselben entsprechenden Kurven hinführend zu und während eines abfallenden transienten Ereignisses an der Last 102. In beiden Figuren veranschaulicht die Kurve (a) das transiente Lastereignis an der Last 102 und die entsprechende Reaktion des Reglers 100. Kurve (b) veranschaulicht den Status des ATRH- oder ATRL-Signals in Abhängigkeit vom Typ (aufwärts oder abwärts) des transienten Lastereignisses. Als Reaktion auf die Detektion einer ansteigenden Laststufe wird der Schalter S1 durch das ATRH-Signal eingeschaltet, und der Hilfskondensator Caux lädt sich während des ansteigenden transienten Lastereignisses auf Vin-Vout auf. Die Ladung wird schnell von dem Hilfskondensator Caux an den Ausgangskondensator Cout übertragen. Für abfallende Laststufen wird der Schalter S2 durch das ATRL-Signal eingeschaltet, und der Hiflskondensator Caux nimmt schnell Ladung von dem Ausgangskondensator Cout auf und gibt die aufgenommene Ladung während des abfallenden transienten Lastereignisses an Masse oder irgendeine andere Schienenspannung, die geringer ist als Vout, ab.
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Kurve (c) veranschaulicht die während des transienten Lastereignisses als Reaktion auf das ATRH- oder ATRL-Signal von der Ladungsinjektionsschaltung 106 abgegebene oder aufgenommene Ladung. Kurve (d) veranschaulicht die Reaktion der Ausgangsspannung Vout, die der Last 102 von dem Regler 100 zugeführt wird, mit und ohne Unterstützung durch die Ladungsinjektionsschaltung 106. Für ansteigende transiente Lastereignisse verringert die durch die Ladungsinjektionsschaltung 106 an den Ausgangskondensator Cout abgegebene Ladung einen Einbruch von Vout oder eliminiert diesen sogar, so dass Vout während ansteigender transienter Lastereignisse nicht unterhalb eine akzeptable untere Grenze abfällt. Für abfallende transiente Lastereignisse verringert die von dem Ausgangskondensator Cout durch die Ladungsinjektionsschaltung 106 aufgenommene Ladung ein Überschießen von Vout oder eliminiert dieses sogar, so dass Vout während abfallender transienter Lastereignisse eine akzeptable obere Grenze nicht übersteigt. In beiden Fällen wird der Aufwärts- oder Abwärts-Übergang der Ausgangsspannung Vout aufgrund von Begrenzungen der Flankensteilheit nicht verlangsamt, da es keine aktive Induktivität zwischen dem Hilfskondensator Caux und dem Ausgangskondensator Cout gibt.
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Spannungsabweichungen über dem Hilfskondensator Caux der Ladungsinjektionsschaltung 106 können während transienter Lastereignisse 1 V übersteigen. Beispielsweise können die Spannungsabweichungen mehrere Volt übersteigen. Im Gegensatz dazu können die Spannungsabweichungen über dem Ausgangskondensator Cout der Reglerschaltung typischerweise den mV-Bereich nicht übersteigen, um eine ordnungsgemäße Regelung der Last 102 aufrecht zu erhalten. Von daher ist der Ausgangskondensator Cout häufig relativ groß, z.B. im Millifarad-Bereich. Weil der Hilfskondensator Caux der Ladungsinjektionsschaltung 106 wesentlich größere Spannungsabweichungen tolerieren darf, kann der Hilfskondensator Caux signifikant kleiner sein als der Ausgangskondensator Cout, z.B. im Mikrofarad-Bereich. Gemäß einem Ausführungsbeispiel liegt ein Verhältnis der Kapazität des Hilfskondensators Caux zur Kapazität des Ausgangskondensators Cout im Bereich von 1/20 bis 1/100.
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Die Ladungsinjektionsschaltung 106 kann auch das Schalten bei Nullstrom implementieren, um den Wirkungsgrad zu erhöhen und die Größe der Schalter S1, S2, die eingesetzt werden, um den zweiten Anschluss 116 des Hilfskondensators Caux schaltbar mit der ersten und zweiten Schienenspannung zu koppeln, zu reduzieren. Das Schalten bei Nullstrom bringt es mit sich, dass die Schalter S1, S2 nur abgeschaltet werden, wenn sich der Kondensatorstrom bei oder nahe bei null befindet. Beispielsweise wird der erste Schalter S1 während ansteigender transienter Ereignisse eingeschaltet, wenn sich der Strom des Hilfskondensators bei oder nahe bei null befindet, und er wird abgeschaltet, wenn der Strom des Hilfskondensators, wie bei der Kurve (c) gemäß 2 gezeigt, auf null oder nahe Null zurückkehrt. Während abfallender Lastereignisse wird der zweite Schalter S2 eingeschaltet, wenn der Strom des Hilfskondensators bei oder nahe bei null liegt, und abgeschaltet, wenn der Strom des Hilfskondensators, wie bei der Kurve (c) gemäß 3 gezeigt, auf null oder nahe null zurückkehrt. Auf diese Weise können kleinere, hochohmige Transistoren eingesetzt werden, um Schalter S1, S2 der Ladungsinjektionsschaltung 106 zu implementieren.
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Die an den zweiten Anschluss 116 des Hilfskondensators Caux angelegte Bias-Spannung Vaux erlaubt es, den Hilfskondensator Caux zu laden, um zwischen transienten Lastereignissen auszugleichen. Das heißt, die Bias-Spannung Vaux löscht die Ladung auf dem Hilfskondensator Caux zwischen transienten Lastereignissen. Die Bias-Spannung Vaux kann fest oder einstellbar sein. Die Bias-Spannung Vaux ist gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel fest. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel weist die Ladungsinjektionsschaltung 106 außerdem ein resistives Teilernetzwerk auf, das elektrisch zwischen die erste Schienenspannung und die zweite Schienenspannung gekoppelt ist. Das resistive Teilernetzwerk enthält einen ersten Widerstand R1 und einen zweiten Widerstand R2. Die Bias-Spannung Vaux wird basierend auf dem Verhältnis R1/R2 eingestellt. Die Widerstände R1 und R2 sind relativ groß, z.B. im Kiloohm-Bereich, so dass der Hilfskondensator Caux während der normalen Regelung einen geringen oder überhaupt keinen Effekt besitzt und sich auf die Bias-Spannung Vaux einstellt.
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4 veranschaulicht ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Spannungsreglerschaltung. Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Abweichend ist jedoch die Position der Schalter S1, S2 relativ zu den Widerständen R1, R2 des resistiven Teilernetzwerks vertauscht. Ferner kann der Reglercontroller 110 so betrieben werden, dass er einen Strom misst, der der Last 102 durch den Spannungsregler 100 zugeführt wird, und dass er den Betrieb der Ladungsinjektionsschaltung 106 basierend auf dem gemessenen Strom durch die ATRH- und ATRL-Signale steuert.
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Der Controller 110 kann einen beliebigen Standard-Strommessschaltkreis 118 enthalten, um den der Last 102 zugeführten Strom zu messen. Beispielsweise kann die Leistungsstufe 108 ein RC-Strommessnetzwerk enthalten, das zu jeder Phase des Spannungsreglers 100 parallel geschaltet ist. Das RC-Strommessnetzwerk ist für den DCR (nicht idealen DC-Widerstand) der entsprechenden Ausgangsspule verantwortlich. Die über dem Messkondensator des RC-Strommessnetzwerks gemessene Spannung repräsentiert die Spannung über dem DCR dieser Ausgangsspule, was bedeutet, dass der Strom durch die Spule mit dem Verhältnis der Kondensatorspannung zum DCR-Wert verknüpft ist. Die Strommessschaltung 118 kann den Strom durch jede Spule basierend auf der über den Messkondensatoren des entsprechenden RC-Strommessnetzwerks gemessenen Spannung abschätzen. Bei einem anderen Beispiel kann es sich bei der Strommessschaltung 118 um einen integrierten Strommesssensor handeln, wobei der Strommessschaltkreis 118 den Strom durch die entsprechenden Ausgangsspulen misst. Es können noch andere Standard-Lösungsansätze eingesetzt werden.
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Die ATRH- und ATRL-Signale werden von dem Controller 110 als Teil von Standard-Strommess- und transienten Unterstützungsfunktionen wie beispielsweise eine aktive transiente Antwort durch die Reglerschaltung erzeugt. Gemäß dem in 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel gibt der Controller 110 die ATRH- und ATRL-Signale an die Ladungsinjektionsschaltung 106 aus. Die ATRH- und ATRL-Signale werden an der Ladungsinjektionsschaltung 106 empfangen und steuern den Ein-/Aus-Zustand der Schalter S1, S2, wie vorangehend beschrieben.
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5 zeigt noch ein anderes Beispiel der Spannungsreglerschaltung. In 5 ist der Schaltspannungsregler 100 als Mehrphasenregler implementiert, wobei jede Phase ("Phase 1", ..., "Phase N") der Leistungsstufe 108 Strom (Iph1, ..., Iph_N) an die Last 102 liefert. Die PWM-Einheit 112 des Controllers 110 bewerkstelligt das Schalten jeder Phase der Leistungsstufe 108 durch ein entsprechendes PWM-Steuersignal (PWM1, ..., PWM_N), so dass die Leistungsstufe 108 über die entsprechende Ausgangsspule (L1, ..., Ln) Strom an die Last 102 abgibt oder von dieser aufnimmt. Das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel ist ähnlich dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel. Abweichend ist jedoch die an den zweiten Anschluss 116 des Hilfskondensators Caux der Ladungsinjektionsschaltung 106 angelegte Bias-Spannung Vaux dynamisch einstellbar. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Bias-Spannung Vaux als Funktion des Laststroms dynamisch eingestellt. Beispielsweise kann die Bias-Spannung Vaux verringert werden, wenn ein ansteigendes transientes Ereignis stringenter ist als ein abfallendes transientes Ereignis, und erhöht werden, wenn das abfallende transiente Ereignis stringenter ist als das ansteigende transiente Ereignis. Ein ansteigendes transientes Ereignis ist stringenter als ein abfallendes transientes Ereignis, wenn der Laststrom bei oder nahe Null ist und schnell auf z.B. 200 A oder mehr ansteigen muss. In diesem Fall kann die Bias-Spannung Vaux so eingestellt werden, dass der Hilfskondensator Caux auf Vin geladen wird. Umgekehrt ist ein abfallendes transientes Ereignis stringenter als ein ansteigendes transientes Ereignis, wenn sich der Laststrom bei oder nahe seinem Maximalwert, z.B. 200 A oder mehr, befindet, und schnell auf null oder nahe null verringert werden muss. In diesem Fall kann die Bias-Spannung Vaux so eingestellt werden, dass der Hilfskondensator Caux nach Masse entladen wird.
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Weiterhin weist die Ladungsinjektionsschaltung 106 gemäß dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel einen linearen Spannungsregler oder einen Schalter 120 auf, der so betrieben werden kann, dass er die an den zweiten Anschluss 116 des Hilfskondensators Caux angelegte Bias-Spannung Vaux basierend auf einem Stromsignal einstellt, das er von dem Reglercontroller 110 empfängt. Das Stromsignal ist eine Funktion des gesamten Stroms, der der Last 102 durch den Spannungsregler 100 zugeführt wird und der durch die Strommessschaltung 118 des Controllers 110, wie vorangehend beschrieben, gemessen wird.
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Bei noch einem anderen Ausführungsbeispiel erzeugt der Reglercontroller 110 die Bias-Spannung Vaux und legt Vaux an den zweiten Anschluss 116 des Hilfskondensators Caux an. Beispielsweise kann der Controller 110 die Bias-Spannung Vaux basierend auf dem von dem Strommessschaltkreis 118 gemessenen Laststrom bestimmen.
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Bei noch einem anderen Ausführungsbeispiel kann eine bestehende Schienenspannung für die an den zweiten Anschluss 116 des Hilfskondensators Caux angelegte Bias-Spannung Vaux verwendet werden, solange die Schienenspannung ausreichend ohmsch ist, um die Ladung auf dem Hilfs kondensator Caux zwischen Transienten zu beseitigen, aber nicht zu ohmsch so dass die Ladung nicht ausreichend beseitigt wird.
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Es versteht sich, dass die Merkmale der verschiedenen hierin beschriebenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können, sofern nicht ausdrücklich anders erwähnt.
