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Hintergrund
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Gebiet
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Die Offenbarung betrifft im Allgemeinen eine Rückkopplungsspannung in DC-DC-Schaltwandlern.
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Beschreibung der verwandten Technik
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DC-DC-Schaltwandler wie Buck- bzw. Abwärts-Schaltwandler, Buck-Boost- bzw. Abwärts-Aufwärts-Schaltwandler und Boost- bzw. Aufwärts-Schaltwandler sind Grundbausteine von Leistungsverwaltungssystemen.
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1 zeigt eine Grundtopologie 100 eines DC-DC-Schaltwandlers des Standes der Technik. Ein Versorgungsspannungs-VDAC 110 und eine Ausgangsspannung VOUT 180 liefern die invertierenden bzw. nicht-invertierenden Eingänge des Fehlerverstärkers 120. Der Fehlerverstärker 120 liefert den Eingang an den Fehlerverstärker-Dist 140, wo der Ausgang von Fehlerverstärker-Dist 140 und Rampengenerator 130 die Eingänge zu einer Pulsweitenmodulations(PWM - pulse width modulation)-Logik 150 liefern. Der Ausgang der PWM-Logik 150 liefert Eingangssignale an eine logische LXIA-Logik 155, wobei die LXIA-Logik 155 eine Stromerfassung, positive und negative Stromgrenzen, und eine hochseitige Vorrichtung 160 und eine niedrigseitige Vorrichtung 170 umfasst, die die Ausgangsspannung VOUT 180 bestimmen über den Induktor LX1A.
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2 zeigt ein Beispiel 200 eines DC-DC-Schaltwandlers mit einem breiteren Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich des Standes der Technik. In diesem Fall können der Eingang zu dem Versorgungsspannungs-VDAC 110 und die Ausgangsspannung VOUT 180, auf Rückkopplung FB, zwischen 0,3 V und 2,2 V liegen. Ein PMOS-Eingangsvorrichtungspaar dient als Eingang für den Fehlerverstärker 120, über den ein breiterer Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich erforderlich ist. Der Fehlerverstärker 120 liefert den Eingang an den Fehlerverstärker-Dist 140 und der Fehlerverstärker-Dist 140 und der Rampengenerator 130 liefern die Eingänge an die Pulsweitenmodulations(PWM)-Logik 150.
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Das Beispiel von 2 kann durch Modifizieren des Fehlerverstärkers verbessert werden, aber es gibt Einschränkungen seiner Praxis. Um Kosten zu senken, wird die Verwendung von Niederspannungstransistoren minimiert, zusammen mit der resultierenden Architektur. Zusätzlich erhöht die Kompensationsschaltung des Fehlerverstärkers, einschließlich einer Funktionalität zum Unterstützen von praktischen Leistungsverwaltungsprodukten, die Komplexität. Der breitere Eingangsbereich, der für die Versorgungsspannung erforderlich ist, macht es schwierig, eine konstante Transkonduktanz beizubehalten, was in dem schlimmsten Fall eine Schleifenstabilität beeinträchtigt. Infolgedessen steigen der Energieverbrauch und die Siliziumfläche.
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Zusammenfassung
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Eine Aufgabe der Offenbarung ist, eine DC-DC-Schaltwandler-Offset-Schaltung für eine DC-Pegelunterdrückung in einem DC-DC-Schaltwandler vorzusehen.
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Eine weitere Aufgabe dieser Offenbarung ist, einen breiten Ausgangsspannungsbereich an einem Rückkopplungsfehlerverstärker der DC-DC-Schaltwandler-Offset-Schaltung zu unterstützen.
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Eine weitere Aufgabe der Offenbarung ist, eine flexible Stromverstärkung für die Ausgangsspannung eines DC-DC-Schaltwandlers vorzusehen.
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Eine weitere Aufgabe der Offenbarung ist, den Spannungsoffset unter Verwendung einer Schaltkondensatorschaltung zu implementieren, den Eingang des Fehlerverstärkers an einem Zwischenkondensator abzutasten und eine AC-Kopplung zu verwenden, um eine Offsetspannung hinzuzufügen.
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Um die obigen und andere Aufgaben zu lösen, wird eine DC-DC-Schaltwandler-Offset-Schaltung offenbart, die aus einem VDAC besteht, der konfiguriert ist zum Vorsehen einer Versorgungsspannung und einer Referenzspannung. Die DD-DC-Schaltwandler-Offset-Schaltung umfasst weiter eine Differenzschaltung, die konfiguriert ist zum Vorsehen einer Offsetspannung aus der Ausgangs-Rückkopplungsspannung und der Referenzspannung. Die DC-DC-Schaltwandler-Offset-Schaltung umfasst weiter eine Fehlerverstärkerschaltung, die konfiguriert ist zum Empfangen der Offsetspannung und der Referenzspannung, und eine Spannung-zu-Strom-Wandlerschaltung, die konfiguriert ist zum Vorsehen einer flexiblen Stromverstärkung.
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Die obigen und andere Aufgaben werden weiter durch ein Verfahren zur Rückkopplungsspannung-DC-Pegelunterdrückung für DC-DC-Schaltwandler mit konfigurierbarem Ausgang gelöst. Die Schritte umfassen ein Vorsehen eines Spannungsoffsets an den Rückkopplungsfehlerverstärker eines DC-DC-Schaltwandlers. Eine Unterstützung für einen breiten Ausgangsspannungsbereich für den DC-DC-Schaltwandler wird vorgesehen. Eine flexible Stromverstärkung für eine höhere Ausgangsspannung wird vorgesehen. Ein Implementieren des Spannungsoffsets unter Verwendung einer Schaltkondensatorschaltung, ein Abtasten des Eingangs des Fehlerverstärkers an einem Zwischenkondensator und ein Verwenden einer AC-Kopplung, um eine Offsetspannung hinzuzufügen, ist vorgesehen.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Funktion durch Implementieren eines Abwärts-, Abwärts-Aufwärts- oder Aufwärts-DC-DC-Schaltwandlers erreicht werden.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Funktion durch Implementieren einer Rückkopplungsspannung-DC-Pegelunterdrückung für einen einphasigen DC-DC-Schaltwandler erreicht werden.
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In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Funktion durch Implementieren einer Rückkopplungsspannung-DC-Pegelunterdrückung für einen mehrphasigen DC-DC-Schaltwandler erreicht werden.
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Figurenliste
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- 1 zeigt eine Grundtopologie eines DC-DC-Schaltwandlers des Standes der Technik.
- 2 zeigt ein Beispiel eines DC-DC-Schaltwandlers mit einem breiteren Eingangs- und Ausgangsspannungsbereich des Standes der Technik.
- 3 zeigt ein Blockdiagramm der Rückkopplungsspannungs-DC-Pegelunterdrückung für einen einphasigen DC-DC-Schaltwandler mit konfigurierbarem Ausgang, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd.
- 4 zeigt eine Schaltungsdiagrammimplementierung unter Verwendung einer Offset-Schaltungstopologie des Schaltkondensator-Typs für einen mehrphasigen DC-DC-Schaltwandler mit konfigurierbarem Ausgang, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd.
- 5 zeigt ein Beispiel des Betriebs des Rückkopplungsspannungsoffsets, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd.
- 6 zeigt ein Beispiel eines Phase-1-Betriebs des Rückkopplungsspannungsoffsets, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd.
- 7 zeigt ein Beispiel eines Phase-2-Betriebs des Rückkopplungsspannungsoffsets, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd.
- 8 zeigt eine Simulation eines Abwärts-DC-DC-Schaltwandlers mit einer einzelnen Phase, wobei VDAC = 0,982 V ist und keine Offset-Funktion verwendet wird.
- 9 zeigt eine Simulation eines Abwärts-DC-DC-Schaltwandlers mit einer einzelnen Phase, wobei VDAC = 0,982 V ist und eine 0,5 V Offset-Funktion verwendet wird.
- 10 zeigt eine Simulation eines Abwärts-DC-DC-Schaltwandlers mit einer einzelnen Phase, wobei VDAC = 0,982 V ist und eine 1,0 V Offset-Funktion verwendet wird.
- 11 zeigt eine Simulation eines Abwärts-DC-DC-Schaltwandlers mit einer einzelnen Phase, wobei VDAC = 0,982 V ist und eine 1,0 V Offset-Funktion verwendet wird, mit einer zusätzlichen Stromverstärkung von 1,1.
- 12 ist ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens für eine Rückkopplungsspannungs-DC-Pegelunterdrückung für DC-DC-Schaltwandler mit konfigurierbarem Ausgang, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd.
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Detaillierte Beschreibung
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Es gibt mehrere Alternativen für eine Rückkopplungsspannung-DC-Pegelunterdrückung, wenn ein Abwärts-DC-DC-Schaltwandler verwendet wird, einschließlich eines Rail-to-Rail-Verstärkers und eines Widerstandsteilers. Für einen Aufwärts-DC-DC-Schaltwandler ist ein Widerstandsteiler die wahrscheinlichste Alternative. Die Offenbarung liefert signifikante Vorteile, einschließlich einer Verbesserung des Ruhestroms des Schaltwandlers und einer höheren Systemleistung, wobei die Ausgangsspannung höher ist als jede andere verfügbare Stromschiene in dem System.
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3 zeigt ein Blockdiagramm 300 einer Rückkopplungsspannung-DC-Pegelunterdrückung für einen einphasigen DC-DC-Schaltwandler mit konfigurierbarem Ausgang, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd. Der Versorgungsspannungs-VDAC 310 und die Ausgangsspannung VOUT 380 sehen Offset-VOUT-VCM für den nicht-invertierenden Eingang des Fehlerverstärkers 320 vor. Der VDAC 310 liefert eine Referenzspannung VCM an den invertierenden Eingang des Fehlerverstärkers 320 und der Fehlerverstärkerausgang EA_OUT, 1,8V, liefert den Eingang an den Fehlerverstärker-Dist 340, der die Spannung-zu-Strom-Umwandlung verteilt und eine flexible Stromverstärkung vorsieht. Der Fehlerverstärker-Dist 340 und der Rampengenerator 330 liefern die Eingänge an die Pulsweitenmodulations(PWM)-Logik 350, wobei die PWM-Logik 350 eine hochseitige Vorrichtung 360 und eine niedrigseitige Vorrichtung 370 umfasst, und die Ausgangsspannung VOUT 380 über den Induktor LX1A.
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Eine flexible Stromverstärkung verändert den Ausgang des Fehlerverstärkers höher oder niedriger, liefert eine höhere oder niedrigere Ausgangsspannung. Auf diese Weise hilft die Stromverstärkung, den Gesamtspannungsbereich des Schaltwandlers zu optimieren.
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Eine zusätzliche Differenzschaltung kann zu dem Offset hinzugefügt werden, um einen breiteren Ausgangsspannungsbereich zu unterstützen, wenn eine Offset-Schaltungs-Topologie des Schaltkondensator-Typs verwendet wird. Der Eingang des Fehlerverstärkers kann an einem Zwischenkondensator abgetastet werden und exponentiell zu einem Haltekondensator gelangen. Mittels einer AC-Kopplung wird ein Offset exponentiell zu dem Eingang des Fehlerverstärkers hinzugefügt und eine Rückkopplungsspannung durchdringt kontinuierlich, wodurch eine Phasenverzögerung minimiert wird.
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4 zeigt eine Schaltungsdiagrammimplementierung 400 unter Verwendung einer Offset-Schaltungs-Topologie des Schaltkondensator-Typs für einen mehrphasigen DC-DC-Schaltwandler mit konfigurierbarem Ausgang, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd. Die Ausgangsspannung des DC-DC-Schaltwandlers ist die Rückkopplungsspannung FB über den Kondensator C1, den nicht-invertierenden Eingang des Fehlerverstärkers O1 liefernd. Die Spannung an dem Widerstandsteiler R3-R1-R2 liefert den invertierenden Eingang des Fehlerverstärkers O1.
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Die abgetastete Rückkopplungsspannung wird in einem Zyklus an den Verstärker O1 übertragen, und der Wert an dem Zwischenkondensator C2 gelangt exponentiell zu dem Haltekondensator C1. Auf diese Weise wird der Offset, der an die Rückkopplungsspannung angelegt wird, durch die AC-Kopplung der Kondensatoren C1 und C2 hinzugefügt.
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Ein Abtasten der Rückkopplungsspannung FB kann eine Phasenverzögerung erzeugen und die Lastleitungsübergangsspezifikation beeinflussen. In der Praxis kann ein breiterer Ausgangsspannungsbereich dazu führen, dass der Fehlerverstärker über Prozess-, Temperatur- und Versorgungsbedingungen weniger als ideal wird. Eine schnellere Abtastzeit für die Rückkopplungsspannung verbessert diese Bedingungen und minimiert eine Phasenverschiebung.
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5 zeigt einen beispielhaften 500 Betrieb des Rückkopplungsspannungs-Offsets, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd. Der Schalter EN ist offen, wenn die Rückkopplungsspannungsoffsetfunktion aktiviert ist, und geschlossen, wenn die Rückkopplungsspannungsoffsetfunktion deaktiviert ist. Wenn der Rückkopplungsspannungsoffset in Phase 1 arbeitet, ist der Schalter P1 geschlossen, und wenn der Rückkopplungsspannungsoffset in Phase 2 arbeitet, ist der Schalter P2 geschlossen. Die Ausgangsspannung des Schaltwandlers ist die Rückkopplungsspannung FB, und die VDAC-Spannung kann mit einem in dem Stand der Technik bekannten Verfahren getrimmt werden, wenn die Offsetspannung gesetzt wird.
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Phase 1 und Phase 2 sind nichtüberlappte Takt-Timings und die Frequenz hängt von der Lastübergangsspezifikation ab. In der Praxis ist eine Frequenz erforderlich, die größer als die Schleifenschaltfrequenz ist, und die Systemtakte können zwei- bis viermal schneller als die Schaltfrequenz der Schleife sein. Eine schnellere Abtastzeit verbessert eine durch die Phasen eingeführte Verzögerung.
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Wenn der Phase-1-Schalter P1 geschlossen ist, lädt die Rückkopplungsspannung FB den Kondensator C1, wodurch eine Referenzspannung VREF an den Eingang von VDAC vorgesehen wird. Wenn der Phase-2-Schalter P2 geschlossen ist, ist der Kondensator C1 mit dem Kondensator C2 gekoppelt, um den Offset der Rückkopplungsspannung an dem nicht-invertierenden Eingang des Fehlerverstärkers zu bestimmen. Die VDAC-Ausgangsspannung liefert den Eingang des invertierenden Eingangs des Fehlerverstärkers.
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6 zeigt einen beispielhaften 600 Phase-1-Betrieb des Rückkopplungsspannungsoffsets, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd. Der Kondensator C1 tastet die Rückkopplungsspannung FB von der Ausgangsspannung des DC-DC-Schaltwandlers ab und sieht die Referenzspannung VREF an den Eingang von VDAC vor. Die Spannungsdifferenz, VOUT-VREF, wenn sowohl P1 als auch der Enable-Schalter ENI geschlossen sind, wird über C1 geladen.
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7 zeigt einen beispielhaften 700 Phase-2-Betrieb des Rückkopplungsspannungsoffsets, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd. Wenn sowohl P2 als auch der Enable-Schalter ENI geschlossen sind, geht die Ladung des Kondensators C1 zu C2 über. Die Spannung an dem Kondensator C2 wird ((C1*C2)/(C1+C2))*(VOUT-VREF), wobei die Spannung VOUT-VREF der nicht-invertierende Eingang des Fehlerverstärkers ist.
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Die Offenbarung funktioniert, um eine Erleichterung des Fehlerverstärkerdesigns vorzusehen, wobei existierende Komponenten verwendet werden, um eine Komplexität zu vermeiden. Kondensatorgröße und Abtastfrequenz bestimmen die Transientenantwort. Die Schaltkondensator-Offset-Schaltung ist anpassbar, wobei der Widerstandsteiler eine flexible Stromverstärkung vorsieht. Die Offset-Schaltung kann den Ausgangsspannungsbereich ohne Fehlerverstärkerbegrenzung erhöhen, bis eine Ausgangs-DC-Grenze erreicht ist. Eine konstante Transkonduktanz und Stromverbrauch wird beibehalten, wodurch ein Gesamtleistungsverbrauch reduziert wird.
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Die 8 bis 11 zeigen Testfälle basierend auf einem Abwärts-DC-DC-Schaltwandler mit einer einzelnen Phase, wie in dem Blockdiagramm von 3 dargestellt. Es ist anzumerken, dass die Offsetfunktion sowohl einen positiven Offset hinzufügen kann, wie in den 9-11 gezeigt, als auch einen negativen Offset. Die Bedingungen sind für VDDA = 3,3 V, VX (Durchlassvorrichtung) = 3,7 V, nominaler Prozess, Raumtemperatur und Schaltfrequenz fsw = 3 MHz. Die Offset-Schaltung verwendet den gleichen Takt wie der Steuertakt und kann anders sein, um eine gewisse Flexibilität in dem Taktschema zu ermöglichen.
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8 zeigt eine Simulation 800 eines Abwärts-DC-DC-Schaltwandlers mit einer einzelnen Phase, wobei VDAC = 0,982 V und keine Offset-Funktion verwendet wird. In diesem Fall ist der Eingang zu dem Fehlerverstärker, VDAC_OUT 820, 0,982 V. Der Ausgang des Fehlerverstärkers, EA_OUT 830, ist 1,610 V und versorgt Fehlerverstärker-Dist und PWM-Logik. Der Ausgang von Ramp gen, RAMP_GEN 840, ist 1,587 V und VOUT 810 ist 0,982 V.
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9 zeigt eine Simulation 900 eines Abwärts-DC-DC-Schaltwandlers mit einer einzelnen Phase, wobei VDAC = 0,982 V und eine 0,5 V Offset-Funktion verwendet wird. In diesem Fall ist der Eingang zu dem Fehlerverstärker, VDAC_OUT 920, 0,982 V. Der Ausgang des Fehlerverstärkers, EA_OUT 930, ist 1,717 V und versorgt Fehlerverstärker-Dist und PWM-Logik. Der Ausgang von Ramp gen, RAMP_GEN 940, ist 1,739 V und VOUT 910 ist 1,483 V. Die Simulation 900 zeigt, wie die Offset-Schaltung ohne eine Änderung der VDAC-Regelkreiseinstellung richtig arbeitet.
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10 zeigt eine Simulation 1000 eines Abwärts-DC-DC-Schaltwandlers mit einer einzelnen Phase, wobei VDAC = 0,982 V und eine 1,0 V Offset-Funktion verwendet wird. In diesem Fall ist der Eingang zu dem Fehlerverstärker, VDAC_OUT 1020, 0,982 V. Der Ausgang des Fehlerverstärkers, EA_OUT 1030, ist 1,825 V und versorgt Fehlerverstärker-Dist und PWM-Logik. Der Ausgang von Ramp gen, RAMP_GEN 1040, ist 1,763 V und VOUT 1010 ist 1,982 V. Die Simulation 1000 zeigt, wie die Offset-Schaltung ohne eine Änderung der VDAC-Regelkreiseinstellung richtig arbeitet.
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11 zeigt eine Simulation 1100 eines Abwärts-DC-DC-Schaltwandlers mit einer einzelnen Phase, wobei VDAC = 0,982 V und eine 1,0 V Offset-Funktion verwendet wird, mit einer zusätzlichen Stromverstärkung von 1,1. In diesem Fall ist der Eingang zu dem Fehlerverstärker, VDAC_OUT 1120, 0,982 V. Der Ausgang des Fehlerverstärkers, EA_OUT 1130, ist 1,565 V und versorgt Fehlerverstärker-Dist und PWM-Logik. Der Ausgang von Ramp gen, RAMP_GEN 1140, ist 1,849 V und VOUT 1010 ist 1,982 V. 11 hat die gleichen Bedingungen wie 10, mit Ausnahme der zusätzlichen Stromverstärkung von 1,1. Die Umwandlung von Spannung in Strom von Fehlerverstärker-Dist hilft, die Fehlerverstärker-Ausgangsspannung zu steuern, was eine Flexibilität zu dem Design hinzufügt. Als ein Ergebnis wird der Fehlerverstärkerausgang von 1,825 V auf 1,565 V verringert.
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12 ist ein Ablaufdiagramm 1200 für ein Verfahren zur Rückkopplungsspannungs-DC-Pegelunterdrückung für DC-DC-Schaltwandler mit konfigurierbarem Ausgang, die Prinzipien der Offenbarung verkörpernd. Schritt 1210 zeigt ein Vorsehen eines Rückkopplungsfehlerverstärkers für einen DC-DC-Schaltwandler. Schritt 1220 zeigt ein Unterstützen eines breiten Ausgangsspannungsbereichs an dem Rückkopplungsfehlerverstärker. Schritt 1230 zeigt ein Vorsehen einer flexiblen Stromverstärkung für eine höhere Ausgangsspannung an dem DC-DC-Schaltwandler. Schritt 1240 zeigt ein Implementieren eines Spannungsoffsets unter Verwendung einer Schaltkondensatorschaltung, Abtasten des Eingangs des Fehlerverstärkers an einem Zwischenkondensator und Verwenden einer AC-Kopplung, um die Offsetspannung hinzuzufügen.
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Die Vorteile von einem oder mehreren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Offenbarung umfassen die Verwendung einer herkömmlichen DC-DC-Schaltwandlerarchitektur, die auf 0,3 V bis 1,5 V für den Ausgangsspannungsbereich abzielt, wodurch der Bereich ohne Modifikation der Steuerschleife vergrößert wird. Der Vorschlag ermöglicht auch ein verbessertes Schalten, wobei der Eingangsspannungsbereich optimiert wird, der an eine vereinfachte Fehlerverstärkerschaltung geliefert wird. Eine konstante Leistung wird beibehalten und die Stabilität verbessert, ohne Änderung des differentiellen Eingangssignalhubs.
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Während diese Erfindung insbesondere unter Bezugnahme auf ihre bevorzugten Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben wurde, ist für Fachleute offensichtlich, dass verschiedene Änderungen in Form und Details vorgenommen werden können, ohne von dem Sinn und dem Umfang der Offenbarung abzuweichen.
