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Technisches Gebiet
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Das vorliegende Dokument betrifft Spannungsregler, insbesondere Low Dropout (LDO)-Regler. Insbesondere betrifft das vorliegende Dokument die Erhöhung der Leistungseffizienz eines Spannungsreglers, insbesondere bei relativ niedrigen Lastströmen.
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Hintergrund
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Spannungsregler (insbesondere LDO-Regler) arbeiten in der Regel zwischen mindestens zwei Versorgungsschienen, wie zum Beispiel der Versorgungsspannung VDD (zum Beispiel einer Batteriespannung) und einer Bezugsspannung GND (zum Beispiel Masse). Infolge dessen verhält sich der Spannungsregler als ein Stromkreis, der Ruhestrom verbraucht (zusätzlich zu dem Laststrom, der in eine Last des Spannungsreglers eingespeist wird). Daher führt die Verwendung eines Spannungsreglers zum Bereitstellen einer geregelten Spannung (zum Beispiel auf der Basis der Spannung einer Batterie) zu einem erhöhten Stromverbrauch.
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Das vorliegende Dokument adressiert das technische Problem des Senkens des Energie- und/oder Ruhestromverbrauchs eines Spannungsreglers.
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DE 21 13 630 A beschreibt eine elektrische Regelschaltung, wobei diese Schaltung zur Erzeugung einer stabilen Bezugsspannung zwischen einer ersten und einer zweiten Ausgangsklemme ausgelegt ist.
DE 10 2016 207 714 A1 beschreibt einen Spannungsregler, der dazu ausgelegt ist, einen Ausgangsstrom bei einer Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten basierend auf einer Eingangsspannung an einem Eingangsknoten bereitzustellen. Der Spannungsregler umfasst einen Durchlasstransistor zum Ableiten des Ausgangsstroms an dem Ausgangsknoten aus der Eingangsspannung an dem Eingangsknoten. Tietze U. , Schenk C.: Halbleiter-Schaltungstechnik, 11. Auflage, Berlin, Heidelberg, New York, Springer-Verlag, 1999, S. 964-965, ISBN 3540641620, beschreibt Spannungsregler mit einstellbarer Ausgangspannung. Insbesondere wird in
.12 ein einstellbarer Spannungsregler mit 3 Anschlüssen beschrieben.
US 2015 / 0 378 377 A1 und STMicroelectronics N.V. : LM 217, LM 317 Datasheet. Rev. 20. Genf, CH, 2018 (DS0433). -Firmenschrift, beschreiben ebenfalls diverse Spannungsregler.
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Kurzdarstellung
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Gemäß einem Aspekt wird ein Spannungsregler beschrieben, der eine Durchlassvorrichtung umfasst, die mit einem Eingangsknoten bei einer Eingangsspannung gekoppelt ist. Der Spannungsregler umfasst einen Reglerkreis, der dafür konfiguriert ist, die Durchlassvorrichtung zu veranlassen, eine geregelte Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten auf der Basis der Eingangsspannung bereitzustellen. Komponenten des Reglerkreises sind zwischen dem Eingangsknoten und dem Ausgangsknoten angeordnet und werden dazwischen betrieben. Infolge dessen wird der Ruhestrom durch die Komponenten des Reglerkreises in den Ausgangsknoten eingespeist. Der Spannungsregler ist dafür konfiguriert, es zu erlauben, dass eine Last des Spannungsreglers zwischen dem Ausgangsknoten und einem Bezugsknoten bei einer Bezugsspannung angeordnet wird, wobei sich die Bezugsspannung von der Ausgangsspannung unterscheidet. Infolge dessen kann der Ruhestrom durch die Komponenten des Reglerkreises als Laststrom in eine Last des Spannungsreglers eingespeist werden.
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Es ist anzumerken, dass die Verfahren und Systeme, einschließlich ihrer bevorzugten Ausführungsformen, wie im vorliegenden Dokument dargelegt, für sich allein oder in Kombination mit den anderen in diesem Dokument offenbarten Verfahren und Systemen verwendet werden können. Außerdem sind die im Kontext eines Systems dargelegten Merkmale ebenso auf ein entsprechendes Verfahren anwendbar.
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Im vorliegenden Dokument bezieht sich der Begriff „koppeln“ oder „gekoppelt“ auf Elemente, die in elektrischer Verbindung miteinander stehen, sei es direkt verbunden, zum Beispiel über Drähte, oder auf sonstige Weise.
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Figurenliste
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Die Erfindung wird im Folgenden in beispielhafter Weise mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen erläutert, in denen Folgendes zu sehen ist:
- 1 veranschaulicht ein beispielhaftes Blockschaubild eines LDO-Reglers als ein Beispiel für einen Spannungsregler;
- 2a zeigt ein Blockschaubild eines Spannungsreglers mit einer aktiven Last;
- 2b veranschaulicht den Stromverbrauch eines Spannungsreglers, der eine aktive Last umfasst;
- 3 zeigt ein Schaltbild einer beispielhaften aktiven Last;
- 4 zeigt ein Schaltbild eines Spannungsreglers, der eine aktive Last umfasst;
- 5 zeigt ein Schaltbild eines Spannungsreglers, der Schaltungen für die Erhöhung der Stabilität eines Spannungsreglers umfasst; und
- 6 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben eines Spannungsreglers.
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Detaillierte Beschreibung
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Wie oben angedeutet, richtet sich das vorliegende Dokument auf das technische Problem der Erhöhung der Leistungseffizienz eines Spannungsreglers. In diesem Kontext veranschaulicht 1 einen LDO-Regler 100 als ein Beispiel für einen Spannungsregler. Der LDO-Regler 100 umfasst eine Ausgangsverstärkungsstufe oder Ausgangsstufe 103, die zum Beispiel, am Ausgang einen Feldeffekttransistor (FET) als eine Durchlassvorrichtung umfasst, und eine Differenzial- oder erste Verstärkungsstufe 101 (auch als Fehlerverstärker bezeichnet) am Eingang. Ein erster Eingang (fb) 107 der Differenzial- oder Eingangsverstärkungsstufe 101 empfängt einen Teil der Ausgangsspannung VOUT, die durch den Spannungsteiler 104 bestimmt wird, der Widerstände R0 und R1 umfasst. Der zweite Eingang (ref) zu der Differenzialverstärkungsstufe 101 ist eine Spannungsreferenz Vref 108. Wenn sich die Ausgangsspannung VOUT relativ zu der Bezugsspannung Vref ändert, so ändert sich die Ansteuerspannung zu der Ausgangsverstärkungsstufe, zum Beispiel zu der Durchlassvorrichtung, durch einen Rückkopplungsmechanismus, der als die Hauptrückkopplungsschleife bezeichnet wird, um eine konstante Ausgangsspannung VOUT aufrecht zu erhalten.
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Der LDO-Regler 100 von 1 umfasst des Weiteren eine zusätzliche Zwischenverstärkungsstufe 102, die dafür konfiguriert ist, die Differenzial- oder Fehlerausgangsspannung der Differenzialverstärkungsstufe 101 zu verstärken. Eine Zwischenverstärkungsstufe 102 kann verwendet werden, um eine zusätzliche Verstärkung innerhalb des Verstärkungspfades bereitzustellen. Darüber hinaus kann die Zwischenverstärkungsstufe 102 eine Phaseninvertierung bereitstellen.
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Der LDO-Regler 100 wird in der Regel in Verbindung mit einem Lastkondensator Cout (auch als Ausgangskondensator oder Stabilisierungskondensator bezeichnet) 105 parallel zu der Last 106 verwendet. Der Lastkondensator 105 wird dafür verwendet, die Ausgangsspannung VOUT zu stabilisieren, die einer Änderung der Last 106 unterliegt, und insbesondere einer Änderung des angeforderten Laststroms oder Ausgangsstrom Iload/IOUT unterliegt.
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Der Spannungsregler 100 von 1 kann als ein Blockschaubild dargestellt werden, das auf der linken Seite von 2a gezeigt ist. Der Reglerkreis 210 des Spannungsreglers 100 kann eine Differenzialverstärkungsstufe 101, eine Zwischenverstärkungsstufe 102 und die Ansteuerschaltungen der Ausgangsstufe 103 umfassen. Die Ansteuerschaltungen stellen eine Steuerspannung 204 für den Durchlasstransistor oder die Durchlassvorrichtung 200 bereit, um eine geregelte Ausgangsspannung 203 auf der Basis der Eingangsspannung 201 bereitzustellen. Eine Last 106 des Spannungsreglers 100 (zum Beispiel ein Mikroprozessor) ist zwischen der geregelten Ausgangsspannung 203 und einer Bezugsspannung 202 (zum Beispiel Masse) gekoppelt. Die Komponenten des Reglerkreises 210 werden zwischen der Eingangsspannung 201 und der Bezugsspannung 202 betrieben.
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Angesichts der Tatsache, dass der Reglerkreis 210 zwischen der Eingangsspannung 201 und der Bezugsspannung 202 betrieben wird, kommt der Ruhestrom durch den Reglerkreis 210 zu dem Laststrom durch den Durchlasstransistor 200 und durch die Last 106 hinzu, dergestalt, dass der Gesamtstromverbrauch der Summe aus Ruhestrom und Laststrom entspricht.
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2a, rechts, zeigt einen Spannungsregler 100 mit einem Reglerkreis 210, der zwischen der Eingangsspannung 201 und der geregelten Ausgangsspannung 203 betrieben wird. Infolge dessen fließt der Ruhestrom des Reglerkreises 210 durch die Last 106, dergestalt, dass der Gesamtstromverbrauch dem Ruhestrom (falls der Laststrom kleiner ist als der Ruhestrom) oder dem Laststrom (falls der Laststrom höher ist als der Ruhestrom) entspricht. Daher können der Strom und/oder der Stromverbrauch des Spannungsreglers 100 reduziert werden.
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Darüber hinaus umfasst der Spannungsregler 100 auf der rechten Seite von 2a eine aktive Last 250. Die aktive Last 250 kann dafür konfiguriert sein, den Ruhestrom des Reglerkreises 210 aufzunehmen, falls keine (ausreichende) Last 106 mit dem Spannungsregler 100 gekoppelt ist und/oder falls der Laststrom kleiner ist als der Ruhestrom. Insbesondere kann die aktive Last 250 dafür konfiguriert sein, den Teil des Ruhestroms aufzunehmen, der nicht durch die Last 106 verwendet wird. Die aktive Last 250 (im vorliegenden Text auch als die Hilfslast bezeichnet) kann unter Verwendung einer Hilfssteuerspannung 205 (zum Beispiel der in 1 gezeigten Spannung out_s2), die durch den Reglerkreis 210 bereitgestellt wird, gesteuert werden. Die Hilfssteuerspannung 205 kann den Laststrom anzeigen, der durch den Spannungsregler 100 bereitgestellt werden soll.
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2b veranschaulicht auf der linken Seite, wie der Ruhestrom 221 und der Laststrom 222 sich zu einem Gesamt (Ausgangs)-Strom 223 des Spannungsreglers 100 addieren, wenn der Reglerkreis 210 zwischen der Eingangsspannung 201 und Masse 202 betrieben wird. Darüber hinaus zeigt 2b auf der rechten Seite, wie der Ruhestrom 221 Teil des Laststroms 222 ist, wodurch den Gesamtstrom 223 reduziert wird, wenn der Reglerkreis 210 zwischen der Eingangsspannung 201 und der geregelten Ausgangsspannung 203 betrieben wird.
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3 veranschaulicht die Ausgangsstufe 103 eines Spannungsreglers 100 und ein Beispiel einer aktiven Last 210. Die Ausgangsstufe 103 umfasst Durchlassvorrichtungs-Steuertransistoren 301, 302, die dafür konfiguriert sind, die Durchlasssteuerspannung 204 zum Steuern der Durchlassvorrichtung 200 auf der Basis einer Zwischenspannung bereitzustellen (die in der Regel der Ausgangsspannung der Zwischenverstärkungsstufe 102 entspricht). Wie zu sehen ist, werden die Durchlassvorrichtungs-Steuertransistoren 301, 302 zwischen der Eingangsspannung 201 und der Ausgangsspannung 203 betrieben. Infolge dessen fließt der Ruhestrom durch die Durchlassvorrichtungs-Steuertransistoren 301, 302 auch durch die (primäre) Last 106 (oder durch die aktive Last 250) .
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Die Zwischenspannung (die durch die Zwischenverstärkungsstufe 102 bereitgestellt wird) kann als die Hilfssteuerspannung 205 zum Steuern der aktiven Last 250 verwendet werden. Dadurch kann der Pegel des Hilfslaststroms durch die aktive Last 250 synchron mit dem Durchlasstransistor 200 (und infolge dessen synchron mit dem Ausgangsstrom durch den Durchlasstransistor 200) gesteuert werden. Die aktive Last 250 kann dafür konfiguriert sein, den Hilfslaststrom zu erhöhen, wenn der Ausgangsstrom durch den Durchlasstransistor 200 abnimmt (und umgekehrt). Insbesondere kann die aktive Last 250 so ausgelegt werden, dass der Hilfslaststrom dem Ruhestrom 221 entspricht, wenn der Laststrom 222 durch die Last 106 null ist, und so, dass der Hilfslaststrom null ist, wenn der Laststrom 222 durch die Last 106 mindestens so groß ist wie der Ruhestrom 221. Zwischen diesen beiden Extremen kann der Hilfslaststrom so sein, dass die Summe des Hilfslaststroms und des Laststroms 222 gleich dem Ruhestrom 221 ist.
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Die aktive Last 250 kann einen Steuertransistor 312 umfassen, der unter Verwendung der Hilfssteuerspannung 205 gesteuert wird, um den Teil des Stroms einzustellen, der durch die Stromquelle 311 bereitgestellt wird und durch die Hilfslast fließt, die unter Verwendung der Transistoren 313, 314, 315 gebildet wird. Der Nennstrom der Stromquelle 311 kann dafür verwendet werden, den Betriebspunkt der aktiven Last 250 einzustellen.
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Die Stromquelle 311 kann dafür konfiguriert sein, einen Hilfsstrom bereitzustellen. Falls der Steuertransistor 312 vollständig geschlossen wird (aufgrund eines relativ hohen Laststroms 222), so kann der Hilfsstrom durch den Steuertransistor 312 in den Ausgangsknoten eingespeist werden und dadurch zu dem Laststrom 222 beitragen.
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Wenn hingegen der Steuertransistor 312 vollständig offen ist, so kann der Transistor 313 (im vorliegenden Text als der Transittransistor bezeichnet) vollständig geschlossen sein, wodurch den Hilfsstrom in einen ersten Zweig 315 des Stromspiegels 315, 314 eingespeist wird, der dafür konfiguriert ist, den Hilfsstrom zu dem Ausgangsknoten zu spiegeln und zu verstärken. Insbesondere kann der Stromspiegel 315, 314 sicherstellen, dass ein Strom gleich dem Hilfsstrom mal der Verstärkung des Stromspiegels 315, 314 von dem Ausgangsknoten durch den zweiten Zweig 314 des Stromspiegels 315, 314 zu dem Bezugsknoten (zum Beispiel Masse) fließt. Der Hilfsstrom mal der Verstärkung des Stromspiegels 315, 314 kann gleich dem Ruhestrom 221 des Reglerkreises 210 sein.
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Daher kann die aktive Last 250 durch Betreiben des Steuertransistors 312 in einem linearen Modus zwischen einem Hilfslaststrom von null und einem Hilfslaststrom, der gleich dem Ruhestrom 221 ist, geändert werden.
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4 zeigt ein Schaltbild eines beispielhaften Spannungsreglers 100, der einen Reglerkreis 210 umfasst, der zwischen der Eingangsspannung 201 und der geregelten Ausgangsspannung 203 betrieben wird und der eine aktive Last 250 umfasst, die dafür verwendet werden kann, den Ruhestrom 221 des Reglerkreises 210 mindestens teilweise zu senken, wenn der Laststrom 222 kleiner ist als der Ruhestrom 221.
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Daher wird ein Spannungsregler 100 beschrieben, der dafür konfiguriert ist, den Ruhestrom 221 des Reglerkreises 210 mindestens teilweise für die Last 106 des Spannungsreglers 100 wiederzuverwenden. Dadurch wird die Leistungseffizienz des Spannungsreglers 100 erhöht. Darüber hinaus erlaubt dies die Erhöhung des Ruhestroms 221 des Reglerkreises 210, weil der Ruhestrom 221 als Laststrom 222 wiederverwendet wird. Infolge dessen können die Leistung und die Zuverlässigkeit des Spannungsreglers 100 erhöht werden.
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Der beschriebene Spannungsregler 100 kann auch in Verbindung mit negativen Lasten 106 betrieben werden (wenn die Ausgangsspannung 203 höher ist als die Eingangsspannung 201). Darüber hinaus kann der Spannungsregler 100 auch ohne die Verwendung einer Miller-Kapazität betrieben werden, wodurch die Materialkosten des Spannungsreglers 100 verringert werden.
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5 zeigt ein Schaltbild des Spannungsreglers 100 von 4, der zusätzliche Schaltungen 510, 520, 530, 540 umfasst. Insbesondere kann der Spannungsregler 100 Verstärkungsbegrenzungsschaltungen 510 umfassen, die dafür konfiguriert sind, die Verstärkung des Differenzialverstärkers 101 zu begrenzen, um die Bandbreite des Differenzialverstärkers 101 (insbesondere für relativ kleine Lasten 106) zu begrenzen. Die Verstärkungsbegrenzungsschaltungen 510 können einen Transistor 513 umfassen, der unter Verwendung der Steuerspannung 204 gesteuert wird, um den Teil des Stroms der Stromquelle 512 zu steuern, die am Rückkopplungspunkt 511 innerhalb des Differenzialpaares des Differenzialverstärkers 101 angeordnet ist. Dadurch kann die Stabilität des Spannungsreglers 100 bei relativ niedrigen Lastströmen 222 (zum Beispiel einigen wenigen pA) erhöht werden.
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Darüber hinaus kann der Spannungsregler 100 Verstärkungsbegrenzungsschaltungen 520 umfassen, die dafür konfiguriert sind, die Verstärkung der Zwischenverstärkungsstufe 102 und/oder der Ausgangsstufe 103 zu begrenzen. Die Verstärkungsbegrenzungsschaltungen 520 können eine Reihenanordnung aus einer Diode 521 und einem Widerstand 522 umfassen. Eine Reihenanordnung kann zwischen der Hilfssteuerspannung 205 und der Ausgangsspannung 203 angeordnet sein. Alternativ oder zusätzlich kann eine Reihenanordnung zwischen der Eingangsspannung 201 und der Steuerspannung 204 angeordnet sein. Dadurch kann die Verstärkung der Zwischenverstärkungsstufe 102 reduziert werden, zum Beispiel um einen Faktor von 100 oder mehr. Infolge dessen kann die Stabilität des Spannungsreglers 100 erhöht werden.
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Darüber hinaus kann der Spannungsregler 100 Schaltungen 530 zum Verbessern des Einschwingverhaltens des Spannungsreglers 100 umfassen. Während einiger Betriebsszenarien kann die Spannung am Knoten 531 nahe der Eingangsspannung 201 liegen, was das Einschwingverhalten des Spannungsreglers 100 beeinträchtigen kann. Die Schaltungen 530 umfassen eine Stromquelle 532, die einen definierten Strom durch den Transistor 533 drängt, der durch den Knoten 531 gesteuert wird, wodurch den Betriebspunkt und/oder der Spannungspegel des Knotens 531 verschoben wird und wodurch das Einschwingverhalten (insbesondere für relativ niedrige Lastszenarien) verbessert wird.
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Darüber hinaus kann der Spannungsregler 100 Strombegrenzungsschaltungen 540 umfassen, die einen Abfühlwiderstand 541 umfassen, der dafür konfiguriert ist, den Ausgangsstrom durch den Durchlasstransistor 200 abzufühlen, um eine Abfühlspannung bereitzustellen, die dem Ausgangsstrom proportional ist. Die Abfühlspannung kann dafür verwendet werden, einen Rückkopplungstransistor 542 zu steuern, der dafür konfiguriert ist, den Spannungspegel des Ausgangs 543 des Differenzialverstärkers 101 zu begrenzen. Zum Beispiel kann der Ausgangsstrom des Spannungsreglers 100 auf einen zuvor festgelegten Höchstwert begrenzt werden.
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Es ist anzumerken, dass der Transistor 551 als eine Rückkopplungsvorrichtung für die Zwischenverstärkungsstufe 102 fungiert (d. h. sie koppelt die Spannung 205 am Ausgang der Zwischenverstärkungsstufe 102 in einen Eingang der Zwischenverstärkungsstufe 102 zurück).
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Der Spannungsregler 100 kann so konstruiert werden, dass unter bestimmten vorgegebenen Bedingungen ein Teil der Reglerschaltungen 210 dynamisch mit der Bezugsspannung 202 (anstelle der Ausgangsspannung 203) gekoppelt wird. Eine solche dynamische Umkopplung von Teilen der Reglerschaltungen 210 kann dafür verwendet werden, den Spannungsregler 100 bei sehr niedrigen Dropout-Spannungen am Durchlasstransistor 200 betreiben.
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Die Durchlassvorrichtung 200 und/oder die Ausgangsstufe 103 können von mehreren verschiedenen Typen sein (zum Beispiel NMOS, PMOS, BJT usw.). Darüber hinaus ist anzumerken, dass der im vorliegenden Dokument beschriebene Regler 100 nur ein Beispiel ist. Die im vorliegenden Dokument dargelegten Prinzipien sind auf mehrere verschiedene Reglerarchitekturen anwendbar.
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Daher wird ein Spannungsregler 100 (insbesondere ein Low Dropout (LDO)-Regler) beschrieben. Der Spannungsregler 100 umfasst eine Durchlassvorrichtung 200 (insbesondere einen Durchlasstransistor, zum Beispiel einen PMOS-Transistor), der (direkt) mit einem Eingangsknoten bei einer Eingangsspannung 201 gekoppelt ist. Insbesondere kann eine Source oder ein Drain der Durchlassvorrichtung 200 (direkt) mit dem Eingangsknoten gekoppelt werden. Andererseits kann der Drain oder die Source (d. h. der jeweilige andere Port) der Durchlassvorrichtung 200 mit dem Ausgangsknoten des Spannungsreglers 100 gekoppelt sein, wobei sich der Ausgangsknoten auf einer (geregelten) Ausgangsspannung 203 befindet. Der Spannungsregler 100 kann dafür konfiguriert sein, einen Laststrom an dem Ausgangsknoten bei der geregelten Ausgangsspannung 203 auf der Basis der (ungeregelten) Eingangsspannung 201 an dem Eingangsknoten bereitzustellen.
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Darüber hinaus umfasst der Spannungsregler 100 einen Reglerkreis 210, der dafür konfiguriert ist, die Durchlassvorrichtung 200 zu steuern, um die geregelte Ausgangsspannung 203 an dem Ausgangsknoten auf der Basis der Eingangsspannung 201 bereitzustellen. Für diesen Zweck kann der Reglerkreis 210 eine oder mehrere Verstärkungsstufen 101, 102, 103 umfassen. Insbesondere kann der Reglerkreis 210 eine Differenzialstufe 101 umfassen, die dafür konfiguriert ist, eine Spannung an einem Ausgang 543 der Differenzialstufe 101 auf der Basis einer von der Ausgangsspannung 203 abgeleiteten Rückkopplungsspannung 107 und auf der Basis einer Bezugsspannung 108 zu generieren. Die Rückkopplungsspannung 107 kann gleich der Ausgangsspannung 203 sein. Darüber hinaus kann der Reglerkreis 210 eine Zwischenverstärkungsstufe 102 umfassen, die dafür konfiguriert ist, eine Hilfssteuerspannung 205 an einem Ausgang der Zwischenverstärkungsstufe 102 auf der Basis der Spannung am Ausgang 543 der Differenzialstufe 101 bereitzustellen. Die Steuerspannung 204 zum Steuern der Durchlassvorrichtung 200 kann von der Hilfssteuerspannung 205 abhängig sein (zum Beispiel über eine Treiberstufe für die Durchlassvorrichtung 200).
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Komponenten des Reglerkreises 210 können zwischen dem Eingangsknoten und dem Ausgangsknoten angeordnet sein und betrieben werden. Insbesondere können die eine oder die mehreren Verstärkungsstufen 101, 102, 103 des Reglerkreises 210 (insbesondere die Differenzialstufe 101 und/oder die Zwischenverstärkungsstufe 102) zwischen dem Eingangsknoten und dem Ausgangsknoten angeordnet sein und betrieben werden. Das bedeutet, dass ein Ruhestrom 221 durch die Komponenten des Reglerkreises 210 von dem Eingangsknoten zu dem Ausgangsknoten fließen kann.
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Der Spannungsregler 100 kann dafür konfiguriert sein, es zu erlauben, dass eine Last 106 des Spannungsreglers 100 zwischen dem Ausgangsknoten und einem Bezugsknoten bei einer Bezugsspannung 202 (zum Beispiel Masse) angeordnet wird, wobei sich die Bezugsspannung 202 von der Ausgangsspannung 203 unterscheidet. In der Regel ist die Differenz zwischen der Eingangsspannung 201 und die Bezugsspannung 202 größer als die Differenz zwischen der Eingangsspannung 201 und der Ausgangsspannung 203.
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Insbesondere können die Komponenten des Reglerkreises 210 zwischen dem Eingangsknoten und dem Ausgangsknoten angeordnet sein und betrieben werden, dergestalt, dass der Ruhestrom 221 durch die Komponenten durch die Last 106 fließt, falls die Last 106 zwischen dem Ausgangsknoten und dem Bezugsknoten angeordnet ist.
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Daher wird - infolge des Anordnens der Komponenten des Reglerkreises 210 zwischen dem Eingangsknoten und dem Ausgangsknoten - der Ruhestrom 221 durch die Komponenten des Reglerkreises 210 in den Ausgangsknoten und in die Last 106 eingespeist, die mit dem Ausgangsknoten des Spannungsreglers 100 gekoppelt ist. Oder anders ausgedrückt: Infolge des Anordnens der Komponenten des Reglerkreises 210 zwischen dem Eingangsknoten und dem Ausgangsknoten trägt der Ruhestrom 221 zu dem Laststrom 222 bei, der in eine Last 106 des Spannungsreglers 100 eingespeist wird, wodurch die Leistungseffizienz des Spannungsreglers 100 erhöht wird, insbesondere bei relativ niedrigen Lastströmen 222.
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Der Spannungsregler 100 kann eine Hilfslast 250 umfassen, die (direkt) zwischen dem Ausgangsknoten und dem Bezugsknoten angeordnet ist. Die Hilfslast 250 kann dafür konfiguriert sein, den Ruhestrom 221 durch die Komponenten des Reglerkreises 210 zu senken, insbesondere dann, wenn der Laststrom 222 durch die Last 106 kleiner ist als der Ruhestrom 221. Der Spannungsregler 100 kann dafür konfiguriert sein, die Hilfslast 250 dergestalt zu betreiben, dass maximal oder exakt ein Deltastrom, der die Differenz zwischen dem Ruhestrom 221 durch die Komponenten des Reglerkreises 210 und dem Laststrom 222 durch die Last 106 ist, durch die Hilfslast 250 gesenkt wird. Daher kann eine Hilfslast 250 bereitgestellt werden, die dafür konfiguriert ist, den Teil des Ruhestroms 221 zu senken, der nicht durch die (primäre) Last 106 verwendet wird, wodurch ein zuverlässiger und stabiler Betrieb des Spannungsreglers 100 ermöglicht wird.
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Der Reglerkreis 210 kann dafür konfiguriert sein, eine Hilfssteuerspannung 205 (die zum Beispiel die Ausgangsspannung der Zwischenverstärkungsstufe 102 ist) zu generieren. Wie oben angedeutet, kann der Reglerkreis 210 dafür konfiguriert sein, die Steuerspannung 204 zum Steuern der Durchlassvorrichtung 200 auf der Basis der Hilfssteuerspannung 205 zu generieren. Darüber hinaus kann die Hilfslast 250 unter Verwendung der Hilfssteuerspannung 205 gesteuert werden. Die Hilfssteuerspannung 205 kann den Laststrom 222 anzeigen, der in die (primäre) Last 106 des Spannungsreglers 100 eingespeist werden soll. Die Hilfslast 250 kann erhöht werden (um einen erhöhten Anteil des Ruhestrom 221 an dem Ausgangsknoten aufzunehmen), wenn die Hilfssteuerspannung 205 einen relativ niedrigen Laststrom 222 anzeigt. Andererseits kann die Hilfslast 250 verringert werden (um einen reduzierten Teil des Ruhestroms 221 an dem Ausgangsknoten aufzunehmen), wenn die Hilfssteuerspannung 205 einen relativ hohen Laststrom 222 anzeigt. Infolge dessen kann der Spannungsregler 100 in einer stabilen und energieeffizienten Weise betrieben werden.
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Die Hilfslast 250 kann einen Steuertransistor 312 umfassen, der auf der Basis der Hilfssteuerspannung 205 gesteuert wird und der dafür konfiguriert ist, den Strom, der von dem Ausgangsknoten zu dem Bezugsknoten gesenkt wird, in Abhängigkeit von der Hilfssteuerspannung 205 einzustellen. Der Steuertransistor 312 kann ein NMOS (Metalloxid-Halbleiter vom n-Typ)-Transistor sein oder umfassen. Das Gate des Steuertransistors 312 kann (direkt) mit der Hilfssteuerspannung 205 gekoppelt sein. Durch die Verwendung eines Steuertransistors 312 kann die Hilfslast 250 (und der Hilfslaststrom) in einer präzisen und effizienten Weise eingestellt werden.
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Die Hilfslast 250 kann eine Stromquelle 311 umfassen, die dafür konfiguriert ist, einen Hilfsstrom von dem Eingangsknoten zu ziehen. Der Steuertransistor 312 kann dafür konfiguriert sein, die Stromquelle 311 mit bzw. von dem Ausgangsknoten zu koppeln bzw. zu entkoppeln.
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Darüber hinaus kann die Hilfslast 250 einen Stromspiegel 314, 315 umfassen, wobei der Stromspiegels 314, 315 einen ersten Zweig 315 (mit einem ersten Transistor, zum Beispiel einem NMOS-Transistor) und einen zweiten Zweig 314 (mit einem zweiten Transistor, zum Beispiel einem NMOS-Transistor) umfasst. Der Stromspiegel 314, 315 kann eine solche Verstärkung aufweisen, dass ein Strom durch den zweiten Zweig 314 einem Strom durch den ersten Zweig 315, multipliziert mit der Verstärkung, entspricht. Der Stromspiegel 314, 315 kann dafür verwendet werden, den Pegel des Hilfslaststroms durch die Hilfslast 250 einzustellen. Für diesen Zweck entspricht der Hilfsstrom (der durch die Stromquelle 311 bereitgestellt wird), mit der Verstärkung multipliziert, bevorzugt dem, oder ist bevorzugt gleich dem, Ruhestrom 221 durch die Komponenten des Reglerkreises 210.
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Außerdem kann die Hilfslast 250 einen Transittransistor 313 umfassen, der dafür konfiguriert ist, die Stromquelle 311 mit dem bzw. von dem ersten Zweig 315 des Stromspiegels 314, 315 zu koppeln bzw. zu entkoppeln. Der Transittransistor 313 kann ein PMOS (MOS vom p-Typ)-Transistor sein. Das Gate des Transittransistors 313 kann mit dem Ausgangsknoten gekoppelt sein.
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Insbesondere kann der erste Zweig 315 des Stromspiegels 314, 315 (direkt) zwischen dem Transittransistor 313 und dem Bezugsknoten gekoppelt sein. Andererseits kann der zweite Zweig 314 des Stromspiegels 314, 315 (direkt) zwischen dem Ausgangsknoten und dem Bezugsknoten gekoppelt sein. Daher kann der Transittransistor 313 dafür verwendet werden, den Hilfslaststrom durch die Hilfslast 250 (d. h. zwischen dem Ausgangsknoten und dem Bezugsknoten) kontinuierlich zwischen null (wenn der Transittransistor 313 vollständig offen ist) und dem Hilfsstrom, multipliziert mit der Verstärkung (wenn der Transittransistor 313 vollständig geschlossen ist), zu variieren.
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Der Steuertransistor 312 und der Transittransistor 313 können dergestalt konstruiert und/oder ausgelegt sein, dass der Hilfsstrom (vollständig) in den Ausgangsknoten eingespeist wird, wenn der Steuertransistor 312 geschlossen ist, und dergestalt, dass der Hilfsstrom (vollständig) in den ersten Zweig 315 des Stromspiegels 314, 315 eingespeist wird, wenn der Steuertransistor 312 offen ist. Dadurch kann der Hilfslaststrom durch die Hilfslast 250 in einer präzisen und gleichmäßigen Weise eingestellt werden.
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Wie oben angedeutet, kann der Reglerkreis 210 eine Differenzialstufe 101 umfassen, die dafür konfiguriert ist, eine Spannung am Ausgang 543 der Differenzialstufe 101 auf der Basis der Rückkopplungsspannung 107 und auf der Basis einer Bezugsspannung 108 zu generieren. Die Steuerspannung 204 zum Steuern der Durchlassvorrichtung 200 kann von der Spannung am Ausgang 543 der Differenzialstufe 101 abhängig sein.
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Der Spannungsregler 100 kann einen ersten Verstärkungsbegrenzungskreis 510 umfassen, der dafür konfiguriert ist, die Verstärkung der Differenzialstufe 101 zu begrenzen. Für diesen Zweck kann der erste Verstärkungsbegrenzungskreis 510 einen Rückkopplungstransistor 513 umfassen, der auf der Basis der Steuerspannung 204 gesteuert wird und der mit einem internen Knoten 511 der Differenzialstufe 101 gekoppelt ist. Durch Begrenzen der Verstärkung der Differenzialstufe 101 kann die Stabilität des Spannungsreglers 100 bei relativ niedrigen Lasten 106 oder Lastströmen 222 erhöht werden.
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Alternativ oder zusätzlich kann der Spannungsregler 100 einen Strombegrenzungskreis 540 umfassen, der dafür konfiguriert ist, den Ausgangsstrom 223 zu begrenzen, der durch den Spannungsregler 100 an dem Ausgangsknoten bereitgestellt wird. Oder anders ausgedrückt: Der Spannungsregler 100 kann einen Überlastschutz umfassen. Der Strombegrenzungskreis 540 kann ein Abfühlmittel 541 (zum Beispiel einen Abfühlwiderstand) umfassen, das dafür konfiguriert ist, den Ausgangsstrom 223 abzufühlen. Darüber hinaus kann der Strombegrenzungskreis 540 einen Strombegrenzungstransistor 542 umfassen, der dafür konfiguriert ist, den Pegel der Spannung am Ausgang 543 der Differenzialstufe 101 auf der Basis des abgefühlten Ausgangsstroms einzustellen (insbesondere zu arretieren), wodurch den Ausgangsstrom 223 auf einen vorgegebenen Maximalpegel begrenzt wird. Infolge dessen werden Zuverlässigkeit und Stabilität des Spannungsreglers 100 erhöht.
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Wie oben angedeutet, kann der Reglerkreis 210 eine Zwischenverstärkungsstufe 102 umfassen, die dafür konfiguriert ist, eine Hilfssteuerspannung 205 an einem Ausgang der Zwischenverstärkungsstufe 102 auf der Basis der Spannung am Ausgang 543 der Differenzialstufe 101 bereitzustellen. Die Steuerspannung 204 zum Steuern der Durchlassvorrichtung 200 hängt in der Regel von der Hilfssteuerspannung 205 ab.
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Der Spannungsregler 100 kann einen zweiten Verstärkungsbegrenzungskreis 520 umfassen, der dafür konfiguriert ist, die Verstärkung der Zwischenverstärkungsstufe 102 zu begrenzen (um die Stabilität des Spannungsreglers 100 zu erhöhen, insbesondere bei relativ niedrigen Lastströmen 222). Der zweite Verstärkungsbegrenzungskreis 520 kann eine Reihenanordnung aus einem Widerstand 522 und einer Diode 521 umfassen, die zwischen der Hilfssteuerspannung 205 und der Ausgangsknoten angeordnet ist. Alternativ oder zusätzlich kann der zweite Verstärkungsbegrenzungskreis 520 eine Reihenanordnung aus einem Widerstand 522 und einer Diode 521 umfassen, die zwischen der Steuerspannung 204 und dem Eingangsknoten angeordnet ist.
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Die Zwischenverstärkungsstufe 102 kann eine Reihenanordnung aus einem Zwischensteuertransistor 551 und einem Widerstand umfassen, die zwischen dem Eingangsknoten und dem Ausgangsknoten angeordnet ist. Der Zwischensteuertransistor 551 kann auf der Basis der Spannung am Ausgang 543 der Differenzialstufe 101 gesteuert werden.
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Der Spannungsregler 100 kann einen Vorspannungskreis 530 umfassen, der dafür konfiguriert ist, eine Spannung am Mittelpunkt 531 zwischen dem Steuertransistor 551 und dem Widerstand vorzuspannen. Dadurch kann das Einschwingverhalten des Spannungsreglers 100 erhöht werden, wenn die Spannung am Mittelpunkt 531 nahe der Eingangsspannung liegt.
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Der Vorspannungskreis 530 kann eine Stromquelle 532 umfassen, die dafür konfiguriert ist, einen Strom durch einen Transistor 533 zu ziehen, der auf der Basis der Spannung am Mittelpunkt 531 zwischen dem Steuertransistor 551 und dem Widerstand gesteuert wird. Die Steuerspannung 204 zum Steuern der Durchlassvorrichtung 200 kann von dem Strom durch den Transistor 533 abhängig sein.
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Der Spannungsregler 100 kann dafür konfiguriert sein abzufühlen, dass der Spannungsabfall an der Durchlassvorrichtung 200 bei oder unter einer Spannungsschwelle liegt. In Reaktion darauf können die Komponenten des Reglerkreises 210 mindestens teilweise neu angeordnet werden, um zwischen dem Eingangsknoten und dem Bezugsknoten angeordnet und betrieben zu werden, dergestalt, dass ein Spannungsabfall an den neu angeordneten Komponenten erhöht wird. Infolge dessen kann ein stabiler Betrieb des Spannungsreglers 100 erreicht werden, selbst für relativ niedrige Dropout-Spannungen an der Durchlassvorrichtung 200.
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6 zeigt ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 600 zum Bereitstellen einer geregelten Ausgangsspannung 203 an einem Ausgangsknoten eines Spannungsreglers 100 auf der Basis einer Eingangsspannung 201 an einem Eingangsknoten des Spannungsreglers 100. Der Spannungsregler umfasst eine Durchlassvorrichtung 200 und einen Reglerkreis 210. Komponenten des Reglerkreises 210 sind zwischen dem Eingangsknoten und dem Ausgangsknoten angeordnet und werden dazwischen betrieben. Der Spannungsregler 100 ist dafür konfiguriert, es zu erlauben, dass eine Last 106 des Spannungsreglers 100 zwischen dem Ausgangsknoten und einem Bezugsknoten bei einer Bezugsspannung 202 angeordnet wird, die sich von der Ausgangsspannung 203 unterscheidet. Das Verfahren 600 umfasst, die Durchlassvorrichtung 200 zu veranlassen 601, die geregelte Ausgangsspannung 203 an dem Ausgangsknoten auf der Basis der Eingangsspannung 201 bereitzustellen.
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Es ist anzumerken, dass die Beschreibung und die Zeichnungen lediglich die Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme veranschaulichten. Der Fachmann ist in der Lage, verschiedene Anordnungen zu implementieren, die, obgleich im vorliegenden Text nicht ausdrücklich beschrieben oder gezeigt, die Prinzipien der Erfindung verkörpern und innerhalb ihres Wesens und Schutzumfangs enthalten sind. Darüber hinaus sollen alle im vorliegenden Dokument dargelegten Beispiele und Ausführungsformen prinzipiell ausdrücklich nur erläuternden Zwecken dienen, um dem Leser beim Verstehen der Prinzipien der vorgeschlagenen Verfahren und Systeme zu helfen. Darüber hinaus sollen alle Aussagen im vorliegenden Text, die Prinzipien, Aspekte und Ausführungsformen der Erfindung darlegen, sowie konkrete Beispiele davon, auch deren Äquivalente umfassen.
