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Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf Abwärtswandler, insbesondere auf das Begrenzen von Einschaltstrom beim Einschalten von Abwärtswandlern.
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Abwärtswandler, die sowohl Einphasen- als auch Mehrphasen-Abwärtswandler umfassen, sind aufgrund ihrer hohen Effizienz und der kleinen erforderlichen Fläche/des kleinen erforderlichen Volumens für ihre Umsetzung in Hochleistungsanwendungen weit verbreitet. Integrierte Hochleistungsschaltungen, wie etwa Mikroprozessoren, Grafikprozessoren, Netzwerkprozessoren, Hochgeschwindigkeitsspeicher usw., erfordern eine hohe Stromstärke bei niedriger Spannung. In Datenverarbeitungsanwendungen steuern Abwärtswandler Lasten mit hoher Ausgangskapazität, wie etwa Speicherbänke wie DIMMs (Dual Inline Memory Modules), an und/oder sind sehr großen stringenten Einschaltbeschränkungen ausgesetzt. Beispielsweise kann die Ausgangsspannung auf eine enge Spannungstoleranz geregelt werden, um den Betrieb von einer oder mehreren Speicherbänken zu optimieren. Die Ausgangslast und Ausgangskapazität, die von einem Abwärtswandler unterstützt werden, sind häufig ziemlich variabel. Erneut hängt im Fall von Speicherbänken als die Last die Ausgangskapazität davon ab, ob die Speicherbanksockel, z. B. in der Regel von 1 bis 12 Sockeln reichend, bestückt oder nicht bestückt sind. Die Ausgangsleistung kann daher in Abhängigkeit von der Systemlast ziemlich variabel sein, sodass die verfügbare Eingangsleistung stark beschränkt sein kann und ihre Fähigkeit einfach überschritten werden kann.
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Während der Einschaltzeit eines Abwärtswandlers resultiert die hohe Ausgangskapazität in einem sehr langsam reagierenden System. Standardschemas mit schneller Kompensation geben größere PWM-(Pulsweitenmodulation)-Pulse aus, um mehr Strom zum Laden der hohen Ausgangskapazität zuzuführen. Dies wird als ein „Einschaltstrom“ angesehen. Je größer die Ausgangskapazität, desto größer der Einschaltstrom. Letztlich erreicht die Spannung über die Ausgangskapazität eine Weichstart-Referenzspannung. Ein gewisses Maß an Überschwingen kann zu beobachten sein, da die Ausgangsinduktivität(en) des Abwärtswandlers weiterhin die Ausgangskapazität laden, auch wenn keine PWM-Aktivität vorliegt. Das heißt, dass der Einschaltstrom in das System schießt und bewirkt, dass die Ausgangsspannung mit einer schnelleren Rate als programmiert steigt, und daher steigt die Ausgangsspannung nicht mit einer konstanten Rate von 0 V auf die finale Sollwertspannung. Eine große Menge an Einschaltstrom erhöht auch das Risiko des Auslösens einer Systemabschaltung aufgrund des Überstromschutzes.
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Eine typische Lösung zum Verringern der Auswirkung des Einschaltstroms und zum Lösen von Überstromschutzfehlern beim Einschalten des Abwärtswandlers besteht darin, die (Anstiegs)rate zu verringern, mit der die Zielspannung ansteigt. Dieser Ansatz bietet eine sich langsamer bewegende Referenz für das Verfolgen der Ausgangsspannung und erfordert weniger Ausgangsstrom. Die Verringerung der Anstiegsgeschwindigkeit verringert geringfügig die erforderliche Spitze, der Einschaltstrom ist aber immer noch vorhanden. Darüber hinaus wirkt sich eine verringerte Anstiegsgeschwindigkeit prinzipiell auf den Ruhestrom aus, der erforderlich ist, um die Ausgangskapazität zu laden, und nicht auf die anfängliche Einschaltzeit. Bei einem anderen Ansatz wird eine harte Grenze bei der Menge des Spitzenstroms gesetzt, die das Steuersystem durch die Schaltleistungsstufe hindurch lässt. Allerdings erfordert dieser Ansatz eine sehr niedrige Spitzenstromgrenze, was eine Spannungsregelung während normaler transienter Bedingungen verhindert. Außerdem besitzt das System eine schlechte Erholung/ein Schlechtes Ansprechverhalten, wenn die Ausgangsspannung den Zielpegel erreicht. Noch weitere Ansätze umfassen das Erhöhen oder Überdimensionieren der Fähigkeiten des Leistungssystems, was zu Ineffizienzen während des regulären Betriebs führt und/oder die Anzahl an Speichermodulen oder die Ausgangskapazität begrenzt, was die Endanwendung einschränkt.
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Die
US 9 131 553 B2 beschreibt einen LED-Treiber mit einem Spannungswandler, der dazu ausgebildet ist, eine über einer LED-Anordnung anliegende Spannung auf einen Referenzwert zu regeln. Um während des Hochfahrens einen Überstrom zu vermeiden, wird der Referenzwert während einer Sanft-Anlaufphase von einem Anfangswert auf einen Zielwert erhöht.
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Die
CN 2 04 695 151 U und die
US 2015 / 0 256 060 A1 beschreiben jeweils einen Spannungsregler mit einer Sanft-Anlaufschaltung.
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Es besteht ein Bedarf nach verbesserten Techniken zum Begrenzen von Einschaltstrom beim Einschalten von Abwärtswandlern.
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Ein Ausführungsbeispiel betrifft ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Weitere Ausführungsbeispiele betreffen einen Abwärtswandler gemäß Anspruch 9 und einen Abwärtswandler gemäß Anspruch 18.
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Zusätzliche Merkmale und Vorteile werden für einen Fachmann bei der Lektüre der folgenden ausführlichen Beschreibung und bei der Betrachtung der begleitenden Zeichnungen ersichtlich.
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Die Elemente der Zeichnungen sind nicht notwendigerweise relativ zueinander maßstabsgetreu. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende ähnliche Teile. Ausführungsformen sind in den Zeichnungen dargestellt und ausführlich in der folgenden Beschreibung beschrieben.
- 1 stellt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Abwärtswandlers dar, der dazu ausgelegt ist, Einschaltstrom beim Einschalten zu begrenzen.
- 2 stellt ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Begrenzen von Einschaltstrom beim Einschalten eines Abwärtswandlers dar.
- 3 stellt verschiedene mit dem Einschalten des Abwärtswandlers aus 1 verknüpfte Wellenformen dar.
- 4 stellt ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines mit einem Speichersystem gekoppelten und eine Steuerung mit mehreren Regelkreisen aufweisenden Abwärtswandlers dar, der dazu ausgelegt ist, Einschaltstrom beim Einschalten zu begrenzen.
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Hier beschriebene Ausführungsformen bieten einen Mechanismus zum Steuern von Strom, der einer Last mit hoher Kapazität, wie etwa einer Bank von Speichermodulen oder anderen Typen von integrierten Schaltungen mit hoher Ausgangskapazität, von einem Abwärtswandler zugeführt wird, und zum Steuern von Strom, der einer Last in Fällen von schnell steigenden Ausgangsspannungsraten beim Einschalten von einem Abwärtswandler zugeführt wird. Die Einschaltzeit ist aufgrund des Stroms, der zum Laden der Ausgangskapazität erforderlich ist, und des Wunsches, die schnellstmögliche Anstiegsgeschwindigkeit aufzuweisen, von spezieller Bedeutung. Die hier beschriebenen Ausführungsformen erlauben verringerte Beschränkungen bei den Anforderungen hinsichtlich Eingangsleistungsversorgung, Filterung und Entkopplung und bringen Leistungsverbesserungen, die sich als erhöhte Reserve, robusterer Betrieb und/oder verringerte Systemkosten, verringerter Leistungsverlust und verringerte Lösungsgröße manifestieren. Die hier beschriebenen Ausführungsformen stellen einen Mechanismus zum Konfigurieren oder Setzen einer Spitzenstromgrenzschwelle während der Einschaltzeit eines Abwärtswandlers und zum dynamischen Ändern oder Einstellen der Spitzenstromgrenzschwelle während der Einschaltzeit zum Steuern des Einschaltstroms bereit. Die Spitzenstromgrenze wird anfänglich niedrig gesetzt und wird dann, entweder mittels eines Anhebungsmechanismus oder in einem einzelnen Schritt, auf einen höheren Wert erhöht, der für normale Betriebsperioden geeignet ist.
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1 stellt eine Ausführungsform eines Abwärtswandlers 100 dar, der dazu ausgelegt ist, eine oder mehrere an eine Last 102 angelegte Spannungen zu regeln, die einen hohen Strom bei niedriger Spannung erfordert und/oder eine hohe Ausgangskapazität aufweist. Im Falle einer Last mit hoher Ausgangskapazität kann die Ausgangskapazität im Bereich von Mikrofarad liegen. Die Last 102 wird in 1 generisch als eine Stromsenke dargestellt und kann jeder Typ von Last sein, die einen hohen Strom bei niedriger Spannung erfordert und/oder eine hohe Ausgangskapazität aufweist, wie z. B. ein oder mehrere Mikroprozessoren, Grafikprozessoren, Netzwerkprozessoren, eine Bank von Speichermodulen usw.
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Der Abwärtswandler 100 umfasst eine oder mehrere Leistungsstufen 104 zum Versorgen der Last 102. Im Falle eines einphasigen Abwärtswandlers wird eine einzelne Leistungsstufe bereitgestellt. Im Falle eines mehrphasigen Abwärtswandlers wird eine Leistungsstufe für jede Phase des Wandlers bereitgestellt. Jede Leistungsstufe 104 liefert einen Phasenstrom (lout) durch eine Ausgangsinduktivität (L) zur Ausgangskapazität der mit dem Abwärtswandler 100 gekoppelten Last 102. Eine oder mehrere Eingangskapazitäten (Cin - Input Capacitor) filtern den Eingangsstrom so, dass der Strom von der Hostquelle 106 ungefähr ein durchschnittlicher Strom ist. Eine oder mehrere Ausgangskapazitäten (Cout - Output Capacitor) erhalten eine konstante Ausgangsspannung (Vout - Output Voltage) und begrenzen Spannungsspitzen am Wandlerausgang.
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Jede mit der einen oder den mehreren Ausgangskapazitäten Cout über eine entsprechende Ausgangsinduktivität L gekoppelte Leistungsstufe 104 weist einen High-Side-Transistor Q1 und einen Low-Side-Transistor Q2 auf. Der High-Side-Transistor jeder Leistungsstufe 104 verbindet schaltbar die Last 102 mit einer Eingangsspannung (Vin - Input Voltage) des Abwärtswandlers 100, und der entsprechende Low-Side-Transistor verbindet schaltbar die Last 104 mit Masse zu unterschiedlichen Perioden. Jede Leistungsstufe 104 umfasst aktive Halbleiterkomponenten, wie etwa MOSFETs (Metalloxidhalbleiter-Feldeffekttransistoren), Treiber 108 usw. und entsprechende passive Komponenten. Die Leistungsstufenkomponenten können auf dem gleichen oder auf unterschiedlichen Halbleiter-Dies integriert sein. Im Allgemeinen umfasst jede Leistungsstufe 104 die Komponenten, die benötigt werden, um der Last 102 eine Ausgangsphase des Abwärtswandlers 100 bereitzustellen.
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Der Abwärtswandler 100 umfasst auch eine Steuerung 110, wie etwa einen Mikrocontroller, einen Mikroprozessor, eine ASIC (anwendungsspezifische integrierte Schaltung) usw., die dazu betreibbar ist, ein Umschalten jeder Leistungsstufe 104 zu steuern, einschließlich während einer Einschaltzeit, in der der Abwärtswandler 100 zuerst aktiviert wird, um die Ausgangsspannung Vout des Abwärtswandlers 100 zu regeln. Die Steuerung 110 regelt die Spannung Vout durch Einstellen des Phasenstroms bzw. der Phasenströme, die der Last 102 zugeführt wird bzw. werden. Die Steuerung 110 umfasst eine Pulsweitenmodulator(PWM)-Einheit 112 zum Schalten der Transistoren jeder Leistungsstufe 104 über entsprechende PWM-Steuersignale (PWM), sodass jede Leistungsstufe 104 Strom zur Last 104 zuführt oder von dieser abführt oder anderweitig inaktiv ist.
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Wenn beispielsweise das PWM-Steuersignal für eine bestimmte Leistungsstufe 104 auf einem Logikpegel High liegt, wird der High-Side-Transistor Q1 in einen leitenden Zustand versetzt, der Induktivitätsstrom wird durch den High-Side-Transistor Q1 zu- oder abgeführt, und der Strom durch die Induktivität erhöht sich für die Dauer. Dies wird allgemein als die „Ein-Zeit“ bezeichnet und die Leistungsstufe 104 wird als „eingeschaltet“ betrachtet. Wenn das PWM-Steuersignal auf einem Logikpegel Low liegt, wird der entsprechende Low-Side-Transistor Q2 in einen leitenden Zustand versetzt, wird Strom vom Low-Side-Transistor Q2 zu- oder abgeführt und der Strom durch die Induktivität verringert sich für die Dauer. Dies wird allgemein als die „Aus-Zeit“ bezeichnet und die Leistungsstufe 104 wird als „ausgeschaltet“ betrachtet. Wenn das PWM-Steuersignal auf einem trivalenten Logikpegel oder einem mit hoher Impedanz liegt (das PWM-Steuersignal ist weder High noch Low), werden sowohl der High-Sideals auch der Low-Side-Transistor Q1, Q2 in einen nicht leitenden Zustand versetzt, wird Strom durch die Body-Diode entweder des Low-Side- oder des High-Side-Transistors zu- oder abgeführt und die Stärke des Stroms durch die Induktivität verringert sich in Richtung Null. Dies wird allgemein als die „HiZ-Zeit“ oder „inaktive Zeit“ bezeichnet, und die Leistungsstufe 104 wird als „High Z“ oder inaktiv betrachtet.
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Die PWM-Einheit 112 erzeugt die PWM-Steuersignale als eine Funktion der Ausgangsspannung Vout, der Eingangsspannung Vin, der Ausganginduktivität L und einer Spitzenstromgrenzschwelle (I_PCL - Peak-Current Limit). Wenn der Ausgangsstrom lout einer Leistungsstufe 104 die Spitzenstromgrenzschwelle I_PCL überschreitet, wird das entsprechende PWM-Signal deaktiviert. Während des Standardbetriebs, der auftritt, nachdem der Abwärtswandler 100 das Einschalten beendet, wird die Spitzenstromgrenzschwelle I_PCL in der Regel fixiert und auf einen Wert gesetzt, der Schäden am Abwärtswandler, die durch eine Überstrombedingung verursacht werden, verhindert. Diese und andere Aspekte der PWM-Steuerung von Abwärtswandlern sind während des Standardbetriebs gut bekannt und daher wird diesbezüglich keine weitere Erläuterung angegeben.
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Die Treiberschaltung 108 jeder Leistungsstufe 104 stellt den Gates des High-Side- und des Low-Side-Transistors Q1, Q2 der Leistungsstufe 104 in Reaktion auf die von der PWM-Einheit 112 erzeugten PWM-Steuersignale entsprechende Gate-Ansteuerungssignale G1, G2 bereit. Der Aktivierungszustand jeder Leistungsstufenphase und das Tastverhältnis der entsprechenden High-Side- und Low-Side-Transistoren Q1, Q2 werden zumindest teilweise basierend auf der Ausgangsspannung Vout bestimmt, die an der Last 102 angelegt wird, sodass der Abwärtswandler 100 so schnell und zuverlässig wie möglich auf sich verändernde Lastbedingungen reagieren kann.
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Die Steuerung 110 kann Änderungen von einer Referenzspannung auf eine andere während des Standardbetriebs verwalten, die geschehen, nachdem der Abwärtswandler 100 das Einschalten beendet. Die Steuerung 110 kann auch Fehler zwischen der Ausgangsspannung Vout und einer Referenzspannung (Vref - Reference Voltage) bestimmen und die Fehlerspannung in eine digitale Repräsentation umwandeln, die der PWM-Einheit 112 der Steuerung 110 zum Modifizieren des Schaltzyklus der Leistungsstufentransistoren Q1, Q2 während des Standardbetriebs bereitgestellt wird, z. B. durch Einstellen des Tastverhältnisses. Beispielsweise kann die Steuerung 110 einen PID(Proportional-Integral-Differential)-Kompensationskreis 114 zum Erzeugen von Tastverhältnis-Einstellinformationen (d) für die PWM-Einheit 112 basierend auf der Differenz (Verror) zwischen Vout und Vref umfassen. Die Referenzspannung Vref ist in der Regel während des Standardbetriebs fixiert, kann aber in Reaktion auf einen Befehl oder eine Anweisung von der Last 102 auf einen neuen Wert geändert werden. Solche Spannungsregelfunktionen sind Standard bei typischen digital gesteuerten Schaltspannungsreglern und daher erfolgt diesbezüglich keine weitere Erläuterung.
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Zusätzlich zum Regeln der Spannung Vout, die der Last 102 während des Standardbetriebs zugeführt wird, regelt die Steuerung 110 auch die Ausgangsspannung Vout während der Einschaltzeit, wenn der Abwärtswandler 100 zuerst aktiviert wird. Die Steuerung 110 stellt einen Mechanismus zum Konfigurieren oder Setzen der Spitzenstromgrenzschwelle I_PCL während der Einschaltzeit und zum dynamischen Ändern oder Einstellen der Spitzenstromgrenzschwelle I_PCL während der Einschaltzeit bereit, um den Einschaltstrom zu begrenzen.
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2 stellt ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Regeln der Ausgangsspannung Vout des Abwärtswandlers 100 während der Einschaltzeit dar. Die Steuerung 110 regelt Vout während eines ersten (früheren) Teils der Einschaltzeit durch eine Strombetriebsregelung (engl.: current-mode control) auf eine Referenzspannung Vref (Block 200). Bei der Strombetriebsregelung regelt die Steuerung 110 den Phasenstrom lout durch die entsprechende Ausgangsinduktivität L als erstes und Vout als zweites. Während eines zweiten (späteren) Teils der Einschaltzeit regelt die Steuerung 110 Vout durch eine Spannungsbetriebsregelung (engl.: voltage-mode control) auf Vref (Block 210). Bei der Spannungsbetriebsregelung regelt die Steuerung 110 Vout und sie regelt unterschiedliche Laststromanforderungen basierend darauf, was am Ausgangsknoten beobachtet wird. Während der Einschaltzeit hebt die Steuerung 110 intern Vref von einer anfänglichen Spannung, z. B. 0 V zu Beginn der Einschaltzeit auf eine Zielspannung (Vtgt - Target Voltage) am Ende der Einschaltzeit an. Der finale Wert der Zielspannung Vtgt kann durch die Last 104 definiert sein oder in die Steuerung 110 programmiert sein. Die Steuerung 110 hebt in ähnlicher Weise die Spitzenstromgrenzschwelle I_PCL während der Einschaltzeit an, um ein Umschalten von Strombetriebsregelung auf Spannungsbetriebsregelung zu ermöglichen, bevor Vout die finale, durch Vref angegebene Zielspannung Vtgt erreicht.
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Die Strombetriebsregelung ist eine Funktion der Spitzenstromgrenze, die während der Einschaltzeit dynamisch durch die Steuerung 110 eingestellt wird. Wenn in der Strombetriebsregelung aktiviert, verlangsamt die Spitzenstromgrenze die Fähigkeit der Steuerung 110, Vout auf Vref zu verfolgen. Je größer die Ausgangskapazität ist, desto mehr Strom wird benötigt, um Vout nach oben zu bringen. Schließlich erhöht die Steuerung 110 die Spitzenstromgrenze auf ein solches Niveau, dass die Änderungsrate für Vout schneller als die für Vref ist. Zu diesem Zeitpunkt erfolgt ein automatisches Umschalten auf die Spannungsbetriebsregelung und Vout zieht schließlich mit Vref gleich. Der Abwärtswandler 100 kann abgestimmt werden, sodass er automatisch von der Strombetriebsregelung zur Spannungsbetriebsregelung umschaltet, wenn die positive Stromgrenze nicht länger den durch den Abwärtswandler 100 für die Ausgangskapazität der Last 102 bereitgestellten Strom klemmt.
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Wieder auf 1 Bezug nehmend, umfasst die Steuerung 110 eine Spitzenstromgrenzanhebungseinheit 116 und eine Referenzspannungsanhebungseinheit 118 zum Umsetzen des in 2 dargestellten Einschaltspannungsregelverfahrens. Der Betrieb der Spitzenstromgrenzanhebungseinheit 116 und der Referenzspannungsanhebungseinheit 118 wird als nächstes Bezug nehmend auf 3 beschrieben, die die Referenzspannungsausgabe (Vref) der Referenzspannungsanhebungseinheit 118 und die Spitzenstromgrenzausgabe (I_PCL) der Spitzenstromgrenzanhebungseinheit 116 während der Einschaltzeit darstellt.
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Das Einschalten des Abwärtswandlers 110 wird zum Zeitpunkt t0 in 3 in Reaktion darauf detektiert, dass ein dem Abwärtswandler 100 bereitgestelltes Ausgangsaktivierungssignal aktiviert wird. Die anfängliche Spitzenstromgrenze (PCL_INIT - Initial Peak-Current Limit) und die Anstiegsgeschwindigkeit von Vref sind programmierbare Einstellungen. Die Spitzenstromgrenze I_PCL wird zum Zeitpunkt t1 in 3 anfänglich auf PCL_INIT gesetzt. Die Referenzspannungsanhebungseinheit 118 beginnt, ebenfalls zum Zeitpunkt t1, Vref mit ihrer programmierten Anstiegsgeschwindigkeit anzuheben. Die intern durch die Referenzspannungsanhebungseinheit 118 erzeugte Referenzspannung Vref wird in den PID-Kompensationskreis 114 eingespeist, der Vref mit der Abwärtswandler-Ausgangsspannung Vout vergleicht. Die Referenzspannung Vref wird nach Zeitpunkt t1 weiterhin mit der vorbestimmten Anstiegsgeschwindigkeit angehoben und die Spitzenstromgrenzanhebungseinheit 116 erhöht I_PCL während der Einschaltzeit von PeL_INIT auf einen finalen Wert (PCL_FINAL). Der finale Wert PCL_FINAL der Spitzenstromgrenze I_PCL repräsentiert den Betriebspunkt des Abwärtswandlers 100 und hängt von den Parametern der Ausgangsinduktivität ab. Die Differenz zwischen Zeitpunkt t0 und Zeitpunkt t1 in 3 repräsentiert eine Berechnungsverzögerung der Steuerung 110.
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Die Anstiegsgeschwindigkeit von Vref beeinflusst den Punkt, an dem die Spitzenstromgrenze I_PCL nicht länger die Strommenge klemmt, die der Ausgangskapazität der Last 102 bereitgestellt wird. Für größere Ausgangskapazitäten, z. B. im Mikrofarad-Bereich, ist eine größere Strommenge erforderlich, um die Ausgangsspannung mit einer angegebenen Rate zu erhöhen. Eine schnellere Rate der Erhöhung der Ausgangsspannung erfordert auch einen größeren Strom für eine fixierte Ausgangskapazität. Während der Einschaltzeit begrenzt die PWM-Einheit 112 zusammen mit der Spitzenstromgrenz- und der Referenzspannungsanhebungseinheit 116, 118 den Ausgangsstrom für Fälle hoher Ausgangskapazität oder schneller Ausgangsspannungs-einschaltraten. Während der Einschaltzeit und im Standardbetrieb verwendet die PWM-Einheit 112 Wissen über die Ausgangsspannung Vout, die Eingangsspannung Vin und die Ausgangsinduktivität, um die ausgehenden PWM-Signale zu kürzen und so die Strommenge durch eine Leistungsstufe 104 zu begrenzen, wie hier bereits erläutert. Während der Einschaltzeit wird die Spitzenstromgrenze I_PCL durch die Spitzenstromgrenzanhebungseinheit 116 dynamisch angehoben. Außerdem wird das Profil des Ausgangsstroms lout nicht direkt durch die Anstiegsgeschwindigkeit von Vref modifiziert.
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In einer Ausführungsform ist die Anstiegsgeschwindigkeit von Vref so gesetzt, dass die Ausgangsspannung Vout des Abwärtswandlers 100 mit Vref gleichzieht, bevor Vref am Ende der Einschaltzeit vollständig auf die Zielspannung Vtgt angehoben wird, was zum Zeitpunkt t3 in 3 geschieht. In einer weiteren Ausführungsform wird die Anstiegsgeschwindigkeit von Vref so gesetzt, dass, bevor Vref am Ende der Einschaltzeit vollständig auf die Zielspannung Vtgt angehoben ist, die positive Stromgrenze I_PCL nicht länger den durch den Abwärtswandler 100 für die Ausgangskapazität der Last 102 zugeführten Strom klemmt.
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Eine definierte Beziehung besteht zwischen der Spitzenstromgrenze I_PCL und der Anstiegsgeschwindigkeit von Vref. I_PCL begrenzt, wie die Steuerung 110 Vref verfolgt. Durch Verlangsamen der Anstiegsgeschwindigkeit von Vref geschieht der Punkt, an dem I_PCL freigegeben wird, früher in der Einschaltzeit. Bei einer schnelleren Anstiegsgeschwindigkeit braucht Vout länger, um zu Vref aufzuschließen und diese zu erreichen, während eine langsamere Anstiegsgeschwindigkeit mehr innerhalb der physikalischen Fähigkeiten der Steuerung 110 liegen kann, und daher schließt Vout früher zu Vref auf als bei einer schnelleren Anstiegsgeschwindigkeit. Vorzugsweise schließt Vout früher in der Vref-Anhebung zu Vref auf. Wenn die Vref-Anstiegsgeschwindigkeit zu groß ist, schließt Vout nie zu Vref auf und daher wird sich die Steuerung 110 stets in der Strombetriebsregelung befinden. Daher ist die Vref-Anstiegsgeschwindigkeit ein wichtiger Faktor beim Feinabstimmen des gesamten Systems. Die Vref-Anstiegsgeschwindigkeit wird vorzugsweise so gesetzt, dass Vout Vref erreicht (dazu aufschließt), bevor Vref ihren Endziel(Ruhe)wert Vtgt erreicht. Die Steuerung 110 verlässt zu diesem Zeitpunkt automatisch die Strombetriebsregelung und nimmt die Spannungsbetriebsregelung auf.
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Neben der Vref-Anstiegsgeschwindigkeit ist auch das Spitzenstromgrenzanhebungsprofil ein wichtiger Faktor. Während der Einschaltzeit erhöht die Spitzenstromgrenzanhebungseinheit 116 die Spitzenstromgrenze I_PCL gemäß einem in die Steuerung 110 programmierten vorgegebenen Aktualisierungsintervall (PCL_Update_lnterval). In einer Ausführungsform wird die positive Stromgrenze l_PCL des Abwärtswandlers 100 während der Einschaltzeit in einer schrittweisen linearen Weise erhöht, wie z. B. in 3 gezeigt. Zusätzlich oder alternativ dazu kann I_PCL während der Einschaltzeit periodisch erhöht werden, ebenfalls wie in 3 gezeigt. In einer Ausführungsform kann I_PCL während der Einschaltzeit bei jedem n-ten Schaltzyklus des Abwärtswandlers 100 erhöht werden, wobei n eine positive ganze Zahl ist. Beispielsweise kann I_PCL alle 2 Schaltzyklen, alle 16 Schaltzyklen, alle 32 Schaltzyklen usw. erhöht werden. Der Gesamtsteigung von I_PCL bleibt während der Einschaltzeit gleich, unabhängig von der Rate des Anstiegs bei I_PCL. Allerdings hängt die Steilgängigkeit von I_PCL von der Frequenz der Einstellperiode ab. In einer Ausführungsform wird die positive Stromgrenze I_PCL während der Einschaltzeit bei jedem Schaltzyklus des Abwärtswandlers 100 um mindestens 1 A erhöht. Der anfängliche Wert PeL_INIT des Spitzenstroms I_PCL kann auch modifiziert werden. Beispielsweise kann PCL_INIT von 20 A bis 40 A reichen, oder höher oder niedriger, abhängig vom Typ der Anwendung, bei der der Abwärtswandler 100 eingesetzt werden soll. Werte für PCL_INIT, PCL_F!NAL, PCL_Update_lnterval, die Vref-Anstiegsgeschwindigkeit usw. sind programmierbar und können daher basierend auf der Endanwendung bestimmt werden.
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Zum Zeitpunkt t2 in 3 erreicht die Spitzenstromgrenze I_PCL ihren finalen programmierten Wert PCL_FINAL und die Spitzenstromgrenzanhebungseinheit 116 stoppt ein weiteres Anheben von I_PCL. Allerdings wird die Weichstart-Anhebung von Vref mit ihrer programmierten Anstiegsgeschwindigkeit fortgesetzt, bis Vref ihren programmierten (finalen) Zielwert Vtgt erreicht. Zum Zeitpunkt t3 in 3 erreicht Vout Vtgt und der Abwärtswandler 100 beendet die Einschaltzeit. Die Referenzspannungsanhebungseinheit 118 kann nach Beenden der Einschaltzeit fortfahren, die Referenz Vref zu setzen, auf die Vout geregelt ist, wie in 1 gezeigt, oder stattdessen kann eine andere Einheit der Steuerung 110 Vref während des Standardbetriebs setzen.
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Bislang wurden Abwärtswandlerausführungsformen im Kontext einer generischen Last beschrieben, die hohen Strom bei niedriger Spannung erfordert und/oder eine hohe Ausgangskapazität aufweist. Als nächstes wird eine Abwärtswandlerausführungsform beschrieben, bei der der Abwärtswandler ein Speichersystem mit einem oder mehreren Speichermodulen antreibt.
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4 stellt einen solchen Abwärtswandler 300 und ein Speichersystem 302 dar. Der Abwärtswandler 300 umfasst mehrere Regelkreise 304, von denen jeder dazu betreibbar ist, unabhängig eine unterschiedliche Ausgangsspannung des Abwärtswandlers 300 zu regeln. Jeder Regelkreis 304 umfasst die PWM-Einheit 112 und den PID-Kompensationskreis 114, dargestellt in 1. Jeder Regelkreis 304 umfasst auch die Spitzenstromgrenz- und Referenzspannungsanhebungseinheit 116, 118, ebenfalls dargestellt in 1, und ist dazu betreibbar, die Spannungsregelungsfunktionen in der Einschaltzeit durchzuführen, wie zuvor hier beschrieben.
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Noch ausführlicher regelt ein erster der Regelkreise 304-1 eine erste Ausgangsspannung (VDDQ) des Abwärtswandlers 300 und ein zweiter der Regelkreise 304-2 regelt eine zweite Ausgangsspannung (VTT) des Abwärtswandlers 300 unabhängig vom ersten Regelkreis. Der zweite Regelkreis 304-2 verwendet die erste Ausgangsspannung VDDQ als eine Referenzspannung (vorher als „Vref“ beschrieben) während der Einschaltzeit, in der der Abwärtswandler 300 zuerst aktiviert wird. Während der Einschaltzeit regelt der zweite Regelkreis 304-2 die zweite Ausgangsspannung VTT während eines ersten Teils der Einschaltzeit durch die Strombetriebsregelung auf VDDQ und regelt VTT während eines zweiten, späteren Teils der Einschaltzeit durch die Spannungsbetriebsregelung auf VDDQ, wie z. B. im Verfahrensflussdiagramm aus 2 dargestellt.
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Noch ausführlicher hebt die Referenzspannungsanhebungseinheit 118 des ersten Regelkreises 304-1 die erste Ausgangsspannung VDDQ von einer anfänglichen Spannung zu Beginn der Einschaltzeit auf eine Zielspannung am Ende der Einschaltzeit an, um die vorher hier beschriebene Zielspannungsanhebung beim Einschalten bereitzustellen. Die Spitzenstromgrenzeinheit 116 des zweiten Regelkreises 304-2 konfiguriert oder setzt die Spitzenstromgrenzschwelle während der Einschaltzeit und ändert oder stellt dynamisch die Spitzenstromgrenzschwelle während der Einschaltzeit ein, um den Einschaltstrom zu steuern, wie ebenfalls hier vorher beschrieben. Der Abwärtswandler 300 verwendet so eine seiner unabhängigen Ausgangsspannungen als einen Referenzpunkt und verfolgt diese Spannung beim Regeln einer zweiten seiner unabhängigen Ausgangsspannungen während der Einschaltzeit.
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In einer Ausführungsform bietet die erste Ausgangsspannung VDDQ des Abwärtswandlers 300 eine Hauptspannungsschiene für das Speichersystem 302 und die zweite Ausgangsspannung VTT des Abwärtswandlers 300 bietet eine Niederleistungs-Verfolgungsschiene für das Speichersystem 302, die VDDQ bei einem vordefinierten Verhältnis folgt, z. B. 2:1 (z. B. VDDQ=1,2 V und VTT=0,6 V). Es kann zu Leckstrom von einer Schiene zur anderen kommen. Die akkumulierte Ladung kann eine resultierende Spannung bilden, was dazu führt, dass sich eine Spannungsakkumulation auf der Referenzschiene VDDQ bildet. Beim Einschalten kann diese Spannung eine Stufenänderung in der Referenz für die Verfolgungsschiene VTT erzeugen. Da die Verfolgungsschiene VTT in der Regel sehr leistungsarm ist, verursacht diese Stufenänderung große Belastungen und kann den Abwärtswandler 300 beschädigen. Wenn VDDQ außerdem einen anfänglichen Versatz aufweist („Vorspannung“), kann der Abwärtswandler 300 versuchen, sehr schnell zur Verfolgungsschiene VTT aufzuschließen, was eine Spitzenstromspitze verursachen kann.
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Durch Anwenden der gleichen Spitzenstrombegrenzungstechnik beim Einschalten, wie hier vorher in Verbindung mit den 1-3 beschrieben, auf die Verfolgungsschiene VTT des Abwärtswandlers 300, gezeigt in 4 mit VDDQ als die Referenzspannung, wird die Belastung am Abwärtswandler 300 deutlich verringert und es kommt zu einer monoton wachsenden Verfolgungsschienenspannung VTT. Insbesondere durch Behandeln von VDDQ als eine Referenzspannungsanhebung ähnlich Vref, wie hier vorher beschrieben, weist VDDQ ihre eigene interne (Weichstart-)Referenzanhebung auf, die durch den ersten Regelkreis 304-1 koordiniert wird. Indem VTT ähnlich wie Vout, wie hier vorher beschrieben, behandelt wird, zwingt der zweite Regelkreis 304-2 VTT, VDDQ zu folgen. Auf diese Weise kann der Abwärtswandler 300 unabhängig zwei oder mehrere unterschiedliche Ausgangsspannungen zur gleichen Zeit regeln. Im Allgemeinen wird der Spannungsausgang eines Regelkreises 304 als eine (Weichstart-)Referenzspannungsanhebung für einen anderen Regelkreis 304 verwendet. Der andere Regelkreis 304 verfolgt seine Spannungsausgabe auf die erste Spannungsausgabe durch dynamisches Ändern oder Einstellen der Spitzenstromgrenzschwelle während der Einschaltzeit zum Steuern des Einschaltstroms. Die Spitzenstromgrenze kann durch Konfigurieren eines anfänglichen Werts (z. B. PCL_INIT in 3), eines finalen Werts (z. B. PCL_FiNAL in 3) und eines Aktualisierungsratenwerts (z. B. PCL_Update_lnterval) der Spitzenstromgrenze gesteuert und eingestellt werden. Der Übergang zwischen der Strombetriebsregelung, bei der der Spitzenstromgrenzschutz aktiv klemmt, und der Spannungsbetriebsregelung, bei der die Spitzenstromgrenze freigegeben ist, ist deutlich, aber gleichmäßig und monoton. Im Allgemeinen ist die Steuerung mit mehreren Regelkreisen, die im Abwärtswandler 300 aus 4 verwendet wird, eine digitale Steuerung, die mehrere Spannungsschienen unterschiedlicher Topologien bei unterschiedlichen Spannungs- und Leistungspegeln auf demselben Halbleiter-Die (Chip) implementieren kann.
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Die hier beschriebenen Ausführungsformen bieten einen Abwärtswandler und ein Verfahren zum dynamischen Steuern des Spitzenstroms, der während Einschaltbedingungen einer Last zugeführt wird. Die Last kann eine hohe Kapazität aufweisen, wie etwa eine Bank von Speichermodulen, kann eine hohe Kapazität aufgrund der Anordnung diskreter Komponenten aufweisen usw. Die Last kann auch aufgrund von schnellen Änderungen in Ausgangsspannungs-Einschaltraten, wie etwa die Auswirkung von Vorspannungsbedingungen auf einer Verfolgungsschiene, große Spitzenströme erfordern. Die hier beschriebenen Steuerungsausführungsformen konfigurieren dynamisch die Spitzenstromgrenze während der Einschaltzeit des Betriebs und führen zu verbesserter Zuverlässigkeit und Leistung durch Verringern der Spitzenstrombelastungen an Halbleiterkomponenten und Begrenzen des Risikos von Einschaltfehlern.
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Die Begriffe „aufweisen“, „enthalten“, „beinhalten“, „umfassen“ und dergleichen sind offene Begriffe und geben das Vorhandensein von angegebenen Elementen oder Merkmalen an, schließen aber keine zusätzlichen Elemente oder Merkmale aus. Es wird beabsichtigt, dass die Artikel „ein“, „eine“ und „der/die/das“ sowohl den Plural als auch den Singular umfassen, es sei denn, dass der Zusammenhang eindeutig etwas anderes angibt.
