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Technischer Bereich
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Das vorliegende Dokument betrifft das Gebiet von Leistungswandlern. Insbesondere betrifft das vorliegende Dokument modulare und konfigurierbare Leistungswandler, die ihre maximalen Ausgangsströme dynamisch anpassen können.
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Hintergrund
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Typischerweise weist eine integrierte Leistungsverwaltungsschaltung (PMIC - power management integrated circuit) eine große Anzahl von Leistungswandlern auf. Diese Leistungswandler können sich unterscheiden zum Beispiel in Bezug auf Energieverbrauch, Rauscherzeugung, Dropout-Spannungen und maximale Lastströme, die sie unterstützen. Jedoch kann es sein, dass während des Designs der PMIC die spezifischen Anforderungen der Anwendung möglicherweise nicht ausreichend definiert sind, und die Leistungswandler sind möglicherweise nicht optimal ausgewählt und auf der Leiterplatte (PCB - printed circuit board) positioniert. Somit kann es wünschenswert sein, die Möglichkeit zu haben, die physikalische Position eines bestimmten Ausgangs eines bestimmten Leistungswandlers zu ändern. Weiter kann es vorteilhaft sein, einen Satz von verbindbaren Leistungswandlern zu haben derart, dass zum Beispiel ein Leistungswandler mit einer rauscharmen Eingangsstufe oder ein Leistungswandler mit einem ausreichenden maximalen Ausgangsstrom an einer bestimmten Position auf der PCB implementiert werden kann. Diese konfigurierbaren Positionen und Eigenschaften von Leistungswandlern sind insbesondere im Bereich von anwendungsspezifischen Standardprodukten (ASSP - application-specific standard products) wünschenswert, die an die Besonderheiten der Anwendung in einer voroperativen Phase angepasst werden müssen.
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Ein häufig auftretendes Problem ist zum Beispiel, dass ein Ausgangsstrom erforderlich ist, der einen maximalen Ausgangsstrom übersteigt, den ein spezifischer Leistungswandler liefern kann. Um in dieser Situation ein Überlasten des spezifischen Leistungswandlers zu vermeiden, ist eine Möglichkeit, einen zweiten Leistungswandler parallel zu verbinden, um den erforderlichen maximalen Ausgangsstrom vorzusehen. Bei einem Koppeln von zwei oder mehr Leistungswandlern können jedoch Stabilitätsprobleme auftreten. Wenn zwei Leistungswandler mit unterschiedlichen Verstärkungen gekoppelt werden, kann es außerdem sein, dass nur einer der beiden Leistungswandler effektiv regelt, während der andere Leistungswandler durch Überspannung aus sein kann oder in Strombegrenzung durch Unterspannung.
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Das vorliegende Dokument adressiert die oben erwähnten technischen Probleme. Insbesondere adressiert das vorliegende Dokument das technische Problem eines Vorsehen eines Verfahrens zum dynamischen Ändern von Positionen der Ausgänge von Leistungswandlern und zum dynamischen Koppeln von zwei oder mehr Leistungswandlern, um einen variablen maximalen Ausgangsstrom zu erlangen.
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Zusammenfassung
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Gemäß einem Aspekt wird ein Leistungswandler vorgesehen, der einen Fehlerverstärker, einen Referenzstromschaltungszweig und einen Laststromschaltungszweig aufweist. Der Fehlerverstärker ist konfiguriert zum Erzeugen eines Fehlersignals basierend auf einem Referenzwert und einem Ausgangssignal an einem Ausgang des Leistungswandlers. Der Referenzstromschaltungszweig weist eine Modulationsvorrichtung auf, die konfiguriert ist zum Modulieren eines Referenzstroms in dem Referenzstromschaltungszweig basierend auf dem Fehlersignal. Der Laststromschaltungszweig weist einen ersten Ausgangstransistor auf, der konfiguriert ist zum Anpassen eines Ausgangsstroms an dem Ausgang des Leistungswandlers basierend auf dem Referenzstrom.
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Der Leistungswandler kann zum Beispiel ein Spannungsregler zum Regeln einer Ausgangsspannung an dem Ausgang des Leistungswandlers oder ein Stromregler zum Regeln eines Ausgangsstroms an dem Ausgang des Leistungswandlers sein. Zum Beispiel kann der Leistungswandler ein linearer Regler sein, der konfiguriert ist zum Beibehalten einer stabilen Ausgangsspannung, wie ein Low-Dropout(LDO)-Regler.
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Der Fehlerverstärker kann einen Teil einer Eingangsstufe des Leistungswandlers bilden. Insbesondere kann der Fehlerverstärker einen Teil der Eingangsstufe einer Rückkopplungsschleife zum Regeln des Ausgangssignals hin zu dem vorgegebenen Referenzwert bilden. Abhängig von dem Typ des verwendeten Leistungswandlers kann der Fehlerverstärker das Fehlersignal basierend auf einem Referenzspannungswert und einer Ausgangsspannung an dem Ausgang des Leistungswandlers erzeugen. Alternativ oder zusätzlich kann der Fehlerverstärker das Fehlersignal basierend auf einem Referenzstromwert und einem Ausgangsstrom an dem Ausgang des Leistungswandlers erzeugen. In jedem Fall kann der Fehlerverstärker (oder Differenzverstärker) konfiguriert sein zum Bestimmen eines Differenzsignals basierend auf dem Referenzwert und dem Ausgangssignal und zum Erzeugen des Fehlersignals als eine verstärkte Version des Differenzsignals. Zu diesem Zweck kann jeder geeignete Typ von Schaltung, die einen Operationsverstärker aufweist, verwendet werden. Zum Beispiel kann der Fehlerverstärker ein N-Typ-Metalloxidhalbleiter(MOS - metal-oxide semiconductor), ein P-Typ-MOS oder ein Bipolartransistor(BJT - bipolar junction transistor)-Eingangsdif-ferenzpaar sein. Insbesondere kann der Fehlerverstärker zum Beispiel eine spannungsgesteuerte Stromquelle (VCCS - voltage controlled current source) mit einer geeignet ausgewählten Transkonduktanz Gm sein.
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Sowohl der Referenzstromschaltungszweig als auch der Laststromschaltungszweig können Teil einer Ausgangsstufe des beschriebenen Leistungswandlers sein. Zum Beispiel können der Referenzstromschaltungszweig und der Laststromschaltungszweig parallele elektrische Pfade zwischen einer Versorgungsspannung und Masse bilden. In diesem Dokument ist der Begriff „Masse“ in seiner weitest möglichen Bedeutung anzusehen. Insbesondere ist Masse nicht auf einen Referenzpunkt mit einer direkten physikalischen Verbindung zu Erde beschränkt. Vielmehr kann sich der Begriff „Masse“ auf jeden Referenzpunkt beziehen, an den und von dem elektrische Ströme fließen können oder von dem Spannungen gemessen werden können.
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Die Modulationsvorrichtung kann zum Beispiel jede Typ von Feldeffekttransistor (FET - field effect transistor) oder BJT sein. In ähnlicher Weise kann der erste Ausgangskondensator (auch als Durchlassvorrichtung bezeichnet) jeder Typ von FET oder BJT sein. Vorzugsweise ist der erste Ausgangstransistor konfiguriert zum Anpassen des Ausgangsstroms derart, dass der Ausgangsstrom eine verstärkte Version des Referenzstroms ist. Dies kann erreicht werden durch (a) Vorsehen eines Referenztransistors in Serie mit der Modulationsvorrichtung in dem Referenzstromschaltungszweig zwischen der Versorgungsspannung und Masse, und durch (b) Verbinden des Referenztransistors und des ersten Ausgangstransistors derart, dass beide Transistoren einen ersten Stromspiegel bilden. Zu diesem Zweck kann der Referenztransistor ein Diode-verbundener Transistor sein und ein Gate-Anschluss des Referenztransistors und ein Gate-Anschluss des ersten Ausgangstransistors können mit demselben Spannungspegel vorgespannt (biased) sein. Zusätzlich können sowohl der Referenztransistor als auch der erste Ausgangstransistor vom selben Typ sein, zum Beispiel vom p-Kanal-MOSFET-Typ.
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Die oben beschriebene Struktur des Leistungswandlers ermöglicht, zwei oder mehr Leistungswandler an einer elektronischen Vorrichtung in einer stabilen und effizienten Weise zu koppeln. Die Idee besteht darin, ein modulares Konzept mit identisch oder zumindest ähnlich strukturierten Leistungswandlern mit den oben beschriebenen Komponenten vorzusehen. Diese Leistungswandler können dynamisch (neu) konfiguriert werden, um die Anforderungen der Anwendung zu erfüllen. Weiter besteht die Idee darin, einen Leistungswandler als Master-Leistungswandler zu konfigurieren und einen anderen Leistungswandler als Slave-Leistungswandler zu konfigurieren unter Verwendung einer dedizierten Konfigurationseinheit mit einer Schaltmatrix. Die Schaltmatrix kann konfiguriert sein zum Verbinden eines Gate-Anschlusses des ersten Ausgangstransistors des Master-Leistungswandlers mit einem Gate-Anschluss des ersten Ausgangstransistors des Slave-Leistungswandlers. Die Schaltmatrix kann konfiguriert sein zum Verbinden eines Ausgangs des Fehlerverstärkers des Master-Leistungswandlers mit einem Eingang der Modulationsvorrichtung des Master-Leistungswandlers. Gleichzeitig kann die Schaltmatrix konfiguriert sein zum Deaktivieren der Modulationsvorrichtung des Slave-Leistungswandlers. Das Deaktivieren der Modulationsvorrichtung kann zum Beispiel durch Verbinden eines Gate-Anschlusses eines Transistors, der die Modulationsvorrichtung implementiert, mit Masse erzielt werden. Somit wird es möglich, beide Ausgänge des Master-Leistungswandlers und des Slave-Leistungswandlers miteinander zu verbinden und einen höheren maximalen Ausgangsstrom von den verbundenen Ausgängen zu beziehen, während gleichzeitig Stabilitätsprobleme vermieden werden.
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In der folgenden Beschreibung wird angenommen, dass - ohne Beschränkung der Allgemeinheit - nur zwei Leistungswandler miteinander gekoppelt sind. Es ist jedoch offensichtlich, dass der Master-Leistungswandler mit einer beliebigen Anzahl von Slave-Leistungswandlern verbunden sein kann.
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Darüber hinaus kann der Leistungswandler weiter einen Slave-Stromschaltungszweig mit einem zweiten Ausgangstransistor aufweisen, der konfiguriert ist zum Anpassen, basierend auf dem Referenzstrom, eines Slave-Stroms in dem Slave-Stromschaltungszweig zum Steuern eines externen Slave-Leistungswandlers. Der Referenztransistor und der erste Ausgangstransistor können konfiguriert sein, um den ersten Stromspiegel bilden. Zusätzlich können der Referenztransistor und der zweite Ausgangstransistor verbunden sein, um einen zweiten Stromspiegel zu bilden. Wiederum kann der Referenztransistor ein Diode-verbundener Transistor sein. Der Gate-Anschluss des Referenztransistors, der Gate-Anschluss des ersten Ausgangstransistors und ein Gate-Anschluss des zweiten Ausgangstransistors können mit demselben Spannungspegel vorgespannt sein. Der Referenztransistor, der erste Ausgangstransistor und der zweite Ausgangstransistor können vom gleichen Typ sein, zum Beispiel vom p-Kanal-MOSFET-Typ.
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Der Slave-Stromschaltungszweig dient als eine zusätzliche Struktur innerhalb des Leistungswandlers, um einen Strom (d.h. den Slave-Strom) abzuzweigen, der eine bekannte Beziehung zu dem tatsächlichen Ausgangsstrom des Leistungswandlers hat. Tatsächlich kann das Verhältnis des Slave-Stroms zu dem Ausgangsstrom basierend auf den Charakteristiken (wie zum Beispiel den Widerstandswerten an den jeweiligen Betriebspunkten) des ersten Stromspiegels und des zweiten Stromspiegels bestimmt werden. Der erzeugte Slave-Strom kann vorteilhafterweise verwendet werden, um einen Betrieb des externen Slave-Leistungswandlers zu steuern.
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Der Referenzstromschaltungszweig kann einen Master-Strominjektions- bzw. einspeisezweig zum Injizieren bzw. Einspeisen eines Master-Stroms von einem externen Master-Leistungswandler aufweisen, wobei der Master-Strominjektionszweig parallel zu der Modulationsvorrichtung angeordnet ist. Zum Beispiel kann sich der Master-Strominjektionszweig zwischen Masse und einem Knoten auf dem Referenzstromschaltungszweig erstrecken, der zwischen der Modulationsvorrichtung und dem Referenztransistor angeordnet ist. Der Master-Strominjektionszweig kann einen dritten Stromspiegel mit einem Injektionstransistor und einem Spiegeltransistor aufweisen, wobei der Spiegeltransistor parallel zu der Modulationsvorrichtung verbunden ist. Der Injektionstransistor kann ein Diode-verbundener Transistor zum Injizieren des Master-Stroms sein. Der Injektionstransistor und der Spiegeltransistor können vom gleichen Typ sein, zum Beispiel vom n-Kanal-MOSFET-Typ. Zum Beispiel kann der Master-Strom in den Drain-Anschluss oder den Source-Anschluss des Injektionstransistors injiziert werden, wenn letzterer implementiert wird unter Verwendung der MOSFET-Technologie. Zu diesem Zweck ist für Fachleute offensichtlich, dass der Master-Strom nicht direkt in den Drain-Anschluss oder den Source-Anschluss injiziert werden muss, sondern ebenso in leitende Strukturen injiziert werden kann, die elektrisch mit dem Drain-Anschluss oder dem Source-Anschluss gekoppelt sind.
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Der Master-Strominjektionszweig dient als eine zusätzliche Struktur innerhalb des Leistungswandlers, um einen Strom (d.h. den Master-Strom) zum Steuern des Leistungswandlers von dem externen Master-Leistungswandler einzukoppeln. Der Master-Strominjektionszweig parallel zu der Modulationsvorrichtung ermöglicht ein Ersetzen des Referenzstroms durch den Master-Strom, wenn die Modulationsvorrichtung deaktiviert ist. In anderen Worten, wie nachstehend detailliert beschrieben wird, eine Konfigurationseinheit kann entscheiden, dass ein spezifischer Leistungswandler als Slave-Leistungswandler wirken soll, und eine Schaltmatrix dieser Konfigurationseinheit kann die Ausbreitung des Fehlersignals zwischen dem Fehlerverstärker und der Modulationsvorrichtung des spezifischen Leistungswandlers unterbrechen. In der beschriebenen Situation ist die Schaltmatrix konfiguriert zum Herstellen einer elektrischen Verbindung zwischen einem Master-Leistungswandler und dem Master-Strominjektionszweig des Leistungswandlers derart, dass der injizierte Master-Strom einen Referenzstrom ersetzt, der durch die Modulationsvorrichtung während eines normalen Betriebs des Leistungswandlers angepasst würde (d.h. wenn der Leistungswandler nicht ausgewählt ist, als Slave-Leistungswandler zu wirken).
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Der Leistungswandler kann weiter einen Ausgangskondensator aufweisen, der zwischen dem Ausgang des Leistungswandlers und Masse gekoppelt ist.
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Gemäß einem anderen Aspekt wird eine elektronische Vorrichtung vorgesehen, die zwei der oben beschriebenen Leistungswandler aufweist. Einer der zwei Leistungswandler wird als Master-Leistungswandler bezeichnet, während der andere Leistungswandler als Slave-Leistungswandler bezeichnet wird. Der Referenzwert, der auf den Fehlerverstärker des Master-Leistungswandlers angewendet wird, kann identisch mit oder verschieden von dem Referenzwert sein, der auf den Fehlerverstärker des Slave-Leistungswandlers angewendet wird. Die elektronische Vorrichtung weist eine Konfigurationseinheit mit einer Schaltmatrix auf, die konfiguriert ist zum Verbinden des Slave-Stromschaltungszweigs des Master-Leistungswandlers mit dem Master-Strominjektionszweig des Slave-Leistungswandlers derart, dass der Slave-Strom des Master-Leistungswandlers als Master-Strom in den Slave-Leistungswandler injiziert wird.
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Die Schaltmatrix kann konfiguriert sein zum Verbinden eines Ausgangs des Fehlerverstärkers des Master-Leistungswandlers mit einem Eingang der Modulationsvorrichtung des Master-Leistungswandlers, oder zum Verbinden eines Ausgangs des Fehlerverstärkers des Slave-Leistungswandlers mit letzterem Eingang.
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Andererseits kann die Schaltmatrix konfiguriert sein zum Trennen des Ausgangs des Fehlerverstärkers des Master-Leistungswandlers von dem Eingang der Modulationsvorrichtung des Master-Leistungswandlers oder zum Trennen des Ausgangs des Fehlerverstärkers des Slave-Leistungswandlers von letzterem Eingang. Zum Beispiel kann die Schaltmatrix konfiguriert sein zum Deaktivieren der Modulationsvorrichtung des Slave-Leistungswandlers (z.B. durch Verbinden des Gate-Anschlusses der Modulationsvorrichtung mit Masse), wenn der Ausgang des Fehlerverstärkers des Master-Leistungswandlers mit dem Eingang der Modulationsvorrichtung des Master-Leistungswandlers verbunden ist. Oder die Schaltmatrix kann konfiguriert sein zum Deaktivieren der Modulationsvorrichtung des Master-Leistungswandlers (z.B. durch Verbinden des Gate-Anschlusses der Modulationsvorrichtung mit Masse), wenn erforderlich.
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Weiter kann die Schaltmatrix konfiguriert sein zum Deaktivieren des Master-Strominjektionszweigs des Master-Leistungswandlers (z.B. durch Verbinden eines Drain-Anschlusses oder eines Source-Anschlusses des Injektionstransistors mit Masse), wenn der Ausgang des Fehlerverstärkers des Master-Leistungswandlers mit dem Eingang der Modulationsvorrichtung des Master-Leistungswandlers verbunden ist. Die Konfigurationseinheit kann weiter ein oder mehrere Register zum Programmieren des Schaltverhaltens der Schaltmatrix und/oder zum Speichern der Referenzwerte der Fehlerverstärker aufweisen.
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Die elektronische Vorrichtung kann zum Beispiel eine integrierte Leistungsverwaltungsschaltung (PMIC - power management integrated circuit) sein. Insbesondere kann die elektronische Vorrichtung ein anwendungsspezifisches Standardprodukt sein, zum Beispiel, wenn die endgültige Anwendung einer komplexen PMIC an dem Zeitpunkt des Designs nicht definiert ist. Für Fachleute ist offensichtlich, dass die elektronische Vorrichtung eine Vielzahl von Leistungswandlern aufweisen kann, die jeweilige Eingangsstufen und Ausgangsstufen aufweisen. Einerseits können die Eingangsstufen entsprechende Fehlerverstärker aufweisen. Andererseits können die Ausgangsstufen entsprechende Modulationsvorrichtungen und die oben beschriebenen Schaltungszweige zum Verstärken von Referenzströmen, Extrahieren von Slave-Strömen und Injizieren von Master-Strömen aufweisen. Somit ermöglicht die beschriebene elektronische Vorrichtung eine dynamische Auswahl einer Eingangsstufe und eine Verbindung der ausgewählten Eingangsstufe mit einer ausgewählten Ausgangsstufe. Ein Benutzer der elektronischen Vorrichtung kann die Eingangsstufe gemäß den Anforderungen der Anwendung auswählen. Weiter kann der Benutzer eine Ausgangsstufe auswählen, zum Beispiel basierend auf der Position eines Ausgangsanschlusses der Ausgangsstufe. Mit Hilfe der Schaltmatrix kann eine beliebige Anzahl von Ausgangsstufen mit dieser Ausgangsstufe gekoppelt werden, um den maximalen Ausgangsstrom des kombinierten Leistungswandlers zu erhöhen. Gleichzeitig kann eine gleichmäßige Stromverteilung zwischen Ausgangsstufen durch eine entsprechende Dimensionierung der Ausgangsstufen erreicht werden. Insbesondere werden Situationen vermieden, in denen nur ein Leistungswandler von zwei oder mehr gekoppelten Leistungswandlern den gesamten Ausgangsstrom führt.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren für einen Betrieb eines Leistungswandlers vorgesehen. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen, durch einen Fehlerverstärker, eines Fehlersignals basierend auf einem Referenzwert und einem Ausgangssignal an einem Ausgang des Leistungswandlers. Das Verfahren umfasst weiter ein Modulieren, durch eine Modulationsvorrichtung, eines Referenzstroms in einem Referenzstromschaltungszweig des Leistungswandlers basierend auf dem Fehlersignal. Ein erster Ausgangstransistor passt einen Ausgangsstrom an dem Ausgang des Leistungswandlers basierend auf dem Referenzstrom an. Das Verfahren kann weiter ein Anpassen, durch einen zweiten Ausgangstransistor, basierend auf dem Referenzstrom, eines Slave-Stroms in einem Slave-Stromschaltungszweig zum Steuern eines externen Slave-Leistungswandlers aufweisen. Weiter kann der Slave-Strom in den externen Slave-Leistungswandler injiziert werden. Insbesondere kann das Verfahren weiter aufweisen ein Vorsehen eines Referenztransistors in Serie mit der Modulationsvorrichtung innerhalb des Referenzstromschaltungszweigs, Konfigurieren des Referenztransistors und des ersten Ausgangstransistors derart, dass der Referenztransistor und der erste Ausgangstransistor einen ersten Stromspiegel bilden; und Konfigurieren des Referenztransistors und des zweiten Ausgangstransistors derart, dass der Referenztransistor und der zweite Ausgangstransistor einen zweiten Stromspiegel bilden.
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Zusätzlich kann das Verfahren aufweisen ein Vorsehen, innerhalb des Referenzstromschaltungszweigs, eines Master-Strominjektionszweigs derart, dass der Master-Strominjektionszweig parallel zu der Modulationsvorrichtung angeordnet ist; und Injizieren eines Master-Stroms von einem externen Master-Leistungswandler in den Master-Strominjektionszweig.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Koppeln eines Master-Leistungswandlers, wie in der obigen Beschreibung beschrieben, mit einem Slave-Leistungswandler, wie in der obigen Beschreibung beschrieben, vorgesehen. Das Verfahren weist auf ein Verbinden, unter Verwendung einer Schaltmatrix, des Slave-Stromschaltungszweigs des Master-Leistungswandlers mit dem Master-Strominjektionszweig des Slave-Leistungswandlers derart, dass der Slave-Strom des Master-Leistungswandlers als Master-Strom in den Slave-Leistungswandler injiziert wird. Das Verfahren kann ein Verbinden, unter Verwendung der Schaltmatrix, eines Ausgangs des Fehlerverstärkers des Master-Leistungswandlers mit einem Eingang der Modulationsvorrichtung des Master-Leistungswandlers aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren ein Verbinden, unter Verwendung der Schaltmatrix, des Ausgangs des Fehlerverstärkers des Slave-Leistungswandlers mit dem letzteren Eingang aufweisen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird ein Verfahren zum Koppeln eines Master-Leistungswandlers, wie in der obigen Beschreibung beschrieben, mit einem Slave-Leistungswandler, wie in der obigen Beschreibung beschrieben, vorgesehen. Das Verfahren weist auf ein Verbinden, unter Verwendung einer Schaltmatrix, eines Gate-Anschlusses des ersten Ausgangstransistors des Master-Leistungswandlers mit einem Gate-Anschluss des ersten Ausgangstransistors des Slave-Leistungswandlers.
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Es sollte angemerkt werden, dass die Verfahren und Systeme einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsbeispiele, wie in dem vorliegenden Dokument dargelegt, eigenständig oder in Kombination mit den anderen in diesem Dokument offenbarten Verfahren und Systemen verwendet werden können. Darüber hinaus sind die in dem Kontext mit einem System dargelegten Merkmale auch auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar. Darüber hinaus können alle Aspekte der in diesem Dokument beschriebenen Verfahren und Systeme beliebig kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale der Ansprüche beliebig miteinander kombiniert werden.
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In dem vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff „koppeln“, „verbinden“, „gekoppelt“ oder „verbunden“ auf Elemente, die miteinander in elektrischer Verbindung sind, entweder direkt verbunden, z.B. über Leitungen, oder auf andere Weise.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden auf beispielhafte Weise unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert, wobei
- 1 eine elektronische Vorrichtung mit gekoppelten Leistungswandlern zeigt;
- 2 eine andere elektronische Vorrichtung mit gekoppelten Leistungswandlern zeigt;
- 3 eine weitere Kopplung von zwei Leistungswandlern zeigt;
- 4 eine weitere Kopplung von zwei Leistungswandlern zeigt;
- 5 eine weitere Kopplung von zwei Leistungswandlern zeigt;
- 6 eine mögliche Kopplung von mehr als zwei Ausgangsstufen zeigt; und
- 7 eine weitere mögliche Kopplung von mehr als zwei Ausgangsstufen zeigt.
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Detaillierte Beschreibung
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1 zeigt eine beispielhafte elektronische Vorrichtung 1 zum Darstellen von Aspekten der vorliegenden Erfindung. Die elektronische Vorrichtung 1 weist einen ersten Leistungswandler mit einer Eingangsstufe 11 und einer Ausgangsstufe 13 auf. Die Eingangsstufe 11 weist einen Fehlerverstärker 12 auf, der konfiguriert ist zum Erzeugen eines Fehlersignals basierend auf einer Referenzspannung und einer Ausgangsspannung an einem Ausgang des ersten Leistungswandlers. Die Ausgangsstufe 13 weist einen Referenzstromschaltungszweig mit einer Modulationsvorrichtung 14 auf, die konfiguriert ist zum Modulieren eines Referenzstroms in dem Referenzstromschaltungszweig basierend auf dem Fehlersignal. Weiter weist die Ausgangsstufe 13 einen Laststromschaltungszweig auf, der einen ersten Ausgangstransistor 15 aufweist, der konfiguriert ist zum Anpassen eines Ausgangsstroms an dem Ausgang des Leistungswandlers basierend auf dem Referenzstrom. 1 zeigt auch einen Slave-Stromschaltungszweig mit einem zweiten Ausgangstransistor 17, der konfiguriert ist zum Anpassen, basierend auf dem Referenzstrom, eines Slave-Stroms in dem Slave-Stromschaltungszweig zum Steuern eines externen Slave-Leistungswandlers. Der Referenzstromschaltungszweig weist einen Referenztransistor 16 auf, und wobei die Modulationsvorrichtung 14 und der Referenztransistor 16 in Serie in dem Referenzstromschaltungszweig zwischen einer Versorgungsspannung und Masse angeordnet sind. Da in dem dargestellten Beispiel die Gates aller Transistoren verbunden sind, alle Sources mit Masse verbunden sind und der Drain des Referenztransistors mit seinem Gate verbunden ist, wird der Referenzstrom sowohl zu dem Ausgangsstromschaltungszweig als auch zu dem Slave-Stromschaltungszweig gespiegelt. Die jeweiligen Spiegelverhältnisse hängen dabei zum Beispiel von der Dimensionierung der verwendeten Transistoren ab.
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In der dargestellten beispielhaften Vorrichtung 1 wird der erste Leistungswandler als Master-Leistungswandler ausgewählt. Folglich stellt eine Schaltmatrix 3 eine elektrische Verbindung 32 zwischen der Eingangsstufe 11 und der Ausgangsstufe 13 des ersten Leistungswandlers her. 1 zeigt auch die Ausgangsstufe 23 eines zweiten Leistungswandlers, der - in dem dargestellten Beispiel - identisch mit dem ersten Leistungswandler ist. Da der zweite Leistungswandler als Slave-Leistungswandler zur Kopplung mit dem ersten Leistungswandler ausgewählt wird, wird seine Eingangsstufe nicht benötigt und in 1 auch nicht dargestellt. 1 zeigt nur die Ausgangsstufe 23 des zweiten Slave-Leistungswandlers. Die Schaltmatrix 3 stellt eine elektrische Verbindung 33 zwischen Masse und dem Gate der Modulationsvorrichtung 24 des zweiten Leistungswandlers her, um die Modulationsvorrichtung 24 zu deaktivieren.
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Der Referenzstromschaltungszweig des zweiten Leistungswandlers weist weiter einen Master-Strominjektionszweig auf zum Injizieren eines Master-Stroms von zum Beispiel dem ersten Leistungswandler. Wie in 1 dargestellt, weist der Master-Strominjektionszweig einen weiteren Stromspiegel mit einem Injektionstransistor 29 und einem Spiegeltransistor 28 auf, wobei der Spiegeltransistor 28 parallel zu der (hier deaktivierten) Modulationsvorrichtung 24 verbunden ist. Die Schaltmatrix 3 verbindet nun den Slave-Stromschaltungszweig des (oberen) Master-Leistungswandlers mit dem Master-Strominjektionszweig des (unteren) Slave-Leistungswandlers über die elektrische Verbindung 31 derart, dass der Slave-Strom des Master-Leistungswandlers als Master-Strom in den Slave-Leistungswandler injiziert wird. Als Folge wird der Slave-Strom des Master-Leistungswandlers verwendet zum Treiben und Steuern der Ausgangsstufe 23 des Slave-Leistungswandlers auf eine stabile und effiziente Weise. Die Ausgänge beider Ausgangsstufen 13, 23 können nun extern über die Verbindung 43 verbunden werden, wodurch ein einzelner Ausgang der elektronischen Vorrichtung 1 vorgesehen wird, um eine höhere Menge an Ausgangsstrom zu unterstützen.
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Es ist anzumerken, dass an den Ausgängen beider Ausgangsstufen 13, 23 jeweilige Ausgangskondensatoren 41, 42 verbunden sind, die vorzugsweise die gleichen oder ähnliche Kapazitäten haben können. Wenn dann Ausgänge der Ausgangsstufen mit einer externen Last verbunden werden, summieren sich die Kapazitäten der Ausgangskondensatoren 41, 42 und sehen ein nahezu konstantes Bandbreiteverhalten vor.
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Schließlich sollte angemerkt werden, dass die Schaltmatrix 3 konfiguriert sein kann zum Deaktivieren des Master-Strominjektionszweigs des Master-Leistungswandlers, da dieser in dem dargestellten Szenario nicht benötigt wird. Dies kann zum Beispiel durch Anschließen des Gates des Spiegeltransistors 18 und/oder des Gates des Injektionstransistors 19 über die elektrische Verbindung 33 an Masse durchgeführt werden.
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2 zeigt eine weitere elektronische Vorrichtung 5, die Aspekte der vorliegenden Erfindung darstellt. Die elektronische Vorrichtung 5 weist zwei Leistungswandler auf, die identisch sind zu den in dem Kontext von 1 diskutierten Leistungswandlern. In der elektronischen Vorrichtung 5 verbindet die Schaltmatrix 3 (nicht gezeigt) den Gate-Anschluss des ersten Ausgangstransistors 51 des Master-Leistungswandlers über die elektrische Verbindung 34 mit dem Gate-Anschluss des ersten Ausgangstransistors 52 des Slave-Leistungswandlers. Im Vergleich zu der in 1 dargestellten Verbindungskonfiguration, bei der der Slave-Strom abgezweigt und über die Schaltmatrix 3 zu der unteren Ausgangsstufe geleitet wird, kann die elektrische Verbindung 34 Injektionsprobleme verursachen, da ein Signalknoten durch die Schaltmatrix 3 geleitet werden muss. Somit kann die elektrische Verbindung 31 in 1 noch immer eine bevorzugte Lösung zum Kombinieren von zwei oder mehr Ausgangsstufen sein.
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3 zeigt eine weitere potentielle Kopplung zwischen zwei Ausgangsstufen von zwei Leistungswandlern, was im Vergleich zu den in 1 und 2 dargestellten Lösungen als minderwertig angesehen wird. In dem in 3 dargestellten beispielhaften Szenario sind die Eingangsstufen 63, 64 von beiden Leistungswandlern direkt über die Verbindung 61 verbunden und der gemeinsame Ausgangsstrom wird von den Ausgängen beider Leistungswandler bezogen, die über die Ausgangsverbindung 62 gekoppelt sind. Dieser Brute-Force-Parallelisierungsansatz kann den Nachteil zeigen, dass nur der stärkere Leistungswandler, d.h. der Leistungswandler mit der höheren Verstärkung, aktiv regeln kann, der schwächere Leistungswandler kann ausgeschaltet sein.
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Die 4 und 5 zeigen eine alternative Kopplung von zwei Leistungswandlern, was zu ernsthaften Stabilitätsproblemen führen kann. In 4 wird das Fehlersignal, das von der Eingangsstufe 70 des Master-Leistungswandlers erzeugt wird, an beide Modulationsvorrichtungen 71, 72 über die Verbindung 73 angelegt, die durch die Schaltmatrix 3 (nicht gezeigt) vorgesehen wird. Anders ausgedrückt, die Eingangsstufe des Slave-Wandlers wird in dem Beispiel von 4 umgangen. Der Gate-Anschluss der Modulationsvorrichtung 71 bildet jedoch einen empfindlichen Verstärkungsknoten, der keine bevorzugte Lösung sein muss. Darüber hinaus kann die kritische Bandbreite einer inneren Verstärkungsstufe reduziert werden, wenn zwei oder mehr Ausgangsstufen auf diese Weise parallel sind. In ähnlicher Weise führt ein Abgreifen des Gate-Anschlusses der Durchlassvorrichtung (erster Ausgangstransistor) 80 und ein Verbinden dieses Anschlusses über die Verbindung 82 mit dem Gate-Anschluss der Durchlassvorrichtung 81 des Slave-Leistungswandlers zu einem schlechteren Frequenzverhalten, wenn die Durchlassvorrichtung 81 nicht konfiguriert ist zum Spiegeln des Referenzstroms innerhalb des Referenzstromschaltungszweigs. In 5 wird die fehlende elektrische Verbindung zwischen den Gates des Referenztransistors 83 und der Durchlassvorrichtung 81 durch ein Kreuz hervorgehoben.
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6 zeigt eine mögliche Kopplung von drei Ausgangsstufen 90, 91, 92 mit einer einzelnen Eingangsstufe 93. Die Ausgangsstufe 94 ist mit der Eingangsstufe 95 gekoppelt und die Eingangsstufen 96, 97 bleiben getrennt. Gemäß den in dem vorliegenden Dokument dargestellten Prinzipien wird es möglich, eine Vielzahl von Eingangsstufen und Ausgangsstufen auf einem Chip zu haben, die mit maximaler Flexibilität verbunden werden können, um Leistungswandler mit den gewünschten Eigenschaften an den gewünschten Positionen zu bilden. Weiter ermöglicht die vorgeschlagene Methodik ein Vorsehen eines variablen maximalen Ausgangsstroms oder einer minimalen Dropout-Spannung für eine gegebene Anwendung unter Verwendung von Ausgangsstufen. Vorzugsweise ist nur eine Eingangsstufe aktiv, um einen Satz von Ausgangsstufen zu steuern. Dies wird auch in 7 dargestellt, wo zwei mögliche Konfigurationen 101, 102 von verbundenen Ausgangsstufen dargestellt sind.
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Es sollte angemerkt werden, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme darstellen. Fachleute werden in der Lage sein, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, obwohl hier nicht explizit beschrieben oder gezeigt, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und in ihrem Sinn und Umfang enthalten sind. Darüber hinaus sollen alle Beispiele und Ausführungsbeispiele, die in dem vorliegenden Dokument dargestellt sind, ausdrücklich nur der Erläuterung dienen, um dem Leser bei einem Verständnis der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu unterstützen. Weiter sollen alle hierin enthaltenen Aussagen, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie spezifische Beispiele davon vorsehen, Äquivalente davon umfassen.
