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PRIORITÄTSANSPRUCH
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Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der chinesischen Patentanmeldung mit der Seriennummer 201910870625.6, die am 16. September 2019 eingereicht wurde.
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TECHNISCHES GEBIET
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Die hierin beschriebenen Ausführungsformen beziehen sich im Allgemeinen auf Spannungswandler und insbesondere auf Spannungswandler mit Hysterese-Steuerung. Noch genauer beziehen sich verschiedene Ausführungsformen auf Spannungswandler mit Hysterese-Steuerung für Umgehungsmodusübergänge.
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STAND DER TECHNIK
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Spannungswandler, wie Schaltnetzteile, werden vielfach in einer Vielzahl von elektronischen Geräten verwendet, einschließlich Computern und anderen empfindlichen Geräten, die eine stabile und effiziente Stromversorgung erfordern. Ein Schaltnetzteil (SMPS) schließt eine Schaltvorrichtung (z. B. einen MOSFET) ein, die bei hohen Frequenzen ein- und ausgeschaltet wird, um Leistung umzuwandeln. Das SMPS schließt ferner eine oder mehrere Speicherkomponenten (z. B. Induktoren und/oder Kondensatoren) ein, um Strom (z. B. an eine Last) zu liefern, wenn sich die Schaltvorrichtung in einem nicht leitenden Zustand befindet.
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Das Dokument
US 2010/0026263 A1 offenbart eine integrierte Steuerschaltung zur Steuerung des Betriebs eines Spannungswandlers.
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Figurenliste
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Während diese Offenbarung mit Ansprüchen endet, die bestimmte Ausführungsformen besonders hervorheben und deutlich beanspruchen, können verschiedene Merkmale und Vorteile von Ausführungsformen innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung leichter aus der folgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ermittelt werden, in denen:
- 1A ein Diagramm zeigt, das eine Wellenform einschließt, die einen Spannungswandler-Versorgungsstrom über eine Versorgungsspannung anzeigt;
- 1B ein Diagramm zeigt, das eine Wellenform einschließt, die eine Effizienz eines Spannungswandlers über eine Versorgungsspannung angibt;
- 2 ein Blockdiagramm eines Spannungswandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung ist;
- 3 ein vereinfachtes Blockdiagramm eines Spannungswandlers gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung ist;
- 4 eine Steuereinheit gemäß verschiedenen Ausführungsform der Offenbarung veranschaulicht;
- 5 ein Blockdiagramm eines Leistungsmoduls ist, das einen Spannungswandler einschließt, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung;
- 6 ein Diagramm zeigt, das eine Wellenform einschließt, die einen Spannungswandler-Versorgungsstrom über eine Versorgungsspannung angibt, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung;
- 7A ein Diagramm zeigt, das verschiedene Parameter eines Spannungswandlers darstellt, der in einen Umgehungsmodus übergeht, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung;
- 7B ein Diagramm zeigt, das verschiedene Parameter eines Spannungswandlers darstellt, der aus einem Umgehungsmodus übergeht, gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung; und
- 8 ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens zum Betreiben eines Spannungswandlers gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung ist.
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ART(EN) DER AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Verschiedene hierin offenbarte Ausführungsformen beziehen sich auf Steuereinheiten und Spannungswandler, die Steuereinheiten einschließen. In mindestens einigen Ausführungsformen kann eine Steuereinheit konfiguriert sein, um eine Effizienz eines Spannungswandlers während eines Umgehungsübergangs zu erhöhen, wie einen Übergang von einem Betriebsmodus (z. B. Pulsfrequenzmodulations-Modus (PFM-Modus)) in einen Umgehungsmodus oder einen Übergang von einem Umgehungsmodus in einen anderen Betriebsmodus (z. B. einen PFM-Modus). Insbesondere beziehen sich verschiedene Ausführungsformen auf den Betrieb eines Spannungswandlers in einem Hysterese-Steuermodus, während der Spannungswandler von einem PFM-Modus in einen Umgehungsmodus übergeht. Anders ausgedrückt: verschiedene Ausführungsformen beziehen sich auf einen Spannungswandler, der konfiguriert ist, um von einem PFM-Modus in einen Umgehungsmodus durch einen Hysterese-Steuermodus oder von einem Umgehungsmodus in den PFM-Modus durch den Hysterese-Steuermodus überzugehen.
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Verschiedene Ausführungsformen beziehen sich weiterhin auf Spannungswandler, die jeweils eine Steuereinheit einschließen, die zum Betrieb in einem Hysterese-Steuermodus konfiguriert ist. Eine Steuereinheit kann konfiguriert sein, um ein PWM-Signal, ein Tastgradsignal, mindestens eine Referenzspannung, einen Faktor einer Ausgangsspannung des Spannungswandlers und einen Faktor einer Eingangsspannung des Spannungswandlers zu empfangen. Die Steuereinheit kann auch konfiguriert sein, um die mindestens eine Referenzspannung mit dem Faktor der Ausgangsspannung und dem Faktor der Eingangsspannung zu vergleichen. Ferner kann die Steuereinheit konfiguriert sein, um ein erstes Steuersignal zu erzeugen, das das PWM-Signal als Reaktion von mindestens einem spiegelt von: dem Faktor der Eingangsspannung, der größer als die mindestens eine Referenzspannung ist und dem Faktor der Ausgangsspannung, der größer als die mindestens eine Referenzspannung ist. Die Steuereinheit kann auch konfiguriert sein, um als Reaktion darauf, dass der Faktor der Eingangsspannung kleiner oder gleich der mindestens einen Referenzspannung ist, ein zweites, unterschiedliches Steuersignal zu erzeugen, das ein niedriges logisches Signal einschließt.
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In der folgenden detaillierten Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die einen Teil hiervon bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Beispiele für Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die vorliegende Offenbarung ausgeführt werden kann. Diese Ausführungsformen werden ausreichend detailliert beschrieben, um es einem Durchschnittsfachmann zu ermöglichen, die vorliegende Offenbarung auszuführen. Es können jedoch auch andere Ausführungsformen verwendet werden und Änderungen der Struktur, des Materials und des Prozesses können vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Offenbarung abzuweichen.
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Die hierin dargestellten Veranschaulichungen sollen keine tatsächlichen Ansichten eines bestimmten Verfahrens oder Systems oder einer bestimmten Vorrichtung oder Struktur sein, sondern sind lediglich idealisierte Darstellungen, die zur Beschreibung der Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung verwendet werden. Die hierin dargestellten Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Ähnliche Strukturen oder Komponenten in den verschiedenen Zeichnungen können zur Vereinfachung für den Leser die gleiche oder eine ähnliche Nummerierung beibehalten; die Ähnlichkeit in der Nummerierung bedeutet jedoch nicht, dass die Strukturen oder Komponenten notwendigerweise in Größe, Zusammensetzung, Konfiguration oder einer anderen Eigenschaft identisch sind.
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Die folgende Beschreibung kann Beispiele einschließen, um es einem Durchschnittsfachmann zu ermöglichen, die offenbarten Ausführungsformen auszuführen. Die Verwendung der Begriffe „beispielhaft“, „als Beispiel“, „zum Beispiel“ bedeutet, dass die zugehörige Beschreibung erläuternd ist, und während der Schutzumfang der Offenbarung die Beispiele und ihre rechtlichen Entsprechungen umschließen soll, ist die Verwendung solcher Begriffe nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang einer Ausführungsform oder dieser Offenbarung auf die spezifizierten Komponenten, Schritte, Merkmale, Funktionen oder dergleichen zu beschränken.
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Es versteht sich von selbst, dass die Komponenten der Ausführungsformen, wie sie hierin allgemein beschrieben und in der Zeichnung veranschaulicht sind, in einer Vielzahl unterschiedlicher Konfigurationen angeordnet und gestaltet werden können. Somit soll die folgende Beschreibung verschiedener Ausführungsformen den Umfang der vorliegenden Offenbarung nicht einschränken, sondern lediglich repräsentativ für verschiedene Ausführungsformen sein. Während die verschiedenen Gesichtspunkte der Ausführungsformen in Zeichnungen dargestellt werden können, sind die Zeichnungen nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet, sofern nicht ausdrücklich angegeben.
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Darüber hinaus sind die gezeigten und beschriebenen spezifischen Implementierungen nur Beispiele und sollten nicht als der einzige Weg zur Implementierung der vorliegenden Offenbarung ausgelegt werden, sofern hierin nicht anders angegeben. Elemente, Schaltungen und Funktionen können in Blockdiagrammform gezeigt werden, um die vorliegende Offenbarung nicht durch unnötige Einzelheiten undeutlich werden zu lassen. Umgekehrt sind gezeigte und beschriebene spezifische Implementierungen nur beispielhaft und sollten nicht als die einzige Möglichkeit zur Implementierung der vorliegenden Offenbarung ausgelegt werden, sofern hierin nicht anders angegeben. Außerdem sind Blockdefinitionen und die Aufteilung von Logik zwischen verschiedenen Blöcken beispielhaft für eine spezifische Implementierung. Es ist für Fachleute ohne weiteres ersichtlich, dass die vorliegende Offenbarung durch zahlreiche andere Partitionierungslösungen ausgeführt werden kann. Details bezüglich Zeitüberlegungen und dergleichen wurden größtenteils weggelassen, wenn solche Details nicht notwendig sind, um ein vollständiges Verständnis der vorliegenden Offenbarung zu erhalten und diese innerhalb der Fähigkeiten von Durchschnittsfachleuten in dem relevanten Fachgebiet liegen.
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Durchschnittsfachleute werden verstehen, dass Informationen und Signale unter Verwendung einer Vielzahl verschiedener Technologien und Techniken dargestellt werden können. Zum Beispiel können Daten, Anweisungen, Befehle, Informationen, Signale, Bits und Symbole, auf die in dieser Beschreibung Bezug genommen werden kann, durch Spannungen, Ströme, elektromagnetische Wellen, Magnetfelder oder -partikel, optische Felder oder Partikel oder eine beliebige Kombination davon dargestellt werden. Einige Zeichnungen können Signale zur Übersichtlichkeit der Darstellung und Beschreibung als ein einzelnes Signal veranschaulichen. Es ist für einen Durchschnittsfachmann ersichtlich, dass das Signal einen Bus von Signalen darstellen kann, wobei der Bus eine Vielfalt von Bitbreiten aufweisen kann und die vorliegende Offenbarung anhand einer beliebigen Anzahl von Datensignalen, einschließlich eines einzelnen Datensignals, implementiert werden kann.
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Die verschiedenen veranschaulichenden logischen Blöcke, Module und Schaltungen, die in Verbindung mit den hierin offenbarten Ausführungsformen beschrieben werden, können mit einem Universalprozessor, einem Spezialprozessor, einem digitalen Signalprozessor (DSP), einer integrierten Schaltung (IC), einer anwendungsspezifischen integrierten Schaltung (ASIC), einer anwenderprogrammierbaren Gatteranordnung (FPGA) oder einer anderen programmierbaren Logikvorrichtung, einer diskreten Gate- oder Transistorlogik, diskreten Hardwarekomponenten oder einer beliebigen Kombination davon, die zum Durchführen der hierin beschriebenen Funktionen ausgelegt sind, implementiert oder durchgeführt werden. Ein Allzweckprozessor (der hierin auch als Host-Prozessor oder einfach als Host bezeichnet werden kann) kann ein Mikroprozessor sein, alternativ kann der Prozessor jedoch ein beliebiger herkömmlicher Prozessor, Controller, Mikrocontroller oder Zustandsautomat sein. Ein Prozessor kann auch als eine Kombination von Rechenvorrichtungen, wie etwa eine Kombination aus einem DSP und einem Mikroprozessor, eine Vielzahl von Mikroprozessoren, ein oder mehrere Mikroprozessoren in Verbindung mit einem DSP-Kern oder irgendeine andere derartige Konfiguration implementiert sein. Ein Universalcomputer einschließlich eines Prozessors wird als Spezialcomputer angesehen, während der Universalcomputer so konfiguriert ist, dass er Rechenanweisungen (z. B. einen Softwarecode) ausführt, die sich auf Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beziehen.
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Die Ausführungsformen können in Bezug auf einen Prozess beschrieben werden, der als ein Flussdiagramm, ein Fließschema, ein Strukturdiagramm oder ein Blockdiagramm dargestellt ist. Obwohl ein Flussdiagramm Betriebsvorgänge als einen sequentiellen Prozess beschreiben kann, können viele dieser Vorgänge in einer anderen Reihenfolge, parallel oder im Wesentlichen gleichzeitig durchgeführt werden. Außerdem kann die Reihenfolge der Vorgänge neu geordnet werden. Ein Prozess kann ohne Einschränkung einem Verfahren, einem Thread, einer Funktion, einer Prozedur, einer Unterroutine oder einem Unterprogramm entsprechen. Des Weiteren können die hierin offenbarten Verfahren in Hardware, Software oder beidem implementiert werden. Bei Implementierung in Software können die Funktionen als eine oder mehrere Anweisungen oder ein Code auf computerlesbaren Medien gespeichert oder übertragen werden. Computerlesbare Medien schließen sowohl Computerspeichermedien als auch Kommunikationsmedien, einschließlich aller Medien, die die Übertragung eines Computerprogramms von einem Ort zu einem anderen erleichtern, ein.
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Jede Bezugnahme auf ein Element hierin unter Verwendung einer Bezeichnung, wie „erste/r/s“, „zweite/r/s“ usw. schränkt die Menge oder Reihenfolge dieser Elemente nicht ein, es sei denn, eine solche Einschränkung wird ausdrücklich angegeben. Vielmehr können diese Bezeichnungen hierin als ein zweckmäßiges Verfahren zum Unterscheiden zwischen zwei oder mehr Elementen oder Instanzen eines Elements verwendet werden. Ein Verweis auf erste und zweite Elemente bedeutet also nicht, dass dort nur zwei Elemente eingesetzt werden dürfen oder dass das erste Element dem zweiten Element in irgendeiner Weise vorhergehen muss. Darüber hinaus kann ein Satz von Elementen, sofern nicht anders angegeben, ein oder mehrere Elemente umfassen.
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Wie hierin verwendet, bedeutet der Begriff „im Wesentlichen“ in Bezug auf einen gegebenen Parameter, eine Eigenschaft oder eine Bedingung und schließt in einem für Fachleute verständlichen Ausmaß ein, dass der gegebene Parameter, die gegebene Eigenschaft oder die gegebene Bedingung innerhalb eines kleinen Grades an Varianz erfüllt ist, wie beispielsweise innerhalb akzeptabler Fertigungstoleranzen. Beispielhaft kann in Abhängigkeit von dem bestimmten Parameter, der Eigenschaft oder der Bedingung, der bzw. die im Wesentlichen erfüllt ist, der Parameter, die Eigenschaft oder die Bedingung zu mindestens 90 % erfüllt, zu mindestens 95 % erfüllt oder sogar zu mindestens 99 % erfüllt sein.
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Wie für einen Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, kann ein Spannungswandler (z. B. ein Abwärtswandler) unter Hochlastbedingungen unter Verwendung von Pulsweitenmodulation (PWM) in einem kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM) arbeiten. Ferner kann ein Spannungswandler unter Schwachlastbedingungen in einem diskontinuierlichen Leitungsmodus (DCM) arbeiten. Die Effizienz bei Schwachlastbedingungen in Spannungswandlern (z. B. Schaltnetzteile (SMPS)) wird im Allgemeinen durch eine SMPS-Steuerung verbessert, die anstelle des standardmäßigeren Pulsweitenmodulations-Modus (PWM-Modus) einen Pulsfrequenzmodulations-Modus (PFM-Modus) verwendet. PWM kann eine verbesserte Ausgangsspannungsregelung bereitstellen, PFM kann jedoch eine höhere Effizienz bei Schwachstrombelastungen bereitstellen. Leider ist eine Nebenwirkung von PFM eine größere Ausgangswelligkeitsspannung, die Spannungsausgangsgenauigkeit reduzieren kann. Wenn eine Leistungsumwandlung nicht notwendig und/oder gewünscht ist, kann ein Spannungswandler in einem Umgehungsmodus arbeiten, wobei eine Eingangsleistung direkt mit einem Ausgang des Spannungswandlers gekoppelt ist.
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Es versteht sich, dass in einigen Spannungswandlern, wenn sie sich einem Umgehungsmodus nähern (z. B. von einem PFM-Modus), eine Spannungsrampe (z. B. Vramp) durch einen Impuls, der mit einem Oszillator synchronisiert ist, geklemmt werden kann, und bei einer solchen synchronisierten Modulation kann die Schaltaktivität einen Ruhestrom (IQ) des Spannungswandlers erhöhen und die Schwachlast-Effizienzleistung reduzieren. Ferner kann bei einigen herkömmlichen Spannungswandlern, um eine konstante Ausgangsspannung zu erzeugen, die Schaltaktivität unerwünscht erhöht werden, während sie sich dem Umgehungsmodus nähert (z. B. von einem PFM-Modus) und/oder nach dem Übergang aus dem Umgehungsmodus (z. B. in den PFM-Modus).
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Wie hierin ausführlicher beschrieben, kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung ein Hysterese-Steuermodus (HCM) verwendet werden, um eine Betriebszeit eines Spannungswandlers zu verlängern, während der Spannungswandler in einen Umgehungsmodus übergeht und/oder nachdem der Spannungswandler aus dem Umgehungsmodus übergeht. Insbesondere kann gemäß verschiedenen Ausführungsformen, wenn der Spannungswandler in dem PFM-Modus arbeitet, als Reaktion auf einen Auslöser (z. B. eine Versorgungsspannung eines Spannungswandlers, die auf einen Wert kleiner oder gleich einer Schwellenspannung sinkt) ein HCM aktiviert werden (d. h. der Spannungswandler kann von dem PFM-Modus in einen HCM übergehen). In dem HCM wird ein statisches Signal (z. B. ein statisch niedriges oder statisch hohes Signal) an den Impulsgenerator übermittelt, um ein Schalten des High-Side-Transistors zu verhindern, anstatt ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM-Signal) (d. h. wie es auftreten würde, wenn der Spannungswandler in dem PFM-Modus arbeitet). Ferner kann gemäß einigen Ausführungsformen nach dem Übergang in den HCM und als Reaktion auf einen anderen Auslöser (z. B. wenn eine Ausgangsspannung des Spannungswandlers auf einen Wert ansteigt, die gleich oder größer als eine andere Schwellenspannung ist) der HCM deaktiviert werden (d. h. der Spannungswandler kann von dem HCM in den PFM-Modus übergehen). Wie vorstehend erwähnt, wird in dem HCM ein statisches Signal (d. h. ein statisch niedriges oder statisch hohes Signal) an den Impulsgenerator übermittelt, um ein Schalten des High-Side-Transistors zu verhindern, anstatt ein PWM-Signal.
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Somit übermittelt der HCM im Gegensatz zu herkömmlichen Spannungswandlern, die eine erhöhte Schaltaktivität aufweisen können, während sie sich einem Umgehungsmodus nähern, ein statisches Signal an einen Impulsgenerator, und somit wird eine „Betriebszeit“ verlängert und unerwünschtes Schalten eines High-Side-Transistors verhindert (d. h. während sich der Spannungswandler dem Umgehungsmodus nähert). Ferner übermittelt der HCM im Gegensatz zu herkömmlichen Spannungswandlern, die eine erhöhte Schaltaktivität nach dem Übergang aus dem Umgehungsmodus aufweisen können, ein statisches Signal an einen Impulsgenerator, und somit wird eine „Betriebszeit“ verlängert und unerwünschtes Schalten eines High-Side-Transistors verhindert.
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Zum Beispiel zeigt 1A ein Diagramm 100, das eine Wellenform 101 einschließt, die einen Versorgungsstrom über eine Versorgungsspannung (hierin auch als „Eingangsspannung“ bezeichnet) für einen herkömmlichen Spannungswandler angibt. Ferner zeigt 1B ein Diagramm 110, das eine Wellenform 111 einschließt, die eine Effizienz des herkömmlichen Spannungswandlers über die Versorgungsspannung angibt. Bei einer Versorgungsspannung um etwa 3,3 Volt (d. h. wenn die gewünschte Ausgangsspannung etwa gleich der Versorgungsspannung ist) steigt der Versorgungsstrom an (siehe Bezugszeichen 102 in 1A) und somit sinkt die Effizienz des Spannungswandlers (siehe Bezugszeichen 112 in 1B).
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Wie vorstehend erwähnt, können verschiedene hierin offenbarte Ausführungsformen eine Effizienz eines Spannungswandlers durch Reduzieren des Stromverbrauchs erhöhen. Insbesondere können verschiedene Ausführungsformen eine Effizienz eines Spannungswandlers während eines Umgehungsübergangs erhöhen, wie einen Übergang von einem Betriebsmodus (z. B. einem Pulsfrequenzmodulationsmodus (PFM-Modus)) in einen Umgehungsmodus oder einen Übergang von einem Umgehungsmodus in einen anderen Betriebsmodus (z. B. einen PFM-Modus).
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2 ist ein Blockdiagramm, das einen Spannungswandler 200 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung veranschaulicht. Der Spannungswandler 200, der hierin auch als „Schaltnetzteil“ (SMPS) bezeichnet werden kann, schließt einen Leistungstreiber mit adaptiver Leistungssteuerung 202, einen Leistungsinduktor 206, einen Lastfilterkondensator 208 und eine Spannungsversorgung 210 zur Bereitstellung einer Eingangsspannung VIN ein. Der Spannungswandler 200 ist konfiguriert, um eine Ausgangsspannung VOUT zu erzeugen.
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Der Leistungstreiber mit adaptiver Leistungssteuerung 202 schließt einen Impulsgenerator 212, einen Betriebsgenerator 214, einen Oszillator 216, eine Flankenkompensations- und periodische Klemmschaltung 218, einen Spannungskomparator 220 (z. B. mit Hysterese), einen Transkonduktanz-Operationsverstärker 222 und einen Spannungsreferenzgenerator (z. B. einen Digital-Analog-Wandler (DAC) 224 (z. B., um eine Referenzspannung VREF zu erzeugen) ein. Der Leistungstreiber mit adaptiver Leistungssteuerung 202 schließt ferner eine Totzeitsteuerschaltung 226, einen Nullstromdetektor 228, einen High-Side-Transistortreiber 230, einen Low-Side-Transistortreiber 232, einen High-Side-Leistungstransistor 234, einen Low-Side-Leistungstransistor 236, einen High-Side-Stromsensor 238 (z. B. zum Erfassen eines High-Side-Stroms) und einen Low-Side-Stromsensor 240 (z. B. zum Erfassen eines Low-Side-Stroms) ein. Zum Beispiel können die Leistungstransistoren 234 und 236 Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), P-Kanal bzw. N-Kanal einschließen. Ein High-Side-Stromwert ISEN_hs kann den Flankenkompensations- und periodischen Klemmschaltungen 218 zugeführt werden, und ein Low-Side-Stromwert ISEN_ls kann dem Nullstromdetektor 228 zugeführt werden.
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Die Totzeitsteuerschaltung 226 ist konfiguriert, um einen Stromdurchschlag in den Leistungstransistoren 234 und 236 zu verhindern, und der Nullstromdetektor 228 ist konfiguriert, um zu bestimmen, wann im Wesentlichen kein Strom durch den Leistungsinduktor 206 fließt (d. h. durch Überwachen eines Signals (z. B. Low-Side-Stromwert ISEN ls) von dem Low-Side-Stromsensor 240).
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Der Impulsgenerator 212 schließt ein Flip-Flop 250 und NAND-Gatter 252 und 254 ein. Der Betriebsgenerator 214 umfasst einen Zeitgeber 242, der konfiguriert ist, um die Eingangsspannung VIN, die Referenzspannung VREF und ein Nullstromsignal (ZC-Signal) von dem Nullstromdetektor 228 zu empfangen.
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Wie nachstehend ausführlicher beschrieben, schließt der Spannungswandler 200 eine Regelschleife zum Übergang in einen und aus einem Umgehungsmodus ein (d. h., wobei der Transistor 234 kontinuierlich EINGESCHALTET ist und ein Tastgrad von 100 % erreicht wird). Insbesondere ist zum Beispiel der Betriebsgenerator 214 konfiguriert, um die Eingangsspannung VIN und die Referenzspannung VREF zu empfangen. Ferner kann in einigen Ausführungsformen der Zeitgeber 242 eine Zielausgangsspannung basierend auf der Referenzspannung VREF bestimmen. In anderen Ausführungsformen kann die Zielausgangsspannung dem Zeitgeber 242 bereitgestellt werden. Wie für einen Durchschnittsfachmann ersichtlich ist, kann der Zeitgeber 242 basierend auf der Eingangsspannung VIN und der Zielausgangsspannung ein Steuersignal TON erzeugen, das mit dem Oszillator 216 synchronisiert ist. Das Steuersignal TON kann eine „Betriebszeit“ einschließen, die basierend auf einem Betriebszustand des Spannungswandlers 200 (d. h. der Eingangsspannung VIN und der Zielausgangsspannung) bestimmt wird. Insbesondere kann, wie ersichtlich, das Steuersignal TON basierend auf einem Strom durch den Induktor 206 aktiviert werden. Ferner kann der Betriebsgenerator 214 und insbesondere der Zeitgeber 242 eine erforderliche Pulsbreite des Steuersignals TON abhängig von dem Verhältnis der Zielausgangsspannung (d. h. bestimmt über die Referenzspannung VREF) zu der Eingangsspannung VIN schätzen. In einer Ausführungsform (nicht gezeigt) kann die momentane Ausgangsspannung VOUT zur Eingangsspannung VIN durch den Betriebsgenerator 214 überwacht werden, und die Schätzung des erforderlichen Impulses mit dem Steuersignal TON kann darauf reagieren. Der Umgehungsmodus wird durch den Betriebsgenerator 214 aktiviert, wobei ein festes Steuersignal TON hoch ist, und wird durch den Betriebsgenerator 214 deaktiviert, wenn das Steuersignal TON wieder zu variieren beginnt, um zu versuchen, den High-Side-Transistor 234 abzuschalten.
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Das Flip-Flop 250 ist konfiguriert, um eine Versorgungsspannung VDD an einem D-Eingang davon, ein Steuersignal TON an einem Takteingang davon und eine Ausgabe des NAND-Gatters 252 an einem Rücksetzeingang zu empfangen und ein Tastgradsignal Qduty zum Steuern des Tastgrads des Spannungswandlers 200 zu erzeugen. Als Reaktion darauf, dass das Steuersignal TON in ein logisches Hoch übergeht, geht das Tastgradsignal Qduty in „Hoch“ über. Das Tastgradsignal Qduty kann mit dem Gatter des High-Side-Leistungstransistors 234 gekoppelt sein (d. h. über die Totzeitsteuerschaltung 226 und den High-Side-Transistortreiber 230), und ein hohes Tastgradsignal Qduty kann bewirken, dass der Transistor 234 EINGESCHALTET wird, wodurch die Spannungsversorgung 210 mit einem ersten Ende des Induktors 206 gekoppelt wird. Wie zu erkennen ist, kann das Tastgradsignal Qduty als Reaktion auf eine ansteigende Flanke des Steuersignals TON in „Hoch“ übergehen, und das Tastgradsignal Qduty kann als Reaktion auf das Steuersignal TON, das in „Niedrig“ übergeht und ein hohes Steuersignal 280, das über das NAND-Gatter 252 empfangen wird, zurückgesetzt werden.
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Die Ausgangsspannung VOUT, die an einem zweiten Ende des Induktors 206 und über den Lastfilterkondensator 208 auftritt, wird durch einen Spannungsteiler an den Transkonduktanz-Operationsverstärker 222 gekoppelt, der konfiguriert ist, um eine Spannung VCOMP bereitzustellen, die die Ausgangsspannung VOUT geteilt durch den Spannungsteiler minus die Referenzspannung VREF darstellt. Es wird darauf hingewiesen, dass bei Gleichstrom ein Ausgangswiderstand des Transkonduktanzverstärkers 222 den Signalstrom absorbieren kann, wodurch eine Spannung VCOMP erzeugt wird, die ein Fehlersignal an einem Eingang des Transkonduktanzverstärkers 222 darstellt. Es wird darauf hingewiesen, dass die Implementierung eines Fehlerverstärkers (z. B. in analogen Leistungswandlerschaltungen) über Transkonduktanzstufen (d. h. Stromquellenstufen) üblich ist, beispielsweise aufgrund von Vorteilen hinsichtlich Rauschempfindlichkeit und/oder Stabilität gegenüber kapazitiver Belastung.
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Es versteht sich, dass die Flankenkompensations- und periodische Klemmschaltung 218 konfiguriert ist, um eine Spannung VRAMP (z. B. mit einer Sägezahnwellenform) zu erzeugen, und der Komparator 220 ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM-Signal) basierend auf einem Vergleich der Spannung VRAMP mit der Spannung VCOMP erzeugt.
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Der Betrieb des Impulsgenerators 212, des Betriebsgenerators 214, der Flankenkompensations- und periodischen Klemmschaltung 218, der Totzeitsteuerschaltung 226 und des Nullstromdetektors 228 ist im Stand der Technik bekannt, und einige spezifische Details bezüglich dieser Komponenten werden möglicherweise nicht näher erläutert. Zum Beispiel offenbart nur die US-Patentveröffentlichung Nr.
US2019/0081546 einen Spannungswandler, der einen Impulsgenerator, einen Betriebsgenerator, eine Flankenkompensations- und periodische Klemmschaltung, eine Totzeitsteuerschaltung und einen Nullstromdetektor einschließt. Die Patentveröffentlichung Nr.
US2019/0081546 , die dem Anmelder der vorliegenden Offenbarung zugewiesen ist, wird hierin in ihrer Gesamtheit durch diese Bezugnahme aufgenommen.
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Ferner schließt gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Leistungstreiber mit adaptiver Leistungssteuerung 202 eine Steuereinheit 260 ein. Die Steuereinheit 260, die nachstehend unter Bezugnahme auf die 3 und 4 genauer beschrieben wird, ist konfiguriert, um das PWM-Signal (z. B. von dem Komparator 220) zu empfangen und ein Steuersignal 280 zu erzeugen. Das Steuersignal 280 kann an den Impulsgenerator 212 übermittelt werden. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 260 auch konfiguriert sein, um eine oder mehrere Referenzspannungen VREF (z. B. einschließlich einer Spannungsreferenz VREF1 und/oder einer Spannungsreferenz VREF2 (siehe 4)), einen ausgewählten Faktor βOUT der Ausgangsspannung VOUT und einen ausgewählten Faktor αVIN der Eingangsspannung VIN zu empfangen. Wie nachstehend ausführlicher beschrieben, kann die Steuereinheit 260 einen Hysterese-Steuermodus (HCM) initiieren, wobei, wie vorstehend erwähnt und wie nachstehend ausführlicher beschrieben, ein statisches Signal an den Impulsgenerator 212 übermittelt werden kann (d. h., eher als ein PWM-Signal), um die Betriebszeit zu verlängern und einen Schaltbetrag während Umgehungsübergängen zu reduzieren (z. B. während der Spannungswandler 200 in einen Umgehungsmodus übergeht und/oder nachdem der Spannungswandler 200 aus dem Umgehungsmodus übergeht). Daher kann die Effizienz des Spannungswandlers 200 verbessert werden.
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Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl die Steuereinheit 260 in 2 als in einen spezifischen Abwärtswandler (d. h. Spannungswandler 200) integriert gezeigt ist, die Steuereinheit 260 mit anderen Spannungswandlern und/oder anderen Spannungswandler-Steuertopologien kompatibel sein kann. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 260 in einen beliebigen geeigneten Spannungswandler implementiert sein, wobei die Steuereinheit 260 konfiguriert ist, um ein PWM-Signal und andere Betriebsparameter (z. B. eine oder mehrere Spannungen, wie eine Eingangsspannung, eine Ausgangsspannung und/oder eine oder mehrere Referenzspannungen) zu empfangen und ein Steuersignal zu erzeugen, das an eine andere Komponente eines Spannungswandlers, wie einen Impulsgenerator, übermittelt werden kann. Zum Beispiel schließt unter Bezugnahme auf 3 ein Spannungswandler 300 die Steuereinheit 260 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung ein. Wie in 3 gezeigt, ist die Steuereinheit 260 konfiguriert, um ein Pulsweitenmodulationssignal (PWM-Signal) und ein Tastgradsignal Qduty zu empfangen und ein Steuersignal 280 zu erzeugen, das an eine andere Komponente 302 eines Spannungswandlers, wie einen Impulsgenerator, übermittelt werden kann. Gemäß verschiedenen Ausführungsformen kann die Steuereinheit 260 auch konfiguriert sein, um eine oder mehrere Referenzspannungen (z. B. Spannungsreferenz VREF1 und Spannungsreferenz VREF2 von 4), eine Spannung αVIN (z. B. einen ausgewählten Faktor einer Eingangsspannung des Spannungswandlers) und eine Spannung βOUT (z. B. einen ausgewählten Faktor einer Ausgangsspannung des Spannungswandlers) zu empfangen.
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4 ist eine detailliertere Veranschaulichung der Steuereinheit 260 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung. Wie dargestellt, schließt die Steuereinheit 260 einen Komparator 402 und einen Komparator 404 ein. Zum Beispiel können der Komparator 402 und der Komparator 404 einen Komparator mit niedrigem Ruhestrom (IQ) einschließen, und in einigen Ausführungsformen können einer oder mehrere von Komparator 402 und Komparator 404 über einen Schmidt-Trigger-Komparator implementiert sein.
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Es versteht sich, dass der Komparator 404 ein Signal überwacht, das für die Eingangsspannung VIN repräsentativ ist, die langsam, d. h. mit niedriger Frequenz, variiert, jedoch wahrscheinlich ein kleines hochfrequentes Rauschen überlagert hat. Somit kann für den Komparator 404 Flattern über Hysterese verhindert werden. Für ein festes α-Verhältnis und eine Referenzspannung VREF2 kann ein Hysteresebetrag des Komparators 404 einen Pegel des Eingangsspannungspegels VIN bestimmen, bei dem HCM deaktiviert wird (d. h. mit steigender VIN), nachdem der HCM aktiviert wurde (d. h. unter sinkender VIN).
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Da ferner das Schalten des Komparators 402 durch das Flip-Flop 408 verriegelt wird, ist eine Hysterese für den Komparator 402 möglicherweise nicht erforderlich. Eine minimale Hysterese zum Verlängern eines niedrigen Impulses, der durch den Wechselrichter 406 erzeugt wird, kann jedoch vorteilhaft sein und sich möglicherweise nicht auf den Schaltungsbetrieb auswirken (z. B. da es lange dauert, bis ein anderes Schaltereignis des Komparators 402 erzeugt wird).
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Der Komparator 402 ist konfiguriert, um die Spannung βOUT (d. h. einen Faktor β der Ausgangsspannung VOUT (z. B. siehe 2)) an einem nicht invertierenden Eingang davon und eine erste Referenzspannung VREF 1 an einem invertierenden Eingang davon zu empfangen, und der Komparator 404 ist konfiguriert, um die Spannung αVIN (d. h. einen Faktor α der Eingangsspannung VIN (z. B. siehe 2)) an einem invertierenden Eingang davon und eine zweite Referenzspannung VREF2 an einem nicht invertierenden Eingang davon zu empfangen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann die erste Spannungsreferenz VREF1 gleich der zweiten Spannungsreferenz VREF2 sein (z. B. können der invertierende Eingang des Komparators 402 und der nicht invertierende Eingang des Komparators 404 an eine einzige Referenzspannung gebunden sein), wie in 2 durch eine einzige Spannungsreferenz VREF gezeigt, und in anderen Ausführungsformen können die erste Spannungsreferenz VREF1 und die zweite Spannungsreferenz VREF2 nicht gleich sein (d. h. die Komparatoren 402 und 404 sind konfiguriert, um unterschiedliche Referenzspannungen zu empfangen). Ferner können in einigen Ausführungsformen die erste Spannungsreferenz VREF1 und/oder die zweite Spannungsreferenz VREF2 gleich der Referenzspannung VREF sein, wie in 2 gezeigt.
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Die Steuereinheit 260 schließt ferner einen Wechselrichter 406 ein, der mit einem Ausgang des Komparators 402 gekoppelt ist, und eine Schaltung 408 (z. B. hierin auch als Flip-Flop bezeichnet), die mit einem Ausgang des Komparators 404 gekoppelt ist. Zum Beispiel kann die Schaltung 408 ein gattergesteuertes S-R-Flip-Flop einschließen. In anderen Ausführungsformen kann für die Schaltung 408 ein nicht gattergesteuertes S-R-Flipflop bereitgestellt werden. Der Komparator 402 ist konfiguriert, um ein Signal RST_Qext an den Wechselrichter 406 zu übermitteln, und der Wechselrichter 406 ist konfiguriert, um ein Signal (z. B. ein Rücksetzsignal) an das Flip-Flop 408 zu übermitteln. Zusätzlich zum Empfangen eines Signals von dem Wechselrichter 406 ist das Flip-Flop 408 konfiguriert, um ein Signal HCM_EN von dem Ausgang des Komparators 404 an einem festgelegten Eingang davon und ein Tastgradsignal Qduty an einem Takteingang davon zu empfangen. Das Flip-Flop 408 ist konfiguriert, um die Ausgänge Qext und QextB zu erzeugen, die zueinander inverse Signale sind.
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Zusätzlich schließt die Steuereinheit 260 einen Wechselrichter 410 ein, der mit einem Ausgang des Flip-Flops 408 gekoppelt und konfiguriert ist, um den Ausgang Qext zu empfangen. Die Steuereinheit 260 schließt ferner ein UND-Gatter 412 ein, das einen Eingang aufweist, der mit einem Ausgang des Wechselrichters 410 gekoppelt ist, und einen anderen Eingang, der konfiguriert ist, um ein PWM-Signal (z. B. von dem Komparator 220 von 2) zu empfangen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das UND-Gatter 412 ein Steuersignal 280 erzeugen, das beispielsweise an einen Impulsgenerator (z. B. Impulsgenerator 212 von 2) übermittelt werden kann. In einigen Ausführungsformen können der Wechselrichter 410 und das UND-Gatter 412 zusammen hierin als eine Schaltung bezeichnet werden.
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Wie hierin ausführlicher beschrieben wird, kann in dem HCM das Steuersignal 280 ein Steuersignal (z. B. ein erstes Steuersignal) mit einem statischen Wert (z. B. einem niedrigen logischen Wert) sein, und in einem anderen Modus (z. B. PFM-Modus) kann das Steuersignal 280 ein Steuersignal (z. B. ein zweites, unterschiedliches Steuersignal) sein, das das PWM-Signal spiegelt.
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Es wird darauf hingewiesen, dass die Steuereinheit 260 als eine beispielhafte Steuereinheit bereitgestellt ist und andere mögliche Konfigurationen innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung liegen. Zum Beispiel können Eingaben in den Komparator 402 umgekehrt werden, und der Wechselrichter 406 kann entfernt werden. Ferner kann als weiteres Beispiel das UND-Gatter 412 durch ein oder mehrere andere Logikgatter (z. B. NAND-Gatter und/oder NOR-Gatter) ersetzt werden. In einem anderen Beispiel kann der Wechselrichter 410 entfernt werden und das Signal QextB kann mit dem UND-Gatter 412 gekoppelt werden. In noch einem weiteren Beispiel ist das Flip-Flop 408 möglicherweise nicht notwendig, und der Ausgang Qext kann basierend auf den Ausgängen der Komparatoren 402 und 404 und einer Nachschlagetabelle (LUT) bestimmt werden.
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In einigen Ausführungsformen kann die Referenzspannung VREF1 gleich einem oberen Ausgangsspannungsschwellenwert sein (hierin auch als „Aktivierungsspannung“ oder „Übergangsspannung“ bezeichnet). Zum Beispiel kann für eine Zielausgangsspannung von 3,3 Volt ein oberer Ausgangsspannungsschwellenwert etwa 3,414 Volt (103,45 % von 3,3 Volt) betragen. Ferner kann ein unterer Ausgangsspannungsschwellenwert eine Spannung einschließen, die gleich oder nahe einem Wert einer Zielausgangsspannung (hierin auch als „normale Nennausgangsspannung“ bezeichnet) ist, wie 3,3 Volt. Darüber hinaus kann in einigen Ausführungsformen die zweite Referenzspannung VREF2 gleich einem Eingangsspannungsschwellenwert sein (hierin auch als „Aktivierungsspannung“ oder „Übergangsspannung“ bezeichnet). Für das Beispiel mit einer Zielausgangsspannung von 3,3 Volt kann ein Eingangsspannungsschwellenwert (d. h. die zweite Referenzspannung VREF2) etwa 3,6 Volt betragen (z. B. 109,09 % von 3,3 Volt). Wenn in diesem Beispiel die Spannung VIN größer als der Eingangsspannungsschwellenwert ist, kann ein PFM-Modus verwendet werden (d. h. das Steuersignal 280 spiegelt das PWM-Signal), und wenn die Spannung VIN auf oder unter den Eingangsspannungsschwellenwert sinkt, kann ein HCM verwendet werden (d. h. das Steuersignal 280 ist ein statischer (z. B. niedriger) Wert).
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Genauer kann der HCM zum Beispiel als Reaktion darauf aktiviert werden, dass die Spannung αVIN gleich einer ersten Aktivierungsspannung (d. h. dem Eingangsspannungsschwellenwert) wird oder unter diese fällt, wodurch das Signal HCM_EN auf „Hoch“ gesetzt wird. Wenn HCM_EN hoch ist, wird bei der nächsten ansteigenden Flanke von Qduty der Ausgang Qext „Hoch“ sein, wodurch das Steuersignal 280 unabhängig von dem PWM-Signal auf „Niedrig“ gesetzt wird. Die Verwendung der nächsten ansteigenden Flanke von Qduty zu dem Takt-Flip-Flop 408 gewährleistet einen synchronen Betrieb, wenn jedoch kein synchroner Betrieb erforderlich ist, kann der HCM asynchron aktiviert werden, als Reaktion darauf, wenn die Spannung αVIN gleich der ersten Aktivierungsspannung wird oder unter diese fällt. Wenn die Spannung βOUT über eine zweite Aktivierungsspannung (d. h. den oberen Ausgangsspannungsschwellenwert (z. B. 3414 Volt)) ansteigt, kann das Tastgradsignal Qduty zurückgesetzt werden. Insbesondere, wenn die Spannung βOUT über die zweite Aktivierungsspannung ansteigt, wird das Flip-Flop 408 zurückgesetzt, da der Rücksetzeingang nicht getaktet wird, und der Ausgang Qext geht in „Niedrig“ über, und somit leitet das UND-Gatter 412 das empfangene PWM-Signal an das Steuersignal 280 weiter, und als Reaktion darauf, dass das PWM-Signal auf „Hoch“ wechselt, kann das Flip-Flop 250 (siehe 2) zurückgesetzt werden. Wenn die Ausgangsspannung VOUT (siehe 2) nicht über die zweite Aktivierungsspannung ansteigt, in der Regel weil VIN unter den vorliegenden Lastbedingungen nicht ausreichend hoch ist, um diese zu erreichen, wird das Flip-Flop 408 nicht zurückgesetzt und der Spannungswandler 200, 300 hält den High-Side-Transistor 234 EINGESCHALTET, unabhängig von dem Zustand des Steuersignals TON, der über den Zeitgeber 242 von 2 erzeugt wird. Wenn VIN so abfällt, dass der Betriebsgenerator 214 ein Tastgrad von 100 % bereitstellt, d. h. TON auf ein festes hohes Signal eingestellt ist, wurde von dem HCM in den Umgehungsmodus übergegangen.
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Insbesondere unter Bezugnahme auf die 2 und 4, wenn die Spannung αVIN größer als die zweite Referenzspannung VREF2 ist, kann der Spannungswandler 200 während eines in Betracht gezogenen Betriebs im PFM-Modus arbeiten. Ferner kann als Reaktion darauf, dass die Spannung αVIN gleich oder kleiner als die zweite Referenzspannung VREF2 (die „erste Aktivierungsspannung“) wird, der Spannungswandler 200 von dem PFM-Modus in einen HCM übergehen (d. h., das Signal HCM_EN kann aktiviert werden und der Ausgang Qext kann bei der folgenden ansteigenden Flanke des Signals Qduty in „Hoch“ übergehen, wobei der Ausgang des Wechselrichters 410 niedrig sein kann, und somit ist das Steuersignal 280 ein statischer Wert). Ferner kann als Reaktion auf eine „Betriebsanforderung“ (d. h. über den Zeitgeber 242) das Steuersignal TON in „Hoch“ übergehen und das Signal Qduty kann in „Hoch“ übergehen (d. h. bis das Flip-Flop 250 über ein PWM-Signal, das über die Steuereinheit 260 übermittelt wird, zurückgesetzt wird).
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Somit wird, wenn VIN unter den Eingangsspannungsschwellenwert VREF2 fällt, der HCM aktiviert. Falls VIN unter aktuellen Lastbedingungen ausreicht, um eine VOUT zu unterstützen, die größer als der obere Ausgangsspannungsschwellenwert VREF2 ist, kehrt der Spannungswandler 200, 300 zurück in den PFM-Modus, wenn VOUT angestiegen und größer als der obere Ausgangsspannungsschwellenwert VREF2 ist. Dieser Zyklus wiederholt sich bei jeder ansteigenden Flanke von Qduty, es sei denn, VIN ist über den Eingangsspannungsschwellenwert VREF2 angestiegen. Falls VIN unter aktuellen Lastbedingungen nicht ausreicht, um eine VOUT zu unterstützen, die größer als der obere Ausgangsspannungsschwellenwert VREF2 ist, wird der Spannungswandler 200, 300 mit dem High-Side-Schalter in dem HCM auf „Hoch“ gehalten, bis VIN so abfällt, dass der Betriebsgenerator 214 ein Tastgrad von 100 % bereitstellt, d. h. TON wird auf ein festes hohes Signal gesetzt, und es wurde von dem HCM in den Umgehungsmodus übergegangen. Sowohl in dem Umgehungsmodus als auch in dem HCM ist der High-Side-Transistor 234 kontinuierlich EINGESCHALTET und ein Tastgrad von 100 % wird erreicht. Mit anderen Worten, während des Betriebs im HCM, wenn die Ausgangsspannung VOUT nicht über den oberen Ausgangsspannungsschwellenwert VREF 1 zurückkehrt, werden die Flip-Flops 408 und 250 nicht zurückgesetzt, und somit bleibt der High-Side-Transistor 234 EINGESCHALTET (d. h. in einem leitenden Zustand). Ferner kann als Reaktion darauf, dass die Eingangsspannung VIN auf einen Pegel ansteigt, der ausreicht, um zu unterstützen, dass die Ausgangsspannung VOUT größer als der obere Ausgangsspannungsschwellenwert VREF1 ist (z. B. 103,45 % der Zielausgangsspannung), der Spannungswandler 200 basierend auf dem Steuersignal TON und dem Signal RST_Qext aus dem Umgehungsmodus in die PFM übergehen.
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Als Reaktion darauf, dass die Spannung βOUT gleich oder größer als die erste Referenzspannung VREF1 wird (die „zweite Aktivierungsspannung“), kann der Spannungswandler somit von dem HCM oder Umgehungsmodus in den PFM-Modus übergehen. Genauer gesagt, als Reaktion darauf, dass die Spannung βOUT gleich oder größer als die erste Referenzspannung VREF 1 wird, kann das Signal RST_Qext in „Hoch“ übergehen, das Flip-Flop 408 kann zurückgesetzt werden, und daher kann der Ausgang Qext bei der folgenden ansteigenden Flanke des Signals Qduty in „Niedrig“ übergehen, was es dem UND-Gatter 412 ermöglicht, das PWM-Signal durchzulassen, so dass das Steuersignal 280 das PWM-Signal (d. h. Spiegel-PWM-Signal) einschließt und das Tastgradsignal Qduty zurückgesetzt werden kann.
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Unter Bezugnahme auf die 2 und 4 wird nun ein in Betracht gezogener Betrieb des Spannungswandlers 200 und insbesondere der Steuereinheit 260 beschrieben. In diesem Beispiel ist ein unterer Ausgangsspannungsschwellenwert („Zielausgangsspannung“) gleich 3,3 Volt, die Referenzspannung VREF1 ist gleich (3*3,414 Volt und die Referenzspannung VREF2 ist gleich α*3,6 Volt.
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Wenn in diesem Beispiel die Spannung αVIN größer als α*3,6 Volt ist, ist das Signal HCM_EN niedrig, und somit ist der Ausgang Qext niedrig, das Steuersignal 280 kann das PWM-Signal (d. h. Spiegel-PWM-Signal) einschließen, und der Spannungswandler 200 arbeitet in dem PFM. Ferner kann, wenn die Spannung αVIN kleiner oder gleich α*3,6 Volt wird, das Signal HCM_EN in „Hoch“ übergehen, der Ausgang Qext in „Hoch“ übergehen, das Steuersignal 280 niedrig sein und der Spannungswandler 200 in dem HCM arbeiten. Es wird darauf hingewiesen, dass während des HCM der High-Side-Transistor 234 EINGESCHALTET ist (d. h. basierend darauf, dass das Steuersignal TON in „Hoch“ übergeht, was Qduty auf „Hoch“ setzt, um das Flip-Flop 408 zu takten) und das Steuersignal 280 ein statischer Wert ist (d. h. das PWM-Signal wird dem Impulsgenerator 212 von 2 nicht übermittelt). Somit kann während des HCM (z. B. wenn der Spannungswandler 200 in einen Umgehungsmodus übergeht) eine „Betriebszeit“ fortgesetzt werden, und der Stromverbrauch kann aufgrund der Abnahme der Schaltaktivität abnehmen.
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Ferner kann als Reaktion darauf, dass die Ausgangsspannung VOUT kleiner als 3,3 Volt wird (z. B. aufgrund einer Verringerung der Eingangsspannung VIN und/oder einer Erhöhung der Last), der Spannungswandler 200, basierend auf einem hohen Steuersignal TON, von dem HCM in einen Umgehungsmodus übergehen, wobei der High-Side-Transistor 234 EINGESCHALTET ist (d. h. in einem leitenden Zustand), jedoch ist zu beachten, dass der High-Side-Transistor 234 aufgrund des HCM bereits EINGESCHALTET ist. Somit kann der HCM als erweiterter Umgehungsmodus betrachtet werden.
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Fortfahrend mit diesem Beispiel kann in einer Ausführungsform, in der VOUT ferner dem Zeitgeber 242 bereitgestellt wird, als Reaktion darauf, dass die Ausgangsspannung VOUT auf oder über 3,3 Volt ansteigt, der Spannungswandler 200 basierend auf einem logisch niedrigen Steuersignal TON (z. B. basierend auf einem über den Zeitgeber 242 erzeugten Signal) von dem Umgehungsmodus in den HCM übergehen. Da das Flip-Flop 408 in diesem Beispiel nicht zurückgesetzt wird, ist der Ausgang Qext immer noch hoch, da Qduty nicht übergegangen ist, das Steuersignal 280 ist immer noch niedrig, das Flip-Flop 250 wurde nicht zurückgesetzt, und somit kann der High-Side-Transistor 234 EINGESCHALTET bleiben. Somit kann während des HCM (z. B. wenn der Spannungswandler 200 von dem Umgehungsmodus in den PFM-Modus übergeht) der Stromverbrauch aufgrund des Fehlens der Schaltaktivität abnehmen. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass während des HCM-Übergangs von dem Umgehungsmodus die Spannungswandler 200, 300 den Umgehungsmodus durch den Einsatz des HCM erweitern.
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Ferner kann als Reaktion darauf, dass die Spannung βOUT größer als (3*3,414 wird, das Signal RST_Qext in „Hoch“ übergehen, das Flip-Flop 408 kann zurückgesetzt werden, der Ausgang Qext kann in „Niedrig“ übergehen, und somit schließt das Steuersignal 280 das PWM-Signal (d. h. Spiegel-PWM-Signal) ein. Ferner kann das Flip-Flop 250 zurückgesetzt werden, und der Spannungswandler 200 kann von dem HCM in einen PFM-Modus übergehen. Es wird darauf hingewiesen, dass in der in 2 gezeigten Konfiguration (z. B. ein Abwärtswandler) die Ausgangsspannung VOUT möglicherweise nicht größer als die Eingangsspannung VIN ist, und somit kann das Signal RST_Qext möglicherweise nicht in „Hoch“ übergehen, während das Signal HCM_EN hoch ist.
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Das Vorstehende wurde in einer Ausführungsform beschrieben, in der die Steuereinheit 260 von dem Betriebsgenerator 214 getrennt ist. In einer anderen Ausführungsform ist die Steuereinheit 260 in den Betriebsgenerator 214 integriert. In einer solchen Ausführungsform sind der HCM und der Umgehungsmodus nicht separat definiert. Der Betrieb der Komparatoren 402 und 404, des Flip-Flops 408, des Wechselrichters 410 und des UND-Gatters 412 kann innerhalb des Betriebsgenerators 214 implementiert sein oder als Teil und Paket der Logik des Betriebsgenerators 214 bereitgestellt werden.
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Es versteht sich, dass der HCM, der für geringe Lasten geeignet sein kann, die Effizienz während Umgehungsübergängen erhöhen kann. In einigen Fällen kann der HCM jedoch eine Ausgangsspannungswelligkeit leicht erhöhen. Somit kann es für einen Endbenutzer wünschenswert sein, Kompromisse von dem HCM zu berücksichtigen, und gemäß einigen Ausführungsformen kann ein Spannungswandler für den Betrieb in einem HCM durch den Endbenutzer aktiviert werden (z. B. über ein Registerbit und/oder einen I2C-Bus (Steuerung nicht gezeigt)). Zum Beispiel veranschaulicht 5 ein Leistungsmodul 500 einschließlich eines Spannungswandlers 502 gemäß verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Der Spannungswandler 502 kann den Spannungswandler 200, wie in 2 gezeigt, oder den Spannungswandler 300, wie in 3 gezeigt, einschließen. Gemäß einigen Ausführungsformen kann das Leistungsmodul 500 einen oder mehrere Eingänge einschließen, die zum Konfigurieren des Spannungswandlers 502 verwendet werden und insbesondere eine Steuereinheit (z. B. Steuereinheit 260 von 2) des Spannungswandlers 502 aktivieren. Zum Beispiel kann das Leistungsmodul 500 eine oder mehrere Eingaben über einen Bus 504 (z. B. einen I2C-Bus) (z. B. um ein oder mehrere Bits einzustellen) empfangen, um einen Spannungswandler 502 einer Steuereinheit (z. B. Steuereinheit 260 von 2) in die Lage zu versetzen, in einem HCM zu arbeiten, wie hierin beschrieben.
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Ferner können gemäß verschiedenen Ausführungsformen Schwellenspannungen einer Steuereinheit (z. B. Steuereinheit 260 von 4) einstellbar sein, und somit können Aktivierungs- und/oder Übergangspunkte (hierin auch als Aktivierungs- und/oder Übergangsspannungen bezeichnet) der Steuereinheit programmierbar sein. Programmierbare Aktivierungspunkte können ein vorhersagbares Eingabe-Ausgabe-Differenzial bereitstellen, das einen schnellen Aufbau des Induktorstroms verhindern und die Empfindlichkeit gegenüber Regelkomparatorverzögerungen reduzieren kann. In mindestens diesen Ausführungsformen kann ein Endbenutzer Kompromisse (z. B. Effizienz gegenüber Leistung) auf einer Anwendungsebene berücksichtigen, um zu bestimmen, ob der HCM wünschenswert ist, und wenn ja, welche Einstellungen gewünscht sind.
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6 zeigt ein Diagramm 600, das eine Wellenform einschließt, die einen Versorgungsstrom über eine Versorgungsspannung für einen Spannungswandler gemäß einer oder mehreren Ausführungsformen der Offenbarung angibt. Genauer schließt Diagramm 600 eine Wellenform 602 eines Versorgungsstroms über eine Versorgungsspannung für einen Spannungswandler ohne Verwendung eines HCM ein. Ferner schließt Diagramm 600 eine Wellenform 604 eines Versorgungsstroms über eine Versorgungsspannung für einen Spannungswandler (z. B. Spannungswandler 200) unter Verwendung eines HCM ein. Wie in Diagramm 600 gezeigt, kann ein Spannungswandler, der ein HCM verwendet (z. B. während eines Umgehungsübergangs), eine wesentliche Verbesserung der Effizienz im Vergleich zu einem Spannungswandler, der kein HCM verwendet, aufweisen.
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7A zeigt ein Diagramm 700, das verschiedene Parameter eines Spannungswandlers darstellt, der in einen und aus einem HCM übergeht. Genauer schließt Diagramm 700 eine Wellenform 702 ein, die eine Eingangsspannung (z. B. Eingangsspannung VIN von 2) angibt, und eine Wellenform 704, die eine Ausgangsspannung (z. B. Ausgangsspannung VOUT von 2) angibt. Wie in Diagramm 700 gezeigt, geht der Spannungswandler, wenn die Eingangsspannung abnimmt (z. B. von 3,8 V auf 3,3 V), von einem PFM-Modus durch einen HCM und dann in einen Umgehungsmodus über, in dem ein High-Side-Transistor (z. B. Transistor 234 von 2) kontinuierlich EINGESCHALTET ist.
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7B zeigt ein weiteres Diagramm 710, das verschiedene Parameter eines Spannungswandlers darstellt, der in einen und aus einem HCM übergeht. Insbesondere schließt Diagramm 710 eine Wellenform 712 ein, die eine Eingangsspannung (z. B. Eingangsspannung VIN von 2) angibt, und eine Wellenform 714, die eine Ausgangsspannung (z. B. Ausgangsspannung VOUT von 2) angibt. Wie in Diagramm 710 gezeigt, geht der Spannungswandler, wenn die Eingangsspannung steigt (z. B. von 3,3 V auf 3,8 V), von einem Umgehungsmodus durch einen HCM und dann in einen PFM-Modus über.
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8 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens 800 zum Betreiben eines Spannungswandlers gemäß verschiedenen Ausführungsformen der Offenbarung. Das Verfahren 800 kann in einigen Ausführungsformen von einer Vorrichtung oder einem System durchgeführt werden, wie dem Spannungswandler 200 von 2, der Steuereinheit 260 von den 2, 3 und 4, dem Spannungswandler 300 von 3 und/oder dem Leistungsmodul 500 von 5 oder einer anderen Vorrichtung oder einem anderen System. Obwohl als diskrete Blöcke veranschaulicht, können verschiedene Blöcke in Abhängigkeit von der gewünschten Implementierung in zusätzliche Blöcke unterteilt, in weniger Blöcke kombiniert oder eliminiert werden.
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An Block 802 können ein oder mehrere Signale an einer Steuereinheit eines Spannungswandlers empfangen werden, und das Verfahren 800 kann mit dem Block 804 fortfahren. Zum Beispiel kann mindestens eines von einem PWM-Signal (z. B. PWM-Signal von 4), einem Tastgradsignal (z. B. Tastgradsignal Qduty von 4), mindestens eine Referenzspannung (z. B. erste Referenzspannung VREF1 und/oder zweite Referenzspannung VREF2 von 2), ein Faktor (z. B. Spannung βOUT von 4) einer Ausgangsspannung (z. B. Ausgangsspannung VOUT von 2) des Spannungswandlers und/oder ein Faktor (z. B. Spannung αVIN von 4) einer Eingangsspannung (z. B. Eingangsspannung VIN von 2) des Spannungswandlers an der Steuereinheit (z. B. Steuereinheit 260 von 4) empfangen werden.
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An Block 804 kann die mindestens eine Referenzspannung mit dem Faktor der Ausgangsspannung und dem Faktor der Eingangsspannung verglichen werden, und das Verfahren 800 kann mit dem Block 806 fortfahren. Genauer kann zum Beispiel ein erster Komparator (z. B. Komparator 402 von 4) eine erste Referenzspannung (z. B. Referenzspannung VREF1) mit der Spannung βOUT vergleichen, und ein zweiter Komparator (z. B. Komparator 404 von 4) kann eine zweite Referenzspannung (z. B. Referenzspannung VREF2) mit der Spannung αVIN vergleichen.
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An Block 806 kann ein erstes Steuersignal, das das PWM-Signal spiegelt, als Reaktion auf mindestens einem von Folgendem erzeugt werden: dem Faktor der Eingangsspannung, der größer als die mindestens eine Referenzspannung ist und dem Faktor der Ausgangsspannung, der größer als die mindestens eine Referenzspannung ist, und das Verfahren 800 kann mit Block 808 fortfahren. Insbesondere kann zum Beispiel das erste Steuersignal als Reaktion darauf erzeugt werden, dass mindestens eines von Folgendem gilt: die Spannung αVIN ist größer als die zweite Referenzspannung (z. B. die zweite Referenzspannung VREF2) und die Spannung βOUT ist größer als die erste Referenzspannung (z. B. die erste Referenzspannung VREF1). Zum Beispiel kann das UND-Gatter 412 von 4 ein Steuersignal 280 erzeugen, das das PWM-Signal als Reaktion auf das PWM-Signal und ein durch den Wechselrichter 410 erzeugtes hohes Signal spiegelt.
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An Block 808 kann als Reaktion darauf, dass der Faktor der Eingangsspannung kleiner oder gleich der mindestens einen Referenzspannung ist, ein zweites, unterschiedliches Steuersignal erzeugt werden, das ein statisches Signal einschließt, das in einer Ausführungsform ein niedriges logisches Signal ist. Insbesondere kann zum Beispiel das zweite, unterschiedliche Steuersignal als Reaktion darauf erzeugt werden, dass sowohl die Spannung αVIN kleiner als oder gleich der zweiten Referenzspannung (z. B. die zweite Referenzspannung VREF2) und die Spannung βOUT kleiner als die erste Referenzspannung (z. B. die erste Referenzspannung VREF1) ist. Zum Beispiel kann das UND-Gatter 412 von 4 als Reaktion auf ein durch den Wechselrichter 410 erzeugtes niedriges Signal das Steuersignal 280 in einem statischen niedrigen Zustand erzeugen.
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Modifikationen, Hinzufügungen oder Auslassungen können an dem Verfahren 800 vorgenommen werden, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Offenbarung abzuweichen. Zum Beispiel können die Vorgänge des Verfahrens 800 in unterschiedlicher Reihenfolge implementiert werden. Des Weiteren werden die skizzierten Vorgänge und Aktionen nur als Beispiele bereitgestellt, und einige der Vorgänge und Aktionen können optional, zu weniger Vorgängen und Aktionen kombiniert oder zu zusätzlichen Vorgängen und Aktionen erweitert sein, ohne das Wesen der offenbarten Ausführungsform zu beeinträchtigen. Zum Beispiel kann das Steuersignal (z. B. Steuersignal 280 von 4) an eine andere Komponente innerhalb eines Spannungswandlers übermittelt werden, wie einen Impulsgenerator (z. B. Impulsgenerator 212 von 2). Ferner kann beispielsweise ein Tastgradsignal (z. B. Tastgradsignal Qduty) basierend auf einem von dem ersten Steuersignal und dem zweiten Steuersignal erzeugt werden (z. B. über einen Impulsgenerator). Darüber hinaus kann ein Tastgrad des Spannungswandlers basierend auf dem erzeugten Tastgradsignal eingestellt werden. Als weiteres Beispiel kann die Steuereinheit basierend auf einem oder mehreren Signalen aktiviert und/oder programmiert werden, die über einen Bus (z. B. Bus 504 von 5) empfangen werden.
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Ein Fachmann wird erkennen, dass verschiedene Ausführungsformen der Offenbarung viele Vorteile aufweisen, einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf das Verringern des Schaltens in einem Spannungswandler. Daher können verschiedene Ausführungsformen den Ruhestrom reduzieren und die Leistung eines Spannungswandlers verbessern, was zu einer verlängerten Batterielebensdauer einer zugehörigen Vorrichtung führen kann. Ferner wird ein Fachmann erkennen, dass die beschriebenen Ausführungsformen auf verschiedene Spannungswandler (z. B. unter anderem Abwärtswandler, Aufwärtswandler, Inverswandler) anwendbar sein können. Ferner können verschiedene Ausführungsformen besonders nützlich sein mit, ohne darauf beschränkt zu sein, tragbaren Anwendungen, wie Anwendungen in mobilen Vorrichtungen oder dem Internet of Things (IoT), die robuste, hocheffiziente und kostengünstige Regler benötigen können. Ferner können verschiedene Ausführungsformen bei Hochleistungsspannungsreglern nützlich sein, wie sie von verschiedenen Mikrocontrollern oder Mikroprozessorkernen benötigt werden. Ein Spannungswandler, einschließlich verschiedener hierin offenbarter Ausführungsformen, kann eine hohe Umwandlungseffizienz und/oder hohe Ausgangsspannungsgenauigkeit aufweisen, wie für tragbare Vorrichtungen, Mikrocontroller und/oder Mikroprozessorkerne gewünscht.
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Wie in der vorliegenden Offenbarung verwendet, können sich die Begriffe „Modul“ oder „Komponente“ auf spezifische Hardware-Implementierungen beziehen, die konfiguriert sind, um die Aktionen des Moduls oder der Komponente und/oder Softwareobjekte oder Softwareroutinen durchzuführen, die auf Universalhardware (z. B. computerlesbare Medien, Verarbeitungsvorrichtungen, ohne Einschränkung) des Rechensystems gespeichert und/oder von dieser ausgeführt werden können. In einigen Ausführungsformen können die verschiedenen Komponenten, Module, Engines und Dienste, die in der vorliegenden Offenbarung beschrieben sind, als Objekte oder Prozesse implementiert werden, die auf dem Rechensystem ausgeführt werden (z. B. als separate Threads). Obwohl einige der in der vorliegenden Offenbarung beschriebenen Systeme und Verfahren allgemein als in Software implementiert (gespeichert auf und/oder ausgeführt durch Universalhardware) beschrieben werden, sind spezifische Hardware-Implementierungen oder eine Kombination von Software und spezifischen Hardware-Implementierungen ebenfalls möglich und werden in Betracht gezogen.
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Begriffe, die in der vorliegenden Offenbarung und insbesondere in den beiliegenden Ansprüchen verwendet werden (z. B. Inhalte der beiliegenden Ansprüche), sind im Allgemeinen als „offene“ Begriffe gedacht (z. B. sollte der Begriff „einschließlich“ als „einschließlich, jedoch nicht beschränkt auf” interpretiert werden, der Begriff „aufweisend“ sollte als „mindestens aufweisend“ interpretiert werden, der Begriff „schließt ein“ sollte als „schließt ein, ist jedoch nicht beschränkt auf” interpretiert werden, usw.).
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Darüber hinaus wird, wenn eine bestimmte Anzahl von eingeführten Anspruchsaufzählungen beabsichtigt ist, eine solche Absicht ausdrücklich im Anspruch genannt, und in Ermangelung einer solchen Aufzählung liegt keine solche Absicht vor. Als Verständnishilfe können zum Beispiel die folgenden beiliegenden Ansprüche die Verwendung der einleitenden Phrasen „mindestens einer“ und „einer oder mehrere“ zur Einführung von Anspruchsaufzählungen enthalten. Die Verwendung solcher Phrasen sollte jedoch nicht so ausgelegt werden, dass sie impliziert, dass die Einführung einer Anspruchsaufzählung durch die unbestimmten Artikel „ein“ oder „eine“ einen bestimmten Anspruch, der eine solche eingeführte Anspruchsaufzählung enthält, auf Ausführungsformen beschränkt, die nur eine solche Aufzählung enthalten, selbst wenn derselbe Anspruch die einleitenden Phrasen „ein oder mehrere“ oder „mindestens ein“ und unbestimmte Artikel wie „ein“ und/oder „eine“ einschließt (z. B. soll „ein“ und/oder „eine“ so interpretiert werden, dass es „mindestens ein“ oder „ein oder mehrere“ bedeutet); gleiches gilt für die Verwendung bestimmter Artikel, die zur Einführung von Anspruchsaufzählungen verwendet werden.
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Auch wenn eine bestimmte Anzahl einer eingeführten Anspruchsaufzählung explizit angegeben ist, wird der Fachmann erkennen, dass eine solche Aufzählung so interpretiert werden sollte, dass sie mindestens die angegebene Anzahl bedeutet (z. B. die bloße Aufzählung von „zwei Aufzählungen“ ohne andere Modifikatoren bedeutet mindestens zwei Aufzählungen oder zwei oder mehr Aufzählungen). Des Weiteren ist in den Fällen, in denen eine Konvention analog zu „mindestens eines von A, B und C usw.“ oder „eines oder mehrere von A, B und C usw.“ verwendet wird, eine solche Konstruktion im Allgemeinen dazu bestimmt, A allein, B allein, C allein, A und B zusammen, A und C zusammen, Bund C zusammen, oder A, B und C zusammen zu bedeuten usw.
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Ferner sollte jedes disjunkte Wort oder jede disjunkte Phrase, das bzw. die zwei oder mehr alternative Begriffe darstellt, sei es in der Beschreibung, den Ansprüchen oder Zeichnungen, so verstanden werden, dass die Möglichkeit des Einschließens eines der Begriffe, des einen oder des anderen Begriffs oder beider Begriffe in Betracht gezogen wird. Beispielsweise sollte unter der Phrase „A oder B“ die Möglichkeiten „A“ oder „B“ oder „A und B“ verstanden werden.
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Während die vorliegende Offenbarung hierin in Bezug auf bestimmte veranschaulichte Ausführungsformen beschrieben wurde, werden Fachleute erkennen und anerkennen, dass die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt ist. Vielmehr können viele Ergänzungen, Löschungen und Modifikationen an den veranschaulichten und beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, wie nachfolgend zusammen mit ihren rechtlichen Äquivalenten beansprucht wird. Zusätzlich können Merkmale von einer Ausführungsform mit Merkmalen einer anderen Ausführungsform kombiniert werden, während sie immer noch innerhalb des Schutzumfangs der Erfindung enthalten sind, wie er vom Erfinder in Betracht gezogen wird.
