DE102020129614B3

DE102020129614B3 - Spannungsregelschaltkreis und Verfahren zum Betreiben eines Spannungsregelschaltkreises

Info

Publication number: DE102020129614B3
Application number: DE102020129614.2A
Authority: DE
Inventors: Christoph Mayerl; Christoph Saas; Albert Missoni
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2020-11-10
Filing date: 2020-11-10
Publication date: 2021-11-11
Anticipated expiration: 2040-11-11
Also published as: US20220147087A1; CN114460995A

Abstract

Ein Spannungsregelschaltkreis (300, 500) wird bereitgestellt. Der Spannungsregelschaltkreis (300, 500) weist einen Umsetzungs-Schaltkreis (106), der eingerichtet ist, eine Spannungspulssequenz in eine gefilterte Analogspannung umzusetzen, wobei die Spannungspulssequenz eine vorgegebene Betriebs-Begrenzungsspannung repräsentiert, und einen Regler (102), der eingerichtet ist, die gefilterte Analogspannung als Regelgröße zu empfangen und eine Ausgangsspannung (VDD) des Spannungsregelschaltkreises (300, 500) auf eine vorgegebene Soll-Spannung zu regeln.

Description

Die Erfindung betrifft einen Spannungsregelschaltkreis und ein Verfahren zum Betreiben eines Spannungsregelschaltkreises.
Ein so genannter Low-Dropout-Regler ist eine Art von Linearregler zum Bereitstellen einer stabilen Ausgangsspannung, der optional ohne einen (externen) Kondensator auskommt und dann auch als „capless“ bezeichnet wird.
Eine Herausforderung beim Entwurf eines solchen integrierten Low-Dropout-Reglers (LDO) ohne externen Kondensator ist das Erzielen einer schnellen Regelung bei gleichzeitig sichergestellter (Spannungs-)Stabilität über einen breiten Bereich von Betriebszuständen hinweg.
Häufig beschränken Stabilitätserfordernisse eine Regelleistung bis zu einem Grad, bei welchem eine Spannungsintegrität nicht mehr durch die Regelschleife allein garantiert werden kann.
Um unter diesen Bedingungen eine zu niedrige oder zu hohe Ausgangsspannung (VDD) zu verhindern, können zusätzliche Maßnahmen nötig sein.
Beispielsweise kann eine Ableitung (auch als Shunt bezeichnet) bereitgestellt sein, um die Ausgangsspannung VDD zu begrenzen, wenn sie einen oberen Spannungs-Grenzwert (Vclip; auch als obere Spannungsschwelle, oberer Grenzwert, oberer Schwellwert, obere Grenzspannung oder obere Triggerschwelle bezeichnet) überschreitet, und/oder einen Stopper, der einen Taktsignalgeber (Clock, bzw. hier System Clock) stoppt, wenn die Ausgangsspannung VDD unter einen unteren Spannungs-Grenzwert (Vdrop; auch als untere Spannungsschwelle, unterer Grenzwert, unterer Schwellwert, untere Grenzspannung oder untere Triggerschwelle bezeichnet) fällt, was zu einer Reduzierung der Last führt.
Alle diese Grenzwerte weisen typischerweise lokale Schwankungen dahingehend auf, bei welchem realen Spannungswert bei einem voreingestellten Grenzwert eine vorgesehene Aktion (z.B. Verbinden mit dem Shunt bzw. Stoppen des Taktsignalgebers) tatsächlich ausgelöst wird.
Eine Verbesserung dieser Schwankungen ist durch einen Stromverbrauch und Anforderungen an eine Leistungsfähigkeit von verwendeten Komparatoren (Vergleichern) begrenzt.
Ein Bereich, innerhalb dessen eine Ausgangsspannung VDD in einem Spannungsregelschaltkreis gemäß dem Stand der Technik variieren kann, ist in 1 auf der linken Seite veranschaulicht.
Die Gesamtbreite des Bereichs möglicher Werte von VDD ergibt sich aus der Summe der Bereiche der einzelnen Werte und liegt zwischen einer Minimalspannnung (minimalen Ausgangsspannung) VDDmin und einer Maximalspannung (maximalen Ausgangsspannung) VDDmax.
Im betrachteten Fall liegen die Schwankung vor beim vom Regler selbst erzeugten Spannungswert (als nominelle Ausgangsspannung VDDnom veranschaulicht) und den beiden unterstützenden Schaltkreisblöcken, welche die untere Grenzspannung Vdrop bzw. die obere Grenzspannung Vclip verwirklichen.
VDDnom muss jeweils zu Vdrop bzw. Vclip einen so großen Abstand haben, dass es bei den Verteilungen (hier beispielhaft jeweils mit einer Breite von 4σ) nicht zu einem Überlapp kommt, denn sonst würden möglicherweise die von den unterstützenden Schaltkreisblöcken zu verwirklichenden Maßnahmen in Gang gesetzt, wenn die vom Regler eingestellte Spannung sich noch innerhalb des zulässigen Spannungsbereichs befindet, z.B. innerhalb von ±4σ um VDDnom herum.
Bei Technologien mit Strukturgrößen deutlich unterhalb von einem Mikrometer verringert sich eine Maximal-Ausgangsspannung VDDmax infolge strengerer Anforderungen hinsichtlich einer Zuverlässigkeit.
Andererseits bleibt eine Grenzspannung von MOS-Transistoren, und damit auch die Minimal-Ausgangsspannung VDDmin, mehr oder weniger dieselbe, um Kanal-Leckage zu begrenzen.
Da die Spannungssteuerung innerhalb des dadurch begrenzten und verkleinerten vorgegebenen Spannungsbereichs (VDDmin-VDDmax) funktionieren muss, müssten die Schwankungsbereiche um die einzelnen vorgegebenen Werte (Vnom, Vdrop, Vclip) verringert werden, um ein Überlappen der Schwankungsbereiche zu verhindern.
Die US 10 545 523 B1 offenbart eine Lastschaltung, die einen Feldeffekttransistor aufweist, dessen Source mit einer Versorgungsschiene gekoppelt ist, ein Gate und einen Drain, der mit einem Gate eines Durchgangstransistors des LDO-Reglers gekoppelt ist, sowie eine einstellbare Spannungsquelle, die zwischen den Drain und das Gate des Feldeffekttransistors gekoppelt ist, und eine Spannungssteuerschaltung, die dazu konfiguriert ist, eine Änderung einer Stromlast durch den Durchgangstransistor zu erkennen und eine Spannung der einstellbaren Spannungsquelle einzustellen basierend auf der erkannten Änderung der aktuellen Last.
Die DE 10 2015 118 905 A1 offenbart einen Spannungsregler mit einem Versorgungsspannungseingang zum Anlegen einer Eingangs-Versorgungsspannung, einem Versorgungsspannungsausgang zum Ausgeben einer Ausgangs-Versorgungsspannung, einem ersten Feldeffekttransistor und einem zweiten Feldeffekttransistor, die seriell zwischen den Spannungsversorgungseingang und den Spannungsversorgungsausgang geschaltet sind, wobei der erste Feldeffekttransistor eine höhere Betriebsspannung hat als der zweite Feldeffekttransistor, und einen Regler, der eingerichtet ist, die Gate-Spannung des ersten Feldeffekttransistors und die Gate-Spannung des zweiten Feldeffekttransistors zum Regeln der Ausgangs-Versorgungsspannung basierend auf einer Referenzspannung einzustellen.
Die US 2009 / 0 302 812 A1 offenbart einen Spannungsregler, der einen ersten Verstärker umfasst, der eine erste Referenzspannung und eine Rückkopplungsspannung als Eingaben empfängt, einen zweiten Verstärker, der eine zweite Referenzspannung und einen Ausgang des ersten Verstärkers als Eingänge empfängt, eine Treiberkomponente, die mit dem zweiten Verstärker gekoppelt ist, um Strom basierend auf einer Ausgabe des zweiten Verstärkers zu einem Ausgang zu treiben, und eine Nebenschlusskomponente, die mit dem ersten Verstärker gekoppelt ist, um Strom von dem Ausgang basierend auf dem Ausgang des ersten Verstärkers abzuleiten.
Die DE 10 2017 102 499 A1 offenbart ein elektrisches Bauelement mit einer Leistungsversorgungsschaltung, die ausgebildet ist zum Bereitstellen einer ersten Spannung und zumindest einer zweiten Spannung, einer ersten und einer zweiten Verifizierungsschaltung und einer Kombinationsschaltung. Die erste Verifizierungsschaltung umfasst einen Eingangsanschluss für die erste Spannung und ist ausgebildet zum Herleiten einer ersten und einer zweiten inneren Spannung von der ersten Spannung, zum Vergleichen der ersten inneren Spannung mit der zweiten inneren Spannung und zum Erzeugen eines ersten Ausgangssignals basierend auf dem Vergleich der ersten inneren Spannung mit der zweiten inneren Spannung. Die zweite Verifizierungsschaltung weist einen ersten Eingangsanschluss für die erste Spannung und einen zweiten Eingangsanschluss für die zweite Spannung auf und ist ausgebildet zum Vergleichen der ersten Spannung mit der zweiten Spannung und zum Erzeugen eines zweiten Ausgangssignals basierend auf dem Vergleich der ersten Spannung mit der zweiten Spannung. Die Kombinationsschaltung ist ausgebildet zum Erzeugen eines dritten Ausgangssignals, wenn zumindest eines von dem ersten Ausgangssignal und dem zweiten Ausgangssignal anzeigt, dass zumindest eine von der ersten Spannung und der zweiten Spannung außerhalb eines vordefinierten Toleranzbereiches ist.
Die US 6 333 623 B1 offenbart einen Low-Drop-out-Spannungsregler, der eine Ausgangsstufe mit einer Durchlassvorrichtung und einer Entladevorrichtung aufweist, die in komplementären Spannungsfolgerkonfigurationen angeordnet sind, um sowohl Laststrom zu einem geregelten Ausgangsspannungsleiter zu speisen als auch Laststrom von diesem abzusenken, wobei die Durchlassvorrichtung und die Entladevorrichtung durch eine einzige Rückkopplungsschleife gesteuert werden.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein Spannungsregelschaltkreis bereitgestellt, bei welchem eine Regelgröße (auch als Regeltarget bezeichnet) für einen Low-Drop-Regler nicht aus einer Ausgangsspannung VDD abgeleitet wird, sondern aus einem Tastgrad (auch als Tastverhältnis oder Dutycycle bezeichnet) für einen Überspannungsschutz.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen wird ein tolerierbarer Spannungs-Schwankungsbereich von Schaltkreiselementen in einem Spannungsregelschaltkreis vergrößert und/oder ein von der Ausgangsspannung einzuhaltender Spannungsbereich (VDDmax-VDDmin) verkleinert, ohne die tolerierbaren Spannungs-Schwankungsbereiche der einzelnen Schaltkreiselemente wesentlich zu verkleinern, indem eine Anzahl von Grenzwerten, die für die Spannungsregelung bzw. -begrenzung genutzt werden, von drei auf zwei verringert wird.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann ein Grenzwert für eine obere oder untere Spannungsbegrenzung genutzt werden, um eine Regelgröße daraus abzuleiten. Damit kann auf eine Vorgabe eines Ziel-Spannungswerts, der im Stand der Technik auf einem mittels Widerständen erzeugten Feedbacksignal als Regelgröße basiert, verzichtet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert.
Es zeigen

1 Veranschaulichungen möglicher Werte für eine Ausgangsspannung, die von einem Spannungsregelschaltkreis bereitgestellt wird, links gemäß einem Stand der Technik und rechts gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
2 eine Schaltskizze eines Spannungsregelschaltkreises gemäß einem Stand der Technik;
3 eine Schaltskizze eines Spannungsregelschaltkreises gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
4 eine Schaltskizze eines Spannungsregelschaltkreises gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen;
5 eine Schaltskizze eines Spannungsregelschaltkreises gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen; und
6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Spannungsregelschaltkreises gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.

In der folgenden ausführlichen Beschreibung wird auf die beigefügten Zeichnungen Bezug genommen, die Teil dieser bilden und in denen zur Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen gezeigt sind, in denen die Erfindung ausgeübt werden kann. In dieser Hinsicht wird Richtungsterminologie wie etwa „oben“, „unten“, „vorne“, „hinten“, „vorderes“, „hinteres“, usw. mit Bezug auf die Orientierung der beschriebenen Figur(en) verwendet. Da Komponenten von Ausführungsformen in einer Anzahl verschiedener Orientierungen positioniert werden können, dient die Richtungsterminologie zur Veranschaulichung und ist auf keinerlei Weise einschränkend. Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Es versteht sich, dass die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen miteinander kombiniert werden können, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die folgende ausführliche Beschreibung ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert.
Im Rahmen dieser Beschreibung werden die Begriffe „verbunden“, „angeschlossen“ sowie „gekoppelt“ verwendet zum Beschreiben sowohl einer direkten als auch einer indirekten Verbindung, eines direkten oder indirekten Anschlusses sowie einer direkten oder indirekten Kopplung. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.
In 1 sind auf der rechten Seite mögliche Werte für eine Ausgangsspannung, die von einem Spannungsregelschaltkreis gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen bereitgestellt wird, veranschaulicht.
Wie oben erwähnt, kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein tolerierbarer Spannungs-Schwankungsbereich von Schaltkreiselementen in einem Spannungsregelschaltkreis vergrößert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein von der Ausgangsspannung einzuhaltender Spannungsbereich (VDDmax-VDDmin) verkleinert werden, ohne die tolerierbaren Spannungs-Schwankungsbereiche der einzelnen Schaltkreiselemente wesentlich zu verkleinern.
Beides unabhängig voneinander oder gemeinsam kann verwirklicht werden, indem eine Anzahl von Grenzwerten, die für die Spannungsregelung bzw. -begrenzung genutzt werden, von drei auf zwei verringert wird.
Das ist in 1 veranschaulicht.
In der linken Hälfte der 1 sind drei Grenzwerte dargestellt, welche typischerweise in einem Spannungsregelschaltkreis gemäß einem Stand der Technik, beispielsweise einem Spannungsregelschaltkreis 200, wie er in 2 anhand seiner Schaltskizze veranschaulicht ist, für eine Regelung der Ausgangsspannung VDD genutzt werden.
Bei dem Spannungsregelschaltkreis 200 gemäß einem Stand der Technik kann ein Regler 102 eingerichtet sein, eine Ausgangsspannung VDD des Spannungsregelschaltkreises 200 auf eine vorgegebene Soll-Spannung zu regeln. Dafür kann dem Regler 102 die Ausgangsspannung VDD über einen Spannungsteiler 106, der einen Spannungs-Referenzwert Vref vorgibt, zurückgeführt sein. Der geregelte Ausgang des Reglers 102 kann mit einem Schaltkreiselement 112 (z.B. einem so genannten Pass Device) gekoppelt sein und dieses so steuern, dass sich die gewünschte Ausgangsspannung VDD einstellt. Sollte VDD höher sein als die obere Grenzspannung Vclip, kann (z.B. mittels eines schaltbaren Durchgangselements 110) eine Stromsenke 108 aktiviert werden, um die Ausgangsspannung VDD zu senken.
Die drei Grenzwerte sind die nominelle Ausgangsspannung VDDnom als Zielgröße, eine obere Grenzspannung Vclip und eine untere Grenzspannung Vdrop (in 2 nicht veranschaulicht). Jeder dieser Grenzwerte weist, wie oben erläutert, eine Schwankungsbreite auf, wobei eine höchstmögliche obere Grenzspannung höchstens bei einer Maximal-Ausgangsspannung VDDmax liegen sollte, und eine kleinstmögliche untere Grenzspannung nicht unter einer Minimal-Ausgangsspannung VDDmin liegen sollte, um ein Funktionieren des Spannungsregelschaltkreises und/oder eines davon mit Spannung versorgten Schaltkreises zu ermöglichen oder sicherzustellen.
Eine Summe der Schwankungsbreiten ergibt eine (minimale) Breite (VDDmax-VDDmin) eines Wertebereichs, den VDD annehmen kann.
Wie das in 1 auf der rechten Seite dargestellte Ausführungsbeispiel veranschaulicht, ermöglicht ein Verzicht darauf, die nominelle Ausgangsspannung explizit vorzugeben, den Wertebereich, den VDD annehmen kann, gegenüber dem Stand der Technik zu verkleinern, obwohl die Schwankungsbreiten der beiden verbliebenen Grenzwerte Vclip und Vdrop gleich groß geblieben sind. Wird, wie im dargestellten Ausführungsbeispiel gezeigt, der Wert der Maximal-Ausgangsspannung VDDmax beibehalten, bedeutet das, dass der Wert der Minimal-Ausgangsspannung VDDmin angehoben werden kann, was für die von der Ausgangsspannung versorgten Schaltungsteile eine Erhöhung der Leistungsfähigkeit des Spannungsregelschaltkreises 300 bedeuten kann..
Umgekehrt kann bei einem Beibehalten des Werts der Minimal-Ausgangsspannung VDDmin der Wert der Maximal-Ausgangsspannung VDDmax abgesenkt werden.
Alternativ können (nicht dargestellt) die Schwankungsbreiten der beiden verbliebenen Grenzwerte Vclip und Vdrop vergrößert werden, was niedrigere Anforderungen an die entsprechenden Schaltkreiselemente ermöglicht.
Bei einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel können die obigen Ausführungsbeispiele kombiniert werden, um sowohl den Wertebereich zu verkleinern als auch die Schwankungsbreiten zu vergrößern.
Allgemeiner ausgedrückt kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen der verkleinerte Wertebereich, auf den VDD bringbar ist, ermöglichen, eine Position und tatsächliche Breite des Wertebereichs relativ zu den Spannungswerten VDDmax und VDDmin, welche die Ausgangsspannung VDD nicht über- bzw. unterschreiten sollte und welche durch Anforderungen an eine maximale Zuverlässigkeit des Spannungsregelschaltkreises (z.B. VDDmax als Überspannungsschutz) festgelegt sein können, festzulegen.
Vclip kann beispielsweise mittels eines Shunts verwirklicht werden, und Vdrop mittels eines Stoppers, der einen Taktsignalgeber stoppt, wenn die Ausgangsspannung VDD unter den unteren Spannungs-Grenzwert Vdrop fällt.
VDDnom wird in verschiedenen Ausführungsbeispielen nicht benötigt. Stattdessen kann VDD ausgehend von Vclip oder von Vdrop im Zielbereich zwischen VDDmin und VDDmax gehalten werden.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen, in denen Vclip genutzt wird, um VDD zwischen VDDmin und VDDmax zu halten, kann VDD typischerweise näher an Vclip als an Vdrop (und damit auch näher an VDDmax, insbesondere näher an VDDmax als an VDDmin) liegen. Anschaulich betrachtet kann in einem solchen Fall der obere Wert der Schwankungsbreite um die (indirekt vorgegebene) nominelle Ausgangsspannung VDDnom mit dem oberen Wert der Schwankungsbreite des oberen Spannungs-Grenzwerts Vclip, also mit VDDmax, zusammenfallen.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen, in denen Vdrop genutzt wird, um VDD zwischen VDDmin und VDDmax zu halten, kann VDD typischerweise näher an Vdrop als an Vclip (und damit auch näher an VDDmin, insbesondere näher an VDDmin als an VDDmax) liegen. Anschaulich betrachtet kann in einem solchen Fall der untere Wert der Schwankungsbreite um die (indirekt vorgegebene) nominelle Ausgangsspannung VDDnom mit dem unteren Wert der Schwankungsbreite des unteren Spannungs-Grenzwerts Vdrop, also mit VDDmin, zusammenfallen.
Jede von 3 und 4 zeigt eine Schaltskizze eines Spannungsregelschaltkreises 300 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, bei welchen Vclip genutzt wird, um die Ausgangsspannung VDD zu regeln.
Der Spannungsregelschaltkreis 300 kann einen Umsetzungs-Schaltkreis 106 (z.B. einen Tiefpass) aufweisen, der eingerichtet ist, eine Spannungspulssequenz in eine gefilterte Analogspannung umzusetzen. Der Umsetzungs-Schaltkreis 106 kann somit als D/A-Wandler wirken.
Dabei kann die Spannungspulssequenz - und dementsprechend auch die gefilterte Analogspannung - eine vorgegebene Betriebs-Begrenzungsspannung Vclip repräsentieren, auch wenn, wie im in 3 und 4 veranschaulichten Ausführungsbeispiel die Spannungspulssequenz vor der Umsetzung mittels eines Inverters 330 invertiert wird.
Der Spannungsregelschaltkreis 300 kann ferner einen Regler 102, beispielsweise einen Regelverstärker, aufweisen, der eingerichtet sein kann, die gefilterte Analogspannung als Regelgröße zu empfangen und eine Ausgangsspannung des Spannungsregelschaltkreises 300 auf eine vorgegebene Soll-Spannung zu regeln.
Bei den Spannungsregelschaltkreisen 300 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen kann (im Vergleich zum Spannungsregelschaltkreis 200 gemäß dem Stand der Technik) eine Regelgröße nicht mehr an der Ausgangsspannung VDD abgegriffen werden, sondern die Regelgröße kann aus einem oberen Spannungs-Grenzwert Vclip abgeleitet werden, indem ein Tastgrad, der Vclip als digitales Signal repräsentiert, einem Tiefpassfilter 106 zugeführt wird, der den Tastgrad in eine analoge Spannung wandelt, welche dem Regler 102 als Regelgröße zugeführt wird (mittels der Rückführung 220).
Ein Vergleichswert für den Regler 102, der eine analoge Entsprechung eines Ziel-Tastgrads bilden kann, kann mittels der einem Spannungsteiler 332 zugeführten Ausgangsspannung VDD bereitgestellt werden.
Die vorgegebene Soll-Spannung kann zwischen der oberen Begrenzungsspannung Vclip und einer unteren Begrenzungsspannung Vdrop liegen, wobei die vorgegebene Soll-Spannung näher an der oberen Begrenzungsspannung Vclip liegen kann als an der unteren Begrenzungsspannung Vdrop.
Der geregelte Ausgang des Reglers 102 kann mit einem Schaltkreiselement (Pass Device, z.B. einem MOSFET) 112, das mit einer externen Spannung VDDP verbunden ist, gekoppelt sein und dieses so steuern, dass sich die gewünschte Ausgangsspannung VDD einstellt.
Das Ausgangssignal des Reglers 102 kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen mittels eines Kondensators 114 gemittelt werden.
Das Ausgangssignal kann ferner in verschiedenen Ausführungsbeispielen einem Gate des MOSFET 112 zugeführt werden, um einen Strom durch das Schaltkreiselement 112 zu steuern.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist der Spannungsregelschaltkreis 300 ferner einen Überspannungs-Schutzschaltkreis 104, 110, 108 auf, der eingerichtet ist, die Ausgangsspannung VDD mit der oberen Begrenzungsspannung Vclip zu vergleichen (in einem Komparator 104) und die Spannungspulssequenz als Vergleichsergebnis (in Form des Tastgrads) auszugeben.
Der Tastgrad kann einem Verhältnis der oberen Begrenzungsspannung Vclip und der Ausgangsspannung VDD zueinander entsprechen. Bei Überschreiten der oberen Begrenzungsspannung Vclip kann die Spannungspulssequenz (das Tastgrad-Signal) genutzt werden, um die Ausgangsspannung VDD mit einer Stromsenke 108 zu verbinden.
Dafür kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen, z.B. mittels eines schaltbaren Durchgangselements 110, z.B. eines MOSFETS) eine Stromsenke 108 aktiviert werden, um die Ausgangsspannung VDD zu senken.
Die obere Begrenzungsspannung Vclip (und ggf. die von außen zugeführte Versorgungsspannung VDDP) können so eingerichtet sein, dass die Ausgangsspannung VDD im Mittel für einen vorgegebenen Prozentsatz größer 0% und kleiner 100%, beispielsweise zwischen 1% und 90%, beispielsweise zwischen 10% und 80%, beispielsweise zwischen 20% und 50% einer Betriebsdauer des Spannungsregelschaltkreises 300 mit der Stromsenke 108 verbunden ist.
Während 3 im Wesentlichen ein Funktionsprinzip des Spannungsregelschaltkreises 300 anhand eines groben Schemas erläutert, veranschaulicht 4 ein detaillierteres Ausführungsbeispiel.
Das Schaltkreiselement 112 (Pass Device) kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Hochspannungs-NMOS-Transistor sein, beispielsweise ein N-Kanal-Transistor, dessen einer Anschluss (z.B. Drain D) mit der externen Spannungsversorgung VDDP gekoppelt sein kann und die Ausgangsspannung VDD an einem weiteren seiner Anschlüsse (z.B. Source S) bereitstellen kann.
Die Regelgröße wird von dem Tastgrad des Clip-Signals gebildet. Anders ausgedrückt wird der Tastgrad oder ein davon abgeleiteter Wert dem Regler 102 als Regelgröße zugeführt.
Der (als analoges Signal dem Regler 102 zugeführte) Tastgrad zeigt einen VDD-Wert an, der höher als ein Referenzwert Vref ist, welcher von der Ausgangsspannung VDD nicht überschritten werden sollte. Die obere Begrenzungsspannung Vclip der Ausgangsspannung VDD wird durch einen Strom durch eine Spannungssenke (Shunt) 108 begrenzt, welche einen definierten Strom abführt, wenn der Clip aktiv ist. Der abgeführte Strom kann konstant sein oder in Abhängigkeit von unterschiedlichen Betriebspunkten und/oder Bedingungen variiert werden.
Das Ausführungsbeispiel zeigt ferner einen niedrigen Biasstrom, der mit Iclipschwach bezeichnet ist, welcher abgeführt wird, wenn VDD höher als Vref ist.
Um einen Laststrom freizusetzen, kann der schwache Clip einen zusätzlichen starken Shunt aktivieren, um eine Überspannung zu verhindern.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen kann die Stromsenke 110 als Stromspiegel gebildet sein. Das ist beispielhaft in 4 dargestellt. In 4 bezeichnet m eine Anzahl von Fingern des Regeltransistors. Unter der Annahme, dass der Ausspiegler nur einen Finger hat ergibt sich damit ein Verhältnis 1/m für die Anzahl der Finger in den beiden Strompfaden, und somit auch für das Stromverhältnis, wie es für Iclipschwach in 4 angegeben ist.
In einem Gleichgewichtszustand liefert der schnelle Vclip-Komparator 104 ein digitales Vclip-Signal hoher Frequenz. Dieses Signal kann mittels eines Tiefpassfilters 106 gefiltert werden, um eine analoge Repräsentation des Tastgrads des Clip-Signals zu erzeugen.
Dieses analoge Signal wird als Regelgröße verwendet. Deshalb wird bzw. ist der Tastgrad des Clip-Signals im Gleichgewichtszustand durch die Regelschleife definiert.
Als zusätzliches Bauelement ist im Ausführungsbeispiel aus 4 eine Ladungspumpe 440 vorgesehen, die als „UP“ (für „nach oben“) und „DN“ (für „nach unten“) anzeigt, in welche Richtung eine Steuerung als eine Funktion des Unterschieds zwischen dem aktuellen und dem angestrebten Clip-Tastgrad zu erfolgen hat.
5 zeigt eine Schaltskizze eines Spannungsregelschaltkreises 500 gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen, bei welchen Vdrop genutzt wird, um die Ausgangsspannung VDD zu regeln.
Eine grundsätzliche Funktionalität des Spannungsregelschaltkreises 500 ist, wie oben im allgemeinen Teil beschrieben, ähnlich wie die der Spannungsregelschaltkreise 300, und viele Schaltkreiselemente und Funktionalitäten sind ähnlich oder identisch zu denen, die für die Spannungsregelschaltkreise 300 beschrieben sind, so dass hier größtenteils auf Wiederholungen verzichtet wird.
Ein Unterschied zwischen dem Spannungsregelschaltkreis 500 und den Spannungsregelschaltkreisen 300 besteht darin, dass die Referenzspannung Vref, die dem Komparator 104 bereitgestellt wird zum Vergleichen mit VDD, der unteren Begrenzungsspannung Vdrop entspricht, und nicht der oberen Begrenzungsspannung Vclip.
In verschiedenen Ausführungsbeispielen weist der Spannungsregelschaltkreis 500 ferner einen Unterspannungs-Schutzschaltkreis 104, 108 auf, der eingerichtet ist, die Ausgangsspannung VDD mit der unteren Begrenzungsspannung Vdrop zu vergleichen (in einem Komparator 104) und die Spannungspulssequenz als Vergleichsergebnis (in Form des Tastgrads) auszugeben.
Der Tastgrad kann einem Verhältnis der unteren Begrenzungsspannung Vdrop und der Ausgangsspannung VDD zueinander entsprechen. Bei Unterschreiten der unteren Begrenzungsspannung Vdrop kann die Spannungspulssequenz (das Tastgrad-Signal) genutzt werden, um die Ausgangsspannung VDD wieder zu erhöhen.
Um das zu ermöglichen, kann in verschiedenen Ausführungsbeispielen ein Taktsignalgeber (Clock) 550, der die Ausgangsspannung VDD regelmäßig mit einer Stromsenke 108 verbindet, als Teil des Spannungsregelschaltkreises 500 bereitgestellt sein. Wird im Komparator 104 ermittelt, dass VDD die untere Begrenzungsspannung Vdrop unterschreitet, kann das Ausgangssignal des Komparators 104 einem Unterbrecher (oder Verzögerer) 554 zugeführt werden, der eingerichtet sein kann, den Taktsignalgeber 550 zu stoppen oder zumindest zu verzögern. Dadurch wird die Ausgangsspannung VDD weniger häufig oder gar nicht mehr mit der Stromsenke 108 verbunden und kann wieder ansteigen.
Die Stromsenke 108 in 5 ist eine Modelldarstellung für den Stromverbrauch einer getakteten Schaltung, deren Stromverbrauch relevant vom Takt abhängt (e.g. CPU).
Die untere Begrenzungsspannung Vdrop (und ggf. die von außen zugeführte Versorgungsspannung VDDP) können so eingerichtet sein, dass die Ausgangsspannung VDD im Mittel für einen vorgegebenen Prozentsatz größer 0% und kleiner 100%, beispielsweise zwischen 1% und 90%, beispielsweise zwischen 10% und 80%, beispielsweise zwischen 20% und 50% einer Betriebsdauer des Spannungsregelschaltkreises 500 mit der Stromsenke 108 verbunden ist.
Der Tastgrad kann beim Spannungsregelschaltkreis 500, ähnlich wie bei den Spannungsregelschaltkreisen 300, dem Regler 102 als Regelgröße zugeführt werden. Auch hier kann der Tastgrad mittels eines D/A-Wandlers zu einem analogen Signal (einer Spannung) vor dem Bereitstellen an den Regler 102 gewandelt werden, allerdings kann auf ein Invertieren verzichtet werden.
Eine Verarbeitung der Regelgröße kann im Wesentlichen genauso wie oben für die Spannungsregelschaltkreise 300 beschrieben erfolgen, nämlich indem das Ausgangssignal des Reglers 102 einem Schaltkreiselement 112 (z.B. einem so genannten Pass Device) zugeführt wird und dieses so steuert, dass sich die gewünschte Ausgangsspannung VDD einstellt.
6 ein Flussdiagramm 600 eines Verfahrens zum Betreiben eines Spannungsregelschaltkreises gemäß verschiedenen Ausführungsbeispielen.
Das Verfahren weist ein Umsetzen einer Spannungspulssequenz in eine gefilterte Analogspannung, wobei die Spannungspulssequenz eine vorgegebene Betriebs-Begrenzungsspannung repräsentiert (bei 610), ein Empfangen der gefilterten Analogspannung als Regelgröße in einem Regler (bei 620) und ein Regeln einer Ausgangsspannung des Spannungsregelschaltkreises auf eine vorgegebene Soll-Spannung (330) auf.
Im Folgenden werden zusammenfassend einige Ausführungsbeispiele angegeben.
Ausführungsbeispiel 1 ist ein Spannungsregelschaltkreis. Der Spannungsregelschaltkreis weist einen Umsetzungs-Schaltkreis, der eingerichtet ist, eine Spannungspulssequenz in eine gefilterte Analogspannung umzusetzen, wobei die Spannungspulssequenz eine vorgegebene Betriebs-Begrenzungsspannung repräsentiert, und einen Regler auf, der eingerichtet ist, die gefilterte Analogspannung als Regelgröße zu empfangen und eine Ausgangsspannung des Spannungsregelschaltkreises auf eine vorgegebene Soll-Spannung zu regeln.
Ausführungsbeispiel 2 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß Ausführungsbeispiel 1, wobei der Umsetzungs-Schaltkreis einen Tiefpassfilter aufweist.
Ausführungsbeispiel 3 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß Ausführungsbeispiel 1 oder 2, wobei die vorgegebene Betriebs-Begrenzungsspannung eine obere Begrenzungsspannung ist.
Ausführungsbeispiel 4 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß Ausführungsbeispiel 3, wobei der Umsetzungs-Schaltkreis einen Inverter aufweist.
Ausführungsbeispiel 5 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß Ausführungsbeispiel 4, welcher ferner einen Überspannungs-Schutzschaltkreis aufweist, der eingerichtet ist, die Ausgangsspannung mit der oberen Begrenzungsspannung zu vergleichen und die Spannungspulssequenz als Vergleichsergebnis auszugeben.
Ausführungsbeispiel 6 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß Ausführungsbeispiel 5, wobei die Spannungspulssequenz einem Tastgrad entspricht, der einem Verhältnis der oberen Begrenzungsspannung und der Ausgangsspannung zueinander entspricht.
Ausführungsbeispiel 7 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß Ausführungsbeispiel 5 oder 6, welcher ferner eingerichtet ist, bei Überschreiten der oberen Begrenzungsspannung mittels der Spannungspulssequenz die Ausgangsspannung mit einer Stromsenke zu verbinden.
Ausführungsbeispiel 8 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß Ausführungsbeispiel 7, wobei die obere Begrenzungsspannung so eingerichtet ist, dass die Ausgangsspannung im Mittel für einen vorgegebenen Prozentsatz größer 0% und kleiner 100% einer Betriebsdauer des Spannungsregelschaltkreises mit der Stromsenke verbunden ist.
Ausführungsbeispiel 9 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß einem der Ausführungsbeispiele 3 bis 8, wobei die vorgegebene Soll-Spannung zwischen der oberen Begrenzungsspannung und einer unteren Begrenzungsspannung liegt.
Ausführungsbeispiel 10 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß Ausführungsbeispiel 9, wobei die vorgegebene Soll-Spannung näher an der oberen Begrenzungsspannung als an der unteren Begrenzungsspannung liegt.
Ausführungsbeispiel 11 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß Ausführungsbeispiel 1 oder 2, wobei die vorgegebene Begrenzungsspannung eine untere Begrenzungsspannung ist.
Ausführungsbeispiel 12 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß Ausführungsbeispiel 11, welcher ferner einen Unterspannungs-Schutzschaltkreis aufweist, der eingerichtet ist, die Ausgangsspannung mit der unteren Begrenzungsspannung zu vergleichen und die Spannungspulssequenz als Vergleichsergebnis auszugeben.
Ausführungsbeispiel 13 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß Ausführungsbeispiel 5, wobei die Spannungspulssequenz einem Tastgrad entspricht, der einem Verhältnis der unteren Begrenzungsspannung und der Ausgangsspannung zueinander entspricht.
Ausführungsbeispiel 14 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß Ausführungsbeispiel 12 oder 13, welcher ferner einen Taktsignalgeber und eine Stromsenke aufweist, wobei der Taktsignalgeber eingerichtet ist, ein Taktsignal bereitzustellen zum getakteten Verbinden der Ausgangsspannung mit der Stromsenke.
Ausführungsbeispiel 15 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß Ausführungsbeispiel 14, welcher ferner eingerichtet ist, bei Unterschreiten der unteren Begrenzungsspannung mittels der Spannungspulssequenz den Taktsignalgeber anzuhalten, um das Verbinden der Ausgangsspannung mit der Stromsenke zu unterbinden.
Ausführungsbeispiel 16 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß einem der Ausführungsbeispiele 11 bis 15, wobei die vorgegebene Soll-Spannung zwischen der unteren Begrenzungsspannung und einer oberen Begrenzungsspannung liegt.
Ausführungsbeispiel 17 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß Ausführungsbeispiel 16, wobei die vorgegebene Soll-Spannung näher an der unteren Begrenzungsspannung als an der oberen Begrenzungsspannung liegt.
Ausführungsbeispiel 18 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß einem der Ausführungsbeispiele 1 bis 17, welcher ferner einen Stromspiegel aufweist, der eingerichtet ist, die Ausgangsspannung auszugeben.
Ausführungsbeispiel 19 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß Ausführungsbeispiel 7, welcher ferner eine Stromsenke aufweist, die eingerichtet ist, einen Strom in Abhängigkeit vom aktuellen Laststrom des Spannungsregelschaltkreises zu senken.
Ausführungsbeispiel 20 ist ein Spannungsregelschaltkreis gemäß Ausführungsbeispiel 19, wobei die Stromsenke mittels eines Stromspiegels gebildet ist.
Ausführungsbeispiel 21 ist ein Verfahren zum Betreiben eines Spannungsregelschaltkreises. Das Verfahren weist ein Umsetzen einer Spannungspulssequenz in eine gefilterte Analogspannung, wobei die Spannungspulssequenz eine vorgegebene Betriebs-Begrenzungsspannung repräsentiert, ein Empfangen der gefilterten Analogspannung als Regelgröße in einem Regler und ein Regeln einer Ausgangsspannung des Spannungsregelschaltkreises auf eine vorgegebene Soll-Spannung auf.
Ausführungsbeispiel 22 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 21, wobei das Umsetzen Tiefpassfiltern aufweist.
Ausführungsbeispiel 23 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 21 oder 22, wobei die vorgegebene Betriebs-Begrenzungsspannung eine obere Begrenzungsspannung ist.
Ausführungsbeispiel 24 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 23, wobei das Umsetzen Invertieren aufweist.
Ausführungsbeispiel 25 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 23 oder 24, welches ferner ein Vergleichen der Ausgangsspannung mit der oberen Begrenzungsspannung und ein Ausgeben der Spannungspulssequenz als Vergleichsergebnis aufweist.
Ausführungsbeispiel 26 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 25, wobei die Spannungspulssequenz einem Tastgrad entspricht, der einem Verhältnis der oberen Begrenzungsspannung und der Ausgangsspannung zueinander entspricht.
Ausführungsbeispiel 27 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 25 oder 26, welches ferner bei Überschreiten der oberen Begrenzungsspannung ein Verbinden der Ausgangsspannung mit einer Stromsenke aufweist.
Ausführungsbeispiel 28 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 27, wobei die obere Begrenzungsspannung so eingerichtet ist, dass die Ausgangsspannung im Mittel für einen vorgegebenen Prozentsatz größer 0% und kleiner 100% einer Betriebsdauer des Spannungsregelschaltkreises mit der Stromsenke verbunden ist.
Ausführungsbeispiel 29 ist ein Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele 23 bis 28, wobei die vorgegebene Soll-Spannung zwischen der oberen Begrenzungsspannung und einer unteren Begrenzungsspannung liegt.
Ausführungsbeispiel 30 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 29, wobei die vorgegebene Soll-Spannung näher an der oberen Begrenzungsspannung als an der unteren Begrenzungsspannung liegt.
Ausführungsbeispiel 31 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 21 oder 22, wobei die vorgegebene Begrenzungsspannung eine untere Begrenzungsspannung ist.
Ausführungsbeispiel 32 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 31, welches ferner aufweist, die Ausgangsspannung mit der unteren Begrenzungsspannung zu vergleichen und die Spannungspulssequenz als Vergleichsergebnis auszugeben.
Ausführungsbeispiel 33 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 32, wobei die Spannungspulssequenz einem Tastgrad entspricht, der einem Verhältnis der unteren Begrenzungsspannung und der Ausgangsspannung zueinander entspricht.
Ausführungsbeispiel 34 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 32 oder 33, welches ferner ein Bereitstellen eines Taktsignals und ein getaktetes Verbinden der Ausgangsspannung mit einer Stromsenke aufweist.
Ausführungsbeispiel 35 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 34, welches ferner bei Unterschreiten der unteren Begrenzungsspannung, Anhalten des Taktsignalgebers, um das Verbinden der Ausgangsspannung mit der Stromsenke zu unterbinden.
Ausführungsbeispiel 36 ist ein Verfahren gemäß einem der Ausführungsbeispiele 31 bis 35, wobei die vorgegebene Soll-Spannung zwischen der unteren Begrenzungsspannung und einer oberen Begrenzungsspannung liegt.
Ausführungsbeispiel 37 ist ein Verfahren gemäß Ausführungsbeispiel 36, wobei die vorgegebene Soll-Spannung näher an der unteren Begrenzungsspannung als an der oberen Begrenzungsspannung liegt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Vorrichtung ergeben sich aus der Beschreibung des Verfahrens und umgekehrt.

Claims

Spannungsregelschaltkreis (300, 500), aufweisend: • einen Umsetzungs-Schaltkreis (106), der eingerichtet ist, eine Spannungspulssequenz in eine gefilterte Analogspannung umzusetzen, wobei die Spannungspulssequenz eine vorgegebene Betriebs-Begrenzungsspannung repräsentiert; und • einen Regler (102), der eingerichtet ist, die gefilterte Analogspannung als Regelgröße zu empfangen und eine Ausgangsspannung (VDD) des Spannungsregelschaltkreises (300, 500) auf eine vorgegebene Soll-Spannung zu regeln.
Spannungsregelschaltkreis (300, 500) gemäß Anspruch 1, wobei der Umsetzungs-Schaltkreis (106) einen Tiefpassfilter aufweist.
Spannungsregelschaltkreis (300) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die vorgegebene Betriebs-Begrenzungsspannung eine obere Begrenzungsspannung (Vclip) ist.
Spannungsregelschaltkreis (300) gemäß Anspruch 3, wobei der Umsetzungs-Schaltkreis (106) einen Inverter (552) aufweist.
Spannungsregelschaltkreis (300) gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, ferner aufweisend: einen Überspannungs-Schutzschaltkreis, der eingerichtet ist, die Ausgangsspannung (VDD) mit der oberen Begrenzungsspannung (Vclip) zu vergleichen und die Spannungspulssequenz als Vergleichsergebnis auszugeben.
Spannungsregelschaltkreis (300) gemäß Anspruch 5, wobei die Spannungspulssequenz einem Tastgrad entspricht, der einem Verhältnis der oberen Begrenzungsspannung (Vclip) und der Ausgangsspannung (VDD) zueinander entspricht.
Spannungsregelschaltkreis (300) gemäß Anspruch 5 oder 6, ferner eingerichtet, bei Überschreiten der oberen Begrenzungsspannung (Vclip) mittels der Spannungspulssequenz die Ausgangsspannung (VDD) mit einer Stromsenke (108) zu verbinden.
Spannungsregelschaltkreis (300) gemäß Anspruch 7, wobei die obere Begrenzungsspannung (Vclip) so eingerichtet ist, dass die Ausgangsspannung (VDD) im Mittel für einen vorgegebenen Prozentsatz größer 0% und kleiner 100% einer Betriebsdauer des Spannungsregelschaltkreises (300) mit der Stromsenke (108) verbunden ist.
Spannungsregelschaltkreis (300) gemäß einem der Ansprüche 3 bis 8, wobei die vorgegebene Soll-Spannung zwischen der oberen Begrenzungsspannung (Vclip) und einer unteren Begrenzungsspannung liegt.
Spannungsregelschaltkreis (300) gemäß Anspruch 9, wobei die vorgegebene Soll-Spannung näher an der oberen Begrenzungsspannung (Vclip) als an der unteren Begrenzungsspannung liegt.
Spannungsregelschaltkreis (500) gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die vorgegebene Begrenzungsspannung eine untere Begrenzungsspannung (Vdrop) ist.
Spannungsregelschaltkreis (500) gemäß Anspruch 11, ferner aufweisend: einen Unterspannungs-Schutzschaltkreis (104, 554, 550), der eingerichtet ist, die Ausgangsspannung (VDD) mit der unteren Begrenzungsspannung (Vdrop) zu vergleichen und die Spannungspulssequenz als Vergleichsergebnis auszugeben.
Spannungsregelschaltkreis (300, 500) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12, ferner aufweisend: einen Stromspiegel (440), der eingerichtet ist, die Ausgangsspannung (VDD) auszugeben.
Spannungsregelschaltkreis (300) gemäß Anspruch 7, wobei die Stromsenke (108) eingerichtet ist, einen Strom in Abhängigkeit vom aktuellen Laststrom des Spannungsregelschaltkreises (300) zu senken.
Spannungsregelschaltkreis (300) gemäß Anspruch 14, wobei die Stromsenke (108) mittels eines Stromspiegels (440) gebildet ist.
Verfahren zum Betreiben eines Spannungsregelschaltkreises, das Verfahren aufweisend: • Umsetzen einer Spannungspulssequenz in eine gefilterte Analogspannung, wobei die Spannungspulssequenz eine vorgegebene Betriebs-Begrenzungsspannung repräsentiert; • Empfangen der gefilterten Analogspannung als Regelgröße in einem Regler; und • Regeln einer Ausgangsspannung des Spannungsregelschaltkreises auf eine vorgegebene Soll-Spannung.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei das Umsetzen Tiefpassfiltern aufweist.
Verfahren gemäß Anspruch 16 oder 17, wobei die vorgegebene Betriebs-Begrenzungsspannung eine obere Begrenzungsspannung ist.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei das Umsetzen Invertieren aufweist.