DE102022102142A1

DE102022102142A1 - Techniken für eine lineare steuerung eines induktorstromnebenschlusses zur milderung von lastabwurftransienten in dc-dc-reglern

Info

Publication number: DE102022102142A1
Application number: DE102022102142.4A
Authority: DE
Inventors: Eko Lisuwandi; Jinhuang Lu; Mark Robert Vitunic
Original assignee: Analog Devices Inc
Current assignee: Analog Devices Inc
Priority date: 2021-02-15
Filing date: 2022-01-31
Publication date: 2022-08-18
Also published as: US11394301B1; CN114944753A

Abstract

Für Induktor-basierte DC-DC-Wandler kann ein Stromnebenschlussschalter einen alternativen Pfad liefern, damit der Induktorstrom fließen kann, der den Ausgangskondensator nicht enthält. Eine Verstärkerschaltung kann enthalten und mit einem Steuerknoten des Stromnebenschlussschalters gekoppelt sein, um eine Spannung an dem Steuerknoten zu verstellen, um eine von dem Ausgangsknoten weg gelenkte Menge an Induktorstrom zu steuern. Eine schnelle lineare Schleife kann enthalten sein, um glatte Übergänge sicherzustellen, wenn der Stromnebenschlussschalter eingeschaltet oder ausgeschaltet wird. Diese Techniken können das Ausmaß und die Dauer des nachfolgenden negativen Ausgangsspannungsausschlags minimieren, was von den spezifischen ESL- und ESR-Werten des Ausgangsspannungskondensators abhängen kann, für die Fälle, wenn der finale Wert der Untersetzungslasttransiente nicht null ist. Diese Techniken können eine durch eine Ausgangslasttransiente verursachte positive Ausgangsspannungsantwort in der negativen Richtung verbessern.

Description

FELD DER OFFENBARUNG
Dieses Dokument betrifft Reglerschaltungen und insbesondere das Mildern von Ausgangstransienten in Gleichstrom-Gleichstrom- (DC-DC-) Reglerschaltungen.
HINTERGRUND
Reglerschaltungen können verwendet werden, um aus einem Schaltungseingang einen geregelten Ausgang zu erzeugen. Beispielsweise verwendet eine Hochsetzspannungsreglerschaltung eine Eingangsspannung, um eine geregelte Ausgangsspannung zu erzeugen, die kleiner ist als die Eingangsspannung, und eine Tiefsetzreglerschaltung erzeugt eine geregelte Ausgangsspannung, die größer ist als die Eingangsspannung. Das Schalten wird verwendet, um einen Induktor der Schaltungen zu laden und zu entladen, um einen geregelten Ausgang zu erzeugen. In diesen Arten von Schaltungen und auch in nicht auf einem Induktor basierenden Reglerschaltungen kann ein Ausgangslaststromtransient zu einem unerwünschten Spannungstransienten auf der geregelten Ausgangsspannung führen.
KURZE DARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
Für Induktor-basierte DC-DC-Wandler kann ein Stromnebenschlussschalter einen alternativen Weg für das Fließen des Induktorstroms bereitstellen, der den Ausgangskondensator nicht enthält. Eine Verstärkerschaltung kann enthalten und mit einem Steuerknoten des Stromnebenschlussschalters gekoppelt sein, um eine Spannung an dem Steuerknoten zu verstellen, um einen von dem Ausgangsknoten weg gelenkte Menge an Induktorstrom zu steuern. Eine schnelle lineare Schleife kann enthalten sein, um glatte Übergänge beim Einschalten oder Ausschalten des Stromnebenschlussschalters sicherzustellen. Diese Techniken können die Menge und Dauer des nachfolgenden negativen Ausgangspannungsausschlags minimieren, der von den spezifischen ESL- und ESR-Werten des Ausgangsspannungskondensators abhängen kann, für die Fälle, wenn der Endwert der Untersetzungslasttransienten nicht null beträgt. Diese Techniken können eine durch eine Ausgangslasttransiente in der negativen Richtung verursachte positive Ausgangsspannungsantwort verbessern.
In einigen Aspekten betrifft diese Offenbarung eine Spannungsreglerschaltung, umfassend: einen Schaltkreis zum Verstellen eines Schalttastverhältnisses zum Regeln einer Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten der Spannungsreglerschaltung unter Verwendung eines Fehlersignals, das eine Differenz zwischen einem Zielspannungswert und der Ausgangsspannung darstellt; einen Induktor, der mit dem Schaltkreis gekoppelt und ausgelegt ist zum Liefern eines Induktorstroms an den Ausgangsknoten; einen Nebenschlusskreis, der parallel zu dem Induktor gekoppelt ist, wobei der Nebenschlusskreis den Induktorstrom von dem Ausgangsknoten wegleitet, wenn die Ausgangsspannung eine spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt, wobei der Nebenschlusskreis einen Nebenschlussschalter enthält, der parallel zu dem Induktor gekoppelt ist, wobei der Nebenschlussschalter einen Steuerknoten enthält; und eine Nebenschlusskreis-Steuerschaltung, die eine Verstärkerschaltung und eine Vergleicherschaltung enthält, wobei die Verstärkerschaltung einen Ausgang aufweist, der mit dem Steuerknoten des Nebenschlussschalters gekoppelt ist, wobei die Vergleicherschaltung die Ausgangsspannung mit der spezifizierten maximalen Ausgangsspannung und einer Zielspannung unter der spezifizierten maximalen Ausgangsspannung vergleichen soll, die Verstärkerschaltung freigeben soll, wenn die Ausgangsspannung die spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt, um eine Spannung an dem Steuerknoten des Nebenschlusskreises zu verstellen, um eine Menge des von dem Ausgangsknoten weggelenkten Induktorstroms zu steuern, und um die Verstärkerschaltung nach dem Freigeben des Nebenschlussschalters zu sperren, wenn die Ausgangsspannung zu der Zielspannung abnimmt.
In einigen Aspekten betrifft diese Offenbarung ein Verfahren zum Betreiben einer Spannungsreglerschaltung, wobei das Verfahren umfasst: Aktivieren und Deaktivieren eines Schalterstromkreises zum Laden und Entladen eines Induktors zum Erzeugen einer Ausgangsspannung und Liefern eines Induktorstroms an einen Ausgangsknoten der Spannungsreglerschaltung; Verstellen eines Schalttastverhältnisses des Schalterstromkreises zum Regeln der Ausgangsspannung unter Verwendung eines Fehlersignals, das eine Differenz zwischen einem Zielspannungswert und der Ausgangsspannung darstellt; Vergleichen der Ausgangsspannung mit einem spezifizierten maximalen Ausgangswert; und Verstellen, durch Verwenden des Vergleichs der Ausgangsspannung mit der spezifizierten maximalen Ausgangsspannung, einer Spannung an einem Steuerknoten eines Nebenschlussschalters, um eine Menge des von dem Ausgangsknoten weggelenkten Induktorstroms zu steuern, wenn die Ausgangsspannung eine spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt.
In einigen Aspekten betrifft die vorliegende Offenbarung eine Spannungsreglerschaltung, umfassend: eine Treiberschaltung zum Aktivieren und Deaktivieren eines Schalterstromkreises zum Laden und Entladen eines Induktors zum Erzeugen einer Ausgangsspannung und Liefern eines Induktorstroms an einen Ausgangsknoten der Spannungsreglerschaltung, wobei die Treiberschaltung eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten der Spannungsreglerschaltung unter Verwendung eines Fehlersignals regeln soll, das eine Differenz zwischen einem Zielspannungswert und der Ausgangsspannung darstellt; Mittel zum Vergleichen der Ausgangsspannung mit einer spezifizierten maximalen Ausgangsspannung; und Mittel zum Verstellen, unter Verwendung des Vergleichs der Ausgangsspannung mit der spezifizierten maximalen Ausgangsspannung, einer Spannung an einem Steuerknoten eines Nebenschlussschalters, um eine Menge des von dem Ausgangsknoten weggelenkten Induktorstroms zu steuern, wenn die Ausgangsspannung eine spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt.
Figurenliste
In den Zeichnungen, die nicht notwendigerweise maßstabsgetreu gezeichnet sind, können gleiche Zahlen in verschiedenen Ansichten ähnliche Komponenten beschreiben. Gleiche Zahlen mit unterschiedlichen Buchstabensuffixen können verschiedene Instanzen von ähnlichen Komponenten darstellen. Die Zeichnungen veranschaulichen allgemein, beispielhaft, aber nicht als Beschränkung, verschiedene in dem vorliegenden Dokument erörterte Ausführungsformen.

1 ist ein Schemadiagramm eines Beispiels einer Spannungsreglerschaltung.
2 veranschaulicht Strom- und Spannungswellenformen für die Spannungsreglerschaltung von 1, wenn diese einem Lastabwurf unterzogen wird.
3 ist ein Schemadiagramm eines weiteren Beispiels einer Spannungsreglerschaltung.
4 veranschaulicht Strom- und Spannungswellenformen für die Spannungsreglerschaltung von 3, wenn diese einem Lastabwurf unterzogen wird.
5 veranschaulicht Strom- und Spannungswellenformen für die Spannungsreglerschaltung von 3, wenn diese einem Teillastabwurf unterzogen wird.
6 ist ein Schemadiagramm eines Beispiels der Spannungsreglerschaltung von 3 mit ESR in dem Ausgangskondensator.
7 veranschaulicht Strom- und Spannungswellenformen für die Spannungsreglerschaltung von 6, wenn diese einem Teillastabwurf unterzogen wird.
8 ist ein Schemadiagramm eines Beispiels einer Spannungsreglerschaltung, die verschiedene Techniken der vorliegenden Offenbarung umsetzen kann.
9 veranschaulicht Strom und Spannungswellenformen für die Spannungsreglerschaltung von 8, wenn diese einem Teillastabwurf unterzogen wird.
10 ist ein Schemadiagramm eines weiteren Beispiels einer Spannungsreglerschaltung, die verschiedene Techniken der vorliegenden Offenbarung umsetzen kann.
11 ist ein Schemadiagramm eines weiteren Beispiels einer Spannungsreglerschaltung, die verschiedene Techniken der vorliegenden Offenbarung umsetzen kann.
12 ist ein Schemadiagramm eines weiteren Beispiels einer Spannungsreglerschaltung, die verschiedene Techniken der vorliegenden Offenbarung umsetzen kann.
13 ist ein Schemadiagramm eines weiteren Beispiels einer Spannungsreglerschaltung, die verschiedene Techniken der vorliegenden Offenbarung umsetzen kann.
14 ist ein Schemadiagramm eines weiteren Beispiels einer Spannungsreglerschaltung, die verschiedene Techniken der vorliegenden Offenbarung umsetzen kann.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Techniken der vorliegenden Offenbarung betreffen DC-DC-Reglertopologien, z.B. Buck-, Boost- und Buck-Boost, die einen einzelnen Induktor nutzen. In jeder dieser Reglertopologien und auch gemeinsam mit nichtinduktorbasierten Reglern kann eine Ausgangslasttransiente in der negativen Richtung, zum Beispiel ein Lastabwurf, zu einer positiven Spannungstransiente auf der geregelten Ausgangsspannung führen. Dies ist zurückzuführen auf a) die endliche Antwortzeit des Reglers zum Korrigieren der Menge an zugeführtem Strom und b) den kombinierten beinahe sofortigen Effekten des elektrischen Reihenwiderstands (ESR) und elektrischen Reiheninduktanz (ESL) in dem Ausgangskondensator.
Im Fall von Induktor-basierten DC-DC-Reglern kann das Problem positiver Spannungstransienten auf der geregelten Ausgangsspannung aufgrund dessen verschärft werden, dass der Induktorstrom selbst nicht in der Lage ist, sich sofort zu ändern, und dieser Strom wird typischerweise weiter an den Ausgangskondensator für zusätzliche Zyklen geliefert, bis er auf null heruntergebracht werden kann. Dies kann bewirken, dass die geregelte Ausgangsspannung weiter steigt, mit dem Risiko, dass enge Ausgangsspannungsspezifikationen verletzt werden, was eine Systemabschaltung aufgrund des Auslösens einer Überspannungsüberwachungsschaltung oder im schlimmsten Fall das Beschädigen von Schaltungen verursacht, die mit dem Ausgang verbunden sind, aufgrund von Überspannungsbeanspruchung. Einige Ansprüche versuchen, die positiven Ausgangsspannungsausschläge durch Hinzufügen von mehr Ausgangskapazität zu begrenzen. Ein Nachteil dieser Ansätze kann in zusätzlichen Kosten und zusätzlichem physischem Platinenraum der Kondensatoren liegen.
In einem anderen Ansatz, wie etwa in dem eigenen US-Patent Nummer 10,790,747 an Vitunic et al., das hierin durch Bezugnahme in seiner Gänze aufgenommen ist, kann ein Stromnebenschlussschalter umgesetzt werden, um einen alternativen Weg für das Fließen des Induktorstroms bereitzustellen, der den Ausgangskondensator nicht enthält. Eine derartige Konfiguration kann weiter einen etwaigen positiven Ausgangsspannungsausschlag minimieren.
Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass in einigen Szenarien der ESR (und die ESL) des Ausgangskondensators die Leistung der Stromnebenschlussschalterlösung von US-Patent Nummer 10,790,747 , das unten ausführlicher beschrieben wird, auf unerwünschte Weise beeinflussen kann. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass eine Verstärkerschaltung aufgenommen und mit einem Steuerknoten eines Stromnebenschlussschalters gekoppelt werden kann. Die Verstärkerschaltung kann eine Spannung an dem Steuerknoten des Stromnebenschlussschalters verstellen, um eine von dem Ausgangsknoten weggelenkte Menge an Induktorstrom zu steuern. Unter Verwendung verschiedener Techniken der vorliegenden Offenbarung kann eine schnelle lineare Schleife enthalten sein, um glatte Übergänge beim Einschalten oder Ausschalten des Stromnebenschlussschalters sicherzustellen. Diese Techniken können das Ausmaß und die Dauer des nachfolgenden negativen Ausgangsspannungsausschlags minimieren, die von den spezifischen ESL- und ESR-Werten des Ausgangsspannungskondensators abhängen können, und zwar für die Fälle, wenn der Endwert der Untersetzungslasttransiente nicht null ist. Auf diese Weise können die Techniken der vorliegenden Offenbarung eine positive Ausgangsspannungsantwort verbessern, die durch eine Ausgangslasttransiente in der negativen Richtung verursacht wird.
1 ist ein Schemadiagramm eines Beispiels einer Spannungsreglerschaltung. Die Spannungsreglerschaltung 100 in 1 ist ein Buck-DC-DC-Regler. Der Buck-DC-DC-Regler 100 kann von einer Eingangsspannung V_IN bestromt werden, und zu seinen Hauptkomponenten zählen die Transistoren M1 und M2, ein Induktor L, ein Ausgangskondensator COUT und eine Ausgangslast I_LOAD.
Die Spannungsreglerschaltung 100 enthält einen Schaltkreis 102 mit einem Gatetreiber 104 und einschließlich der Transistoren M1 und M2. Der Gatetreiber 104 ist (z.B. durch eine Logikschaltungsanordnung) ausgelegt, ein Taktsignal zu verwenden, um ein Schalttastverhältnis bereitzustellen, das einen Ladeabschnitt und einen Entladeabschnitt enthält. Die Spannungsreglerschaltung 100 empfängt elektrische Energie während des Ladeabschnitts des Schalttastverhältnisses.
Die Ausgangsspannung V_OUT kann zu einem Fehlerverstärker EA zurückgeführt werden, der Teil der Steuerschleife ist, die die Ausgangsspannung V_OUT auf einen DC-Wert von V_REG regelt. Der Fehlerverstärker EA kann die Ausgangsspannung erfassen und das Tastverhältnis der Spannungsreglerschaltung 100 durch Ein- und Ausschalten der Transistoren M1 und M2 verstellen.
2 veranschaulicht Strom- und Spannungswellenformen für die Spannungsreglerschaltung 100 von 1, wenn diese einem Lastabwurf unterzogen wird. Die obere Kurve veranschaulicht den Laststrom I_LOAD (y-Achse) bezüglich der Zeit (x-Achse), die mittlere Kurve veranschaulicht den Induktorstrom IL (y-Achse) des Induktors L in 1 bezüglich der Zeit (x-Achse), und die untere Kurve veranschaulicht die Ausgangsspannung V_OUT (y-Achse) bezüglich der Zeit (x-Achse).
Unmittelbar vor dem Lastabwurfereignis weist die Induktorstromwellenform IL in der mittleren Kurve eine normale Welligkeit bei der DC-DC-Schaltfrequenz auf, und die Ausgangsspannung V_OUT weist eine entsprechende Spannungswelligkeit bei der gleichen Frequenz auf, weil COUT der AC-Komponente von IL unterworfen ist (weil I_COUT=I_L-I_LOAD). Nach t₁ wird der ganze Induktorstrom 200 (einschließlich der DC-Komponente I_MAX) an den Ausgangskondensator geliefert, bis der Induktorstrom 200 auf null heruntergebracht werden kann. Dies gilt ungeachtet dessen, ob das Buck-Reglersteuerschema M1 und M2 beide ausschaltet oder lediglich M2 einschaltet.
Wie in 2 in der unteren Kurve gezeigt, ist die Ausgangsspannungsantwort auf diesen Extrastrom ein Spannungsüberschreiten 202. Das Ausmaß an Überschreitung hängt von dem Wert COUT ab, und höhere C_OUT-Werte führen zu einer reduzierten Spannungsüberschreitung 204. Jedoch gibt es erhöhte Kosten bei den Stofflisten (BOM - Bill of Materials) und dem Platinenplatz, assoziiert mit dem Erhöhen der Ausgangskapazität. Weil der Induktorstrom weiter an den Ausgangsknoten geliefert wird, eliminiert zusätzlich das Erhöhen der Kapazität von COUT nicht die zusätzliche Überschreitung, sie verringert sie nur.
Zum Eliminieren oder Begrenzen der Spannungsüberschreitung kann der Induktorstrom von dem Ausgangskondensator COUT und dem Ausgangsknoten V_OUT weggeleitet werden. Dies gestattet, dass der Induktorstrom ohne weitere Erhöhung bei der Ausgangsspannung auf null heruntergebracht wird.
3 ist ein Schemadiagramm eines weiteren Beispiels einer Spannungsreglerschaltung 300. Die Schaltung enthält einen Top-Gate-Transistor M1, einen Bottom-Gate-Transistor M2 und einen Induktor 302 (L). In dem Beispiel sind die Transistoren M1 und M2 als Feldeffekttransistoren (FETs) gezeigt, sind aber nicht auf FETs beschränkt. Die Spannungsreglerschaltung 300 kann einen elektrisch an einen Ausgangsknoten gekoppelten Ausgangskondensator 304 (C_OUT) enthalten und kann eine Ausgangsspannung V_OUT an eine Ausgangslast liefern. Die Spannungsreglerschaltung 300 enthält einen Schaltkreis 306 mit einem Gatetreiber 308 und einschließlich der Transistoren M1 und M2. Der Gatetreiber 308 ist (z.B. durch eine Logikschaltungsanordnung) ausgelegt, ein Taktsignal zu verwenden, um ein Schalttastverhältnis bereitzustellen, das einen Ladeabschnitt und einen Entladeabschnitt enthält. Die Spannungsreglerschaltung 300 empfängt elektrische Energie während des Ladeabschnitts des Schalttastverhältnisses.
Der Induktor 302 kann zwischen den Ausgangskondensator 304 und einen Schaltkreisknoten 310 gekoppelt sein. Der Bottom-Gate-Transistor M2 kann elektrisch zwischen den Schaltkreisknoten 310 und Schaltungsmasse gekoppelt sein, und der Top-Gate-Transistor M1 kann elektrisch zwischen den Schaltkreisknoten 310 und einen Eingangsknoten, der elektrisch an eine Eingangsspannung V_IN gekoppelt ist, gekoppelt sein.
Während der Ladeabschnitte von aufeinanderfolgenden Zyklen wird der Transistor M1 eingeschaltet oder aktiviert, um die Spannung des Schaltkreisknotens 310 fast zur Eingangsspannung V_IN anzuheben. Diese anfängliche Aktivierung steuert einen allmählich zunehmenden Strom durch den Induktor 302 und zu dem Ausgangskondensator 304 und der Last. Während des Entladeabschnitts der Schaltkreiszyklen wird der Transistor M2 eingeschaltet, um den Schaltkreisknoten 310 fast auf Schaltungsmasse zu ziehen. Diese zweite Aktivierung liefert einen allmählich abnehmenden Strom von der in dem Induktor 302 gespeicherten Energie an den Ausgangskondensator 304 und die Last.
Die Dauer des Ladeabschnitts des Schalttastverhältnisses kann automatisch verstellt werden, um die Ausgangsspannung V_OUT auf einem spezifischen Pegel zu halten. Die Verstellung kann unter Verwendung einer Schaltungsrückkopplungsschleife bewerkstelligt werden, die eine Fehlerverstärkerschaltung 312 enthält. Die Fehlerverstärkerschaltung 312 generiert ein Fehlersignal, das eine Differenz zwischen einem Zielspannungswert und der Spannung V_OUT an dem Ausgangsknoten der Spannungsreglerschaltung 300 darstellt. Die Ausgangsspannung kann (zum Beispiel unter Verwendung eines resistiven Teilers) skaliert werden, um eine skalierte Darstellung der Ausgangsspannung an die Fehlerverstärkerschaltung 312 anstelle der tatsächlichen Ausgangsspannung als eine Rückkopplungsspannung zu liefern. Die Fehlerverstärkerschaltung 312 vergleicht die Rückkopplungsspannung (V_FB) mit einer Spannungsreferenz (V_REG), um das Fehlersignal zu erzeugen. Die Spannung V_REG kann die gewünschte geregelte Ausgangsspannung oder eine von der gewünschten geregelten Ausgangsspannung abgeleitete skalierte Spannung sein.
Der Schaltkreis 306 kann Logikschaltungen zum Umsetzen einer Impulsbreitenmodulations- (PWM-) Schaltsteuerung enthalten. Der Schaltkreis 306 setzt die Dauern des Ladeabschnitts und des Entladeabschnitts des Schalttastverhältnisses gemäß der Ausgangsspannung. Beispielsweise kann der Schaltkreis 306 den Top-Gate-Transistor M1 für eine Dauer auf Basis des Vergleichs des Fehlersignals und eines Referenzwellenformsignals einschalten und dann den Bottom-Gate-Transistor M2 für den Rest jeder Periode des Taktsignals aktivieren.
Die Aktivierung des M1-Transistors erzeugt einen allmählich steigenden Strom in dem Induktor, und die Aktivierung des M2-Transistors erzeugt einen allmählich abnehmenden Strom in dem Induktor während jedes Schalttastverhältnisses. Der zunehmende und dann abnehmende Strom hält die Rückkopplungsspannung auf einem Wert im Wesentlichen gleich der Referenzspannung V_REF. Diese Aktivierungssequenz hält die Ausgangsspannung V_OUT an dem Ausgangsport auf dem gewünschten Pegel ungeachtet der Stromnachfrage an der Last.
In dem in 3 gezeigten Beispiel erzeugen die Schaltungstopologie und der Zielspannungswert eine geregelte Spannung für V_OUT, die kleiner ist als die Spannung an dem Eingang V_IN der Spannungsreglerschaltung (z.B. eine Buck-Reglerschaltung). Andere Beispiele können unter anderem Spannungsregelerschaltungstopologien enthalten, um eine geregelte V_OUT zu erzeugen, die größer ist als V_IN (z.B. eine Boost-Reglerschaltung), und die Schaltungstopologien zum Erzeugen einer geregelten V_OUT, die entweder kleiner oder größer als V_IN sein kann (z.B. eine Buck-Boost-Reglerschaltung).
Eine Ausgangslasttransiente in der negativen Richtung (z.B. ein Lastabwurf, bei dem die Last beseitigt ist und der Laststrom I_LOAD auf null reduziert ist) eines DC-DC-Spannungsreglers führt typischerweise zu einer positiven Spannungstransiente auf der geregelten Ausgangsspannung V_OUT. Dies ist zurückzuführen auf a) die endliche Antwortzeit des Spannungsreglers zum Korrigieren der Menge von an die Last geliefertem Strom und b) den kombinierten beinahe sofortigen Effekten des elektrischen Reihenwiderstands (ESR) und elektrischen Reiheninduktanz (ESL) in dem Ausgangskondensator. Dieses Problem wird verschärft für Induktor-basierte DC-DC-Regler, wo sich der Induktorstrom I_L nicht sofort ändern kann, und der Induktorstrom wird typischerweise weiter an den Ausgangskondensator für zusätzliche Zyklen geliefert, bevor der Strom auf Null reduziert werden kann. Diese fortgesetzte Zufuhr von Induktorstrom zu der reduzierten Last bewirkt, dass die geregelte Ausgangsspannung weiter steigt, wodurch das Risiko entsteht, dass Ausgangsspannungsspezifikationen verletzt werden, insbesondere falls die Anwendung eine enge Steuerung der Ausgangsspannung erfordert. Diese positive Spannungstransiente kann eine Systemabschaltung aufgrund des Auslösens einer Überspannungsüberwachungsschaltung bewirken oder schlimmer, kann aufgrund von Überspannungsbeanspruchung Schaltungen beschädigen, die mit dem Ausgangsknoten verbunden sind.
Zum Umlenken des Induktorstroms enthält die Spannungsreglerschaltung 300 einen Nebenschlusskreis, der den Induktorstrom von dem Ausgangsknoten und dem Ausgangskondensator wegleitet, wenn die Ausgangsspannung eine spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt. Der Nebenschlusskreis enthält einen parallel zu dem Induktor 302 geschalteten Transistor M3. Der Transistor M3 fungiert als ein durch einen hysteretischen Vergleicher 314 gesteuerten Nebenschlussschalter. Der Ausgang des Vergleichers 314 ist aktiv oder H, wenn die Ausgangsspannung auf einen spezifizierten maximalen Ausgangsspannungswert (V_HI) ansteigt. Wegen seiner Hysterese kehrt der Ausgang des Vergleichers 314 nicht zu inaktiv oder L zurück, bis die Ausgangsspannung auf einen Wert unter V_HI (z.B. den gewünschten geregelten Spannungspegel V_REG) fällt.
4 veranschaulicht Strom und Spannungswellenformen für die Spannungsreglerschaltung von 3, wenn diese einem Lastabwurf unterzogen wird. Die obere Kurve veranschaulicht den Laststrom I_LOAD (y-Achse) bezüglich Zeit (x-Achse). Die Kurve unmittelbar unter der oberen Kurve veranschaulicht den Induktorstrom I_L (y-Achse) des Induktors L in 3 bezüglich Zeit (x-Achse). Die Kurve unmittelbar über der unteren Kurve veranschaulicht den Strom I_M3 (y-Achse) durch den Transistor M3 in 3 bezüglich Zeit (x-Achse). Die untere Kurve veranschaulicht die Ausgangsspannung V_OUT (y-Achse) bezüglich Zeit (x-Achse).
Die Spannungsreglerschaltung 300 von 3 ist der gleichen Lastabwurftransiente unterworfen, die zur Zeit t1 auftritt, wie in 2. Die Wellenformen für den Induktorstrom IL und die Ausgangsspannung V_OUT vor der Zeit t₁ sind ebenfalls die gleichen wie in 2. Unmittelbar nach Zeit t₁ wird der gesamte Induktorstrom 400 (einschließlich der DC-Komponente I_MAX) anfänglich an den Ausgangskondensator C_OUT geliefert, was einen anfänglichen Anstieg von V_OUT bewirkt. Wenn jedoch die Ausgangsspannung V_OUT zu der Spannung V_HI ansteigt (bei Zeit t₂ gezeigt), löst der Hysteresevergleicher 314 von 3 aus und schaltet den Transistor M3 ein. Der Induktorstrom I_L wird dann von dem Ausgangskondensator COUT weggeleitet und zirkuliert stattdessen in dem Transistor M3 (der „Lastabwurfnebenschluss“).
Während der Transistor M3 eingeschaltet ist, sollten die Hauptsteuerschleifentransistoren M1 und M2 ausgeschaltet sein. Wenn der Transistor M3 eingeschaltet ist, kann der Induktorstrom IL ohne weitere Steigerung bei der Ausgangsspannung 402 auf null gebracht werden. Weil der zirkulierende Induktorstrom IL nicht zu dem Ausgangskondensator C_OUT geht, muss er nicht schnell auf null gehen. Die Geschwindigkeit, mit der der Induktorstrom IL auf null abklingt, kann von der Bemessung des Transistors M3 abhängen. Ein kleinerer M3 (z.B. höherer R_DS(_ON)) beschleunigt das Abklingen auf null und ist bezüglich Siliziumdiefläche weniger teuer, aber der Transistor M3 sollte nicht zu klein sein, weil er die in dem Induktor gespeicherte Energie E abführen muss(E=½LI_MAX ²).
Falls zusätzlich der Abfall an dem Transistor M3 die Spannung V_OUT plus einem Diodenabfall übersteigt, wird sich die Körperdiode des Transistors M2 einschalten, wodurch der Spannungsabfall an dem Transistor M3 begrenzt wird und C_OUT potenziell zurück in die Stromschleife gebracht wird. Das Abklingen folgt einer exponentiellen Kurve aufgrund des sich ändernden Stroms-mal-Widerstandswert- (I×R-) Abfalls in dem Transistor M3. Ein Beispiel eines guten Leistungskompromisses zwischen Kosten und Energieableitung besteht darin, den Transistor M3 auf etwa 5-10% der Größe des M2 zu bemessen. Der niedrige Hysteresespannungspegel des Vergleichers 314 sollte so gesetzt werden, dass, falls die Ausgangsspannung danach auf nahe den Zielspannungswert V_REG (aufgrund eines Lecks oder des Einschaltens einer neuen Last) fällt, wird der Transistor M3 ausgeschaltet und der normale Steuerschleifenbetrieb kann wiederaufgenommen werden.
5 veranschaulicht Strom und Spannungswellenformen für die Spannungsreglerschaltung von 3, wenn diese einem Lastabwurf unterzogen wird. Die obere Kurve veranschaulicht den Laststrom I_LOAD (y-Achse) bezüglich Zeit (x-Achse). Die Kurve unmittelbar unter der oberen Kurve veranschaulicht den Induktorstrom I_L (y-Achse) des Induktors L in 3 bezüglich Zeit (x-Achse). Die mittlere Kurve veranschaulicht den Ausgangskondensatorstrom I_COUT. Die Kurve unmittelbar über der unteren Kurve veranschaulicht den Strom I_M3 (y-Achse) durch den Transistor M3 in 3 bezüglich Zeit (x-Achse). Die untere Kurve veranschaulicht die Ausgangsspannung V_OUT (y-Achse) bezüglich Zeit (x-Achse).
In dem Beispiel von 5 führt der Teillastabwurf zur Zeit t₁ zu einer Reduzierung des Laststroms I_LOAD 500 von I_MAX auf I_MAX/2. Der Induktorstrom IL 502 klingt zu null ab. Wie bei 504 zu sehen, zieht die Last einen Strom I_COUT von dem Ausgangskondensator von Zeit t₁ zu t₃. Mit dem Teillastabwurf benötigt die Ausgangsspannung 506 möglicherweise länger, um den V_HI-Schwellwert zu erreichen, im Vergleich zu 4. Jedoch sind signifikante Unterschiede bei der V_OUT-Wellenform bemerkbar, wenn der ESR des Ausgangskondensators betrachtet wird.
6 ist ein Schemadiagramm eines Beispiels der Spannungsreglerschaltung von 3 mit ESR in dem Ausgangskondensator. Viele der Komponenten der Spannungsreglerschaltung 600 in 6 sind ähnlich den Komponenten der Spannungsreglerschaltung 300 von 3 und werden aus Gründen der Kürze nicht wieder beschrieben.
Wie in 6 zu sehen ist, enthält die Spannungsreglerschaltung 600 den ESR 602 in dem Ausgangskondensator C_OUT. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung haben erkannt, dass in einigen Szenarien der ESR (und die ESL) des Ausgangskondensators COUT die Leistung der Stromnebenschlussschalterlösung von 3 unerwünscht beeinflussen kann.
7 veranschaulicht Strom- und Spannungswellenformen für die Spannungsreglerschaltung 600 von 6, wenn diese einem Lastabwurf unterzogen wird. Die obere Kurve veranschaulicht den Laststrom I_LOAD (y-Achse) bezüglich Zeit (x-Achse). Die Kurve unmittelbar unter der oberen Kurve veranschaulicht den Induktorstrom IL (y-Achse) des Induktors L in 6 bezüglich Zeit (x-Achse). Die mittlere Kurve veranschaulicht den Ausgangskondensatorstrom I_COUT. Die Kurve unmittelbar über der unteren Kurve veranschaulicht den Strom I_M3 (y-Achse) durch den Transistor M3 in 6 bezüglich Zeit (x-Achse). Die untere Kurve veranschaulicht die Ausgangsspannung V_OUT (y-Achse) bezüglich Zeit (x-Achse).
Ein Teillastabwurf zur Zeit t₁ führt zu einer Reduzierung des Laststroms I_LOAD 700 von I_MAX auf I_MAX/2. Die Ausgangsspannung V_OUT 702 geht zur Zeit t₁ auf H und löst den Hysteresevergleicher 314 zur Zeit t₄ in 6 aus. Wenn sich der Transistor M3 zur Zeit t₄ einschaltet, wird der Induktorstrom IL (704) umgelenkt, um durch den Transistor M3 zu fließen, anstatt zu dem Ausgang zu fließen, und der Ausgangskondensator COUT muss den ganzen verbleibenden Laststrom 706 liefern, der in diesem Fall gleich I_MAX/2 ist. Wenn dies eintritt, fällt die Ausgangsspannung 702 sofort zur Zeit t₄ ab, weil die Richtung des Stroms in dem ESR des Ausgangskondensators von positiv nach negativ umkehrt. Je nach der Größe des verbleibenden Ausgangsstroms (nach Zeit t₄) und des ESR-Werts kann dieser negative Ausschlag auf der Ausgangsspannung recht groß sein und die zulässige niedrige Spannungstoleranz an der Ausgangsspannung V_OUT potenziell übersteigen. Falls die Ausgangsspannung V_OUT aus dem Hysteresefenster des Vergleichers 314 von 6 herausfällt, löst der Vergleicher 314 dann wieder aus und schaltet den Transistor M3 und den Nebenschlusspfad aus. Dies kann zu einem nachfolgenden unregelmäßigen und unerwünschten Auslösen und einer Auslöseumkehr des Vergleichers 314 führen.
Eine mögliche Lösung besteht darin, die Hysterese des Vergleichers 314 so auszulegen, dass der niedrige Schwellwert unter der geregelten Spannung V_REG liegt.
Auf diese Weise muss der Transistor M3 nur ausgeschaltet werden, wenn die Ausgangsspannung V_OUT auf einen gewissen Wert unter der geregelten Spannung V_REG fällt, was je nach dem Wert des ESR-Widerstandswerts R_ESR verstellt werden kann. Dies würde jedoch erzwingen, dass der Hysteresewert spezifisch für einen spezifischen ESR-Widerstands-R_ESR-Wert des Ausgangskondensators verstellt wird, der üblicherweise nicht streng gesteuert wird. Wenn der größte Wert berücksichtigt werden muss, könnte dies erfordern, dass der niedrige Schwellwert viel niedriger als die geregelte Spannung V_REG gesetzt wird. Dies würde wiederum eine große Toleranz auf dem negativen Ausschlag der Ausgangsspannung V_OUT erzwingen, was die garantierte Ausgangsspannungsgenauigkeit während Transienten verschlechtern kann.
Zudem könnte ein derartiges Hystereseverhalten beim Ein- und Ausschalten des Transistors M3 in einem gewissen unvorhersehbaren Frequenzburst während eines einzelnen Ereignisses eines negativen Lastschritts den Nebenschlussschalter mehrfach einschalten.
Wie oben erwähnt, haben, um glatte Übergänge zwischen dem Einschalten oder Ausschalten des Stromnebenschlussschalters sicherzustellen, die Erfinder der vorliegenden Erfindung erkannt, dass eine Verstärkerschaltung aufgenommen und mit einem Steuerknoten eines Stromnebenschlussschalters gekoppelt werden kann. Die Verstärkerschaltung kann eine Spannung an dem Steuerknoten des Stromnebenschlussschalters verstellen, um eine von dem Ausgangsknoten weggelenkte Menge an Induktorstrom zu steuern. Diese Techniken können das Ausmaß und die Dauer eines negativen Ausgangsspannungsausschlags minimieren, was von den spezifischen ESL- und ESR-Werten des Ausgangsspannungskondensators abhängen kann, für die Fälle, wenn der Endwert der Untersetzungslasttransiente nicht null ist. Auf diese Weise können die Techniken der vorliegenden Offenbarung eine durch eine Ausgangslasttransiente verursachte positive Ausgangsspannungsantwort in der negativen Richtung verbessern.
8 ist ein Schemadiagramm eines Beispiels einer Spannungsreglerschaltung, die verschiedene Techniken der vorliegenden Offenbarung umsetzen kann. Viele der Komponenten der Spannungsreglerschaltung 800 in 8 sind ähnlich den Komponenten der Spannungsreglerschaltung 600 von 6 und werden aus Gründen der Kürze nicht wieder beschrieben.
Die Spannungsreglerschaltung 800 in 8 kann einen Schaltkreis 306 enthalten, um ein Schalttastverhältnis zum Regeln der Ausgangsspannung V_OUT an einem Ausgangsknoten 802 der Spannungsreglerschaltung unter Verwendung eines Fehlersignals 804 zu verstellen, das eine Differenz zwischen einem Zielspannungswert (V_REG) und der Ausgangsspannung (V_FB) darstellt. In einer Buck-Konfiguration, wie etwa in 8 gezeigt, kann der Schaltkreis 306 einen oberen Schalterstromkreis wie etwa mit dem Transistor M1, enthalten, gekoppelt mit dem Schaltkreisknoten 310 und dem Eingangsknoten V_IN der Spannungsreglerschaltung. Der Schalterkreis 306 kann weiter einen unteren Schaltkreis enthalten, wie etwa mit dem Transistor M2, mit dem Schaltkreisknoten 310 gekoppelt, und einen Schaltungsmasseknoten, wobei der Nebenschlussschalter M3 parallel zu dem Induktor gekoppelt und mit dem Schaltkreisknoten 310 und dem Ausgangsknoten gekoppelt ist.
Die Spannungsreglerschaltung 800 kann einen Induktor 302 enthalten, der mit dem Schaltkreis 306 gekoppelt und zum Liefern eines Induktorstroms IL an den Ausgangsknoten 802 ausgelegt ist.
Wie oben bezüglich 6 beschrieben, kann die Spannungsreglerschaltung 800 einen parallel zu dem Induktor gekoppelten Nebenschlusskreis enthalten. Der Nebenschlusskreis kann den Induktorstrom von dem Ausgangsknoten wegleiten, wenn die Ausgangsspannung eine spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt. Der Nebenschlusskreis kann einen parallel zu dem Induktor 302 gekoppelten Nebenschlussschalter M3 enthalten, wobei der Nebenschlussschalter einen Steuerknoten 806 enthält.
Unter Verwendung verschiedener Techniken der vorliegenden Offenbarung kann der Nebenschlusskreis durch eine Nebenschlusskreis-Steuerschaltung gesteuert werden, die eine Verstärkerschaltung 808 und eine Vergleicherschaltung 314 enthalten kann. Die Verstärkerschaltung 808 kann einen Ausgang aufweisen, der mit dem Steuerknoten 806 des Nebenschlussschalters M3 gekoppelt ist.
Die Vergleicherschaltung 314, z.B. ein Hysteresevergleicher, kann die Ausgangsspannung (V_FB) mit der spezifizierten maximalen Ausgangsspannung (V_HI) vergleichen. Die Vergleicherschaltung 314 kann die Verstärkerschaltung 808 freigeben, wenn die Ausgangsspannung die spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt, um eine Spannung an dem Steuerknoten 806 des Nebenschlussschalters M3 zu verstellen, um eine von dem Ausgangsknoten weggelenkte Menge des Induktorstroms IL zu steuern. Die Vergleicherschaltung 314 kann die Verstärkerschaltung 808 nach dem Freigeben des Nebenschlussschalters M3 sperren, wenn die Ausgangsspannung auf die Zielspannung abnimmt.
In einigen Beispielen kann die Nebenschlusskreis-Steuerschaltung eine Latch-Schaltung 812 enthalten, zum Beispiel einen SR-Latch, gekoppelt mit einem Ausgang der Vergleicherschaltung 314 und mit einem Freigabeeingang EN der Verstärkerschaltung 808.
In einigen Beispielen kann die Nebenschlusskreis-Steuerschaltung eine Stromvergleicherschaltung 814, zum Beispiel einen Hysteresestromvergleicher, enthalten, um einen Strom durch den Nebenschlussschalter M3 mit einem Zielstrom I_SMALL zu vergleichen und ein Rücksetzsignal 816 an die Latch-Schaltung 812 auszugeben, wenn der Strom durch den Nebenschlussschalter M3 unter den Zielstrom abnimmt.
In einigen Beispielen kann die Nebenschlusskreis-Steuerschaltung eine Stromquellenschaltung 818 enthalten, zum Beispiel einen Einmal-Strom-Pull-Up, gekoppelt mit dem Steuerknoten 806 des Nebenschlussschalters M3 und an den Ausgang der Vergleicherschaltung 314. Die Vergleicherschaltung 314 kann die Stromquellenschaltung 818 freigeben, wenn die Ausgangsspannung die spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt.
In einigen Beispielen kann die Spannungsreglerschaltung 800 eine Rückkopplungsschaltung mit einer Fehlerverstärkung 312 enthalten, um ein Fehlersignal 804 zu erzeugen, das eine Differenz zwischen einer Zielspannung (V_REG) und der Ausgangsspannung (V_FB) darstellt.
In einigen Beispielen kann die Spannungsreglerschaltung 800 einen Einmal-Spannungsimpulsgenerator 820 enthalten, der zwischen den Ausgang der Stromvergleicherschaltung 814 und die Latch-Schaltung 812 gekoppelt ist.
In dem in 8 gezeigten Beispiel teilen sich beide Verstärker 312 und 808 die gleichen Eingänge von V_FB und V_REG. Die Fehlerverstärkerschaltung 312 und die Verstärkerschaltung 808 weisen separate Eingangsstufenschaltungen und Ausgangsstufenschaltungen auf.
In einigen Beispielen kann die Spannungsreglerschaltung 800 einen mit dem Ausgangsknoten gekoppelten Ausgangskondensator C_OUT enthalten, wobei der Nebenschlusskreis den Induktorstrom von dem Ausgangskondensator wegleiten kann, wenn die Ausgangsspannung die spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt.
Wenn die Ausgangsspannung auf einen spezifizierten maximalen Ausgangsspannungswert (V_HI) ansteigt, schaltet der Ausgang der Vergleicherschaltung 314 den Transistor M3 sofort ein durch Einschalten des Kurzzeit-Einmal-Strom-Pull-Up 818 an dem Gate 806 des Transistors M3. Gleichzeitig wird auch der Verstärker 808 freigegeben durch Setzen des Ausgangs des SR-Latch auf H (unter Verwendung der Freigabeleitung EN des Verstärkers 808). Die Funktion des Verstärkers 808 besteht darin, die Gatespannung des Transistors M3 (von dem anfänglichen vollständig eingeschalteten Zustand, durch den Einmalstrom gesetzt) sofort zu regeln, um nur genügend Induktorstrom (IL-I_LOAD) von C_OUT wegzulenken (nebenzuschließen), um die Ausgangsspannung auf ihrem gewünschten Regelungswert (V_REG) zu halten. Der anfänglich vollständig eingeschaltete Zustand des Transistors M3 ist wichtig, um sicherzustellen, dass die Ausgangsspannung nicht jenseits der Spannung V_HI ansteigt.
Während in diesem Beispiel der Transistor M3 eingeschaltet ist, ist der Transistor M1 ausgeschaltet und der Transistor M2 ist eingeschaltet (im Gegensatz zu 3, wo sowohl der Transistor M1 als auch der Transistor M2 ausgeschaltet sind, wenn der Transistor M3 eingeschaltet ist). Dies kann wünschenswert sein, weil ein Teil des Induktorstroms IL (entsprechend dem finalen Wert des Ausgangsstroms I_LOAD) immer noch zu dem Ausgang fließt. Der Transistor M2 kann eingeschaltet werden, um einen Stromrückweg bereitzustellen, wodurch verhindert wird, dass die Körperdiode des Transistors M2 gezwungenermaßen eingeschaltet wird.
Wenn der Transistor M3 eingeschaltet ist, klingt der durch ihn fließende Strom langsam ab. Wenn der Nebenschlussstrom auf einen kleinen Wert (I_SMALL) abfällt, schaltet der Stromvergleicher 814 den Verstärker 808 aus über den für eine positive (L zu H) Flanke empfindlichen Einmal-Spannungsimpulsgenerator 820, an seinem Ausgang angeschlossen, die Rücksetzleitung der Latch-Schaltung 812 ansteuernd. Der Nebenschlussschalter M3 kann sofort ausgeschaltet werden, und ein normaler Steuerschleifenbetrieb kann wiederaufnehmen (ein Nebenschluss-„Austritts“-Zustand).
Mit dieser vorgeschlagenen Technik des Regelns der Ausgangsspannung bei V_REG, wenn der Transistor M3 eingeschaltet ist, kann die optimale Menge an Induktorstrom I_L von dem Ausgangskondensator weggeleitet werden, um die Ausgangsspannung bei V_REG aufrecht zu erhalten.
Es sei angemerkt, dass die Geschwindigkeit, mit der der Induktorstrom mit dieser Technik abklingt, nicht länger alleine von der Bemessung des Transistors M3 abhängt, weil der Schaltkreisknoten 310 nun mit dem eingeschalteten Transistor M2 und mit der bei V_REG geregelten Ausgangsspannung nahe Masse fixiert ist. Der Transistor M3 sollte ausreichend groß bemessen werden, so dass er, mit seinem auf die höchste Spannung gesteuerten Gate (vollständig eingeschaltet), den maximal zulässigen Induktorstrom mit V_REG Volt an ihm ableiten kann. Wenn dieses Kriterium erfüllt ist, kann der Verstärker 808 die Gatespannung des Transistors M3 derart verstellen, dass der Transistor M3 nur einen überschüssigen Induktorstrom über der Ausgangsstromanforderung (IL - I_LOAD) nebenschließt.
Mit dieser Technik kann die Hysterese des Vergleichers 214 wieder so gesetzt werden, dass, wenn die Ausgangsspannung danach auf einen gewissen kleinen Wert unter V_REG fällt (aufgrund eines Lecks oder des Einschaltens einer neuen Last), der Transistor M3 ausgeschaltet wird und ein normaler Steuerschleifenbetrieb wiederaufgenommen wird.
14 ist ein Schemadiagramm eines anderen Beispiels einer Spannungsreglerschaltung, die verschiedene Techniken der vorliegenden Offenbarung umsetzen kann. Viele der Komponenten der Spannungsreglerschaltung 1400 in 14 sind ähnlich den Komponenten der Spannungsreglerschaltung 800 von 8 und werden aus Gründen der Kürze nicht wieder beschrieben. Im Gegensatz zu der Spannungsreglerschaltung 800 von 8 ist der Nebenschlussschalter M3 in 14 nicht an den Schaltkreisknoten 310 gekoppelt. Als solches ist der Nebenschlussschalter-M3-Pfad zu Masse beispielsweise nicht über dem Transistor M2, wie in 8, sondern stattdessen zu Masse. Der Betrieb der Spannungsreglerschaltung 1400 in 14 ist ansonsten ähnlich der Spannungsreglerschaltung 800 von 8.
9 veranschaulicht Strom und Spannungswellenformen für die Spannungsreglerschaltung 800 von 8, wenn diese einem Lastabwurf unterzogen wird. Die obere Kurve veranschaulicht den Laststrom I_LOAD (y-Achse) bezüglich Zeit (x-Achse). Die Kurve unmittelbar unter der oberen Kurve veranschaulicht den Induktorstrom IL (y-Achse) des Induktors L in 8 bezüglich Zeit (x-Achse). Die mittlere Kurve veranschaulicht den Ausgangskondensatorstrom I_COUT. Die Kurve unmittelbar über der unteren Kurve veranschaulicht den Strom I_M3 (y-Achse) durch den Transistor M3 in 8 bezüglich Zeit (x-Achse). Die untere Kurve veranschaulicht die Ausgangsspannung V_OUT (y-Achse) bezüglich Zeit (x-Achse).
Ein Teillastabwurf zur Zeit t₁ führt zu der Reduzierung des Laststroms I_LOAD 900 von I_MAX zu I_MAX/2. Die Ausgangsspannung V_OUT 902 geht nach der Zeit t₁ aufgrund des ESR des Ausgangskondensators auf H und löst den Hysteresevergleicher 314 in 8 aus, wenn die Spannung V_HI übersteigt. Der Ausgang des Vergleichers 314 in 8 schaltet den Transistor M3 vollständig ein unter Verwendung der Stromquellenschaltung 818. Außerdem gibt der Ausgang des Vergleichers 818 den Verstärker 808 sofort unter Verwendung der Latch-Schaltung 812 frei, so dass der Verstärker 808 mit den Regeln des Gate des Transistors M3 beginnt.
Der Transistor M2 wird eingeschaltet und an Masse gekoppelt, und als solches beträgt die Spannung an dem Induktor 302 V_OUT, was zu einer festen Induktorstromabklingrate führt, wie bei 904 zu sehen. Nachdem der Strom I_M3 I_SMALL zur Zeit t₅ erreicht, kann der Stromvergleicher 814 auslösen und die Latch-Schaltung 812 in 8 zurücksetzen.
Der Nebenschlusskreis ist nun gesperrt, was zum Liefern des Stroms I_SMALL an den Ausgangsknoten und zu einem sehr kleinen positiven Ausschlag unmittelbar nach Zeit t₅ in der Ausgangsspannung 902 führt. Die Ausgangsspannung 902 liegt viel näher an der geregelten Spannung V_REG, als es der Fall in 7 war. Außerdem ist mit den Techniken von 8 keine zusätzliche Ausgangskapazität erforderlich, wodurch eine kleine Grundfläche beibehalten und die Kosten reduziert werden.
10 ist ein Schemadiagramm eines weiteren Beispiels einer Spannungsreglerschaltung, die verschiedene Techniken der vorliegenden Offenbarung umsetzen kann. Viele der Komponenten der Spannungsreglerschaltung 1000 in 10 sind ähnlich den Komponenten der Spannungsreglerschaltung 800 von 8 und werden aus Gründen der Kürze nicht wieder beschrieben.
In dem in 8 gezeigten Beispiel weisen die Fehlerverstärkerschaltung 312 und die Verstärkerschaltung 808 separate Eingangsstufenschaltungen und Ausgangsstufenschaltungen auf. Weil sich jedoch die Fehlerverstärkerschaltung 312 und die Verstärkerschaltung 808 die gleichen Eingänge von V_FB und V_REG teilen, können sich die Fehlerverstärkerschaltung 312 von 8 und die Verstärkerschaltung 808 von 8 eine Eingangsstufenschaltung teilen. Eine derartige Konfiguration ist in 10 gezeigt, mit einer gemeinsamen Eingangsstufenschaltung 1002, und separaten Ausgangsstufenschaltungen für den Fehlerverstärker 1004 (die Funktion der Fehlerverstärkerschaltung 312 von 8 ausführend) und die Verstärkerschaltung 1006 (die Funktion der Verstärkerschaltung 808 von 8 ausführend).
11 ist ein Schemadiagramm eines weiteren Beispiels einer Spannungsreglerschaltung, die verschiedene Techniken der vorliegenden Offenbarung umsetzen kann. Viele der Komponenten der Spannungsreglerschaltung 1100 in 11 sind ähnlich den Komponenten der Spannungsreglerschaltung 800 von 8 und werden aus Gründen der Kürze nicht wieder beschrieben.
In der in 8 gezeigten Implementierung gibt es keine Zeitperiode, während der sowohl die Fehlerverstärkerschaltung 312 von 8 als auch die Verstärkerschaltung 808 von 8 zur gleichen Zeit arbeiten müssen. Als solches können in einer alternativen Konfiguration, wie in 11 gezeigt, diese beiden Verstärker zu einem einzelnen Verstärker mit einer Multiplexerschaltung kombiniert werden, die an den Ausgang des Verstärkers gekoppelt ist, um die verschiedenen Teile der Schaltung 1100 zu verschiedenen Zeiten abhängig von dem Arbeitsmodus anzusteuern.
Beispielsweise können die Fehlerverstärkerschaltung 312 von 8 und die Verstärkerschaltung 808 von 8 zu einer einzelnen Verstärkerschaltung 1102 (mit einer Eingangsstufe und einer Ausgangsstufe) und mit einem an eine Multiplexerschaltung 1106 gekoppelten Ausgang 1104 kombiniert werden. Die Multiplexerschaltung 1106 kann das Freigabesignal von der Latch-Schaltung 812 verwenden, um den Ausgang der Verstärkerschaltung 1102 selektiv entweder an den Schaltkreis („B“-Ausgang der Multiplexerschaltung) oder an den Steuerknoten des Nebenschlussschalters M3 („A“-Ausgang der Multiplexerschaltung) zu koppeln.
12 ist ein Schemadiagramm eines weiteren Beispiels einer Spannungsreglerschaltung, die verschiedene Techniken der vorliegenden Offenbarung umsetzen kann. Viele der Komponenten der Spannungsreglerschaltung 1200 in 12 sind ähnlich den Komponenten der Spannungsreglerschaltung 800 von 8 und werden aus Gründen der Kürze nicht wieder beschrieben.
In einer Buck-Boost-Konfiguration, wie etwa in 12 gezeigt, kann der Schaltkreis vier Schalterstromkreise enthalten. Der Schaltkreis kann einen ersten Schalterstromkreis enthalten, wie etwa mit dem Transistor MA, gekoppelt über einen Eingangsknoten V_IN der Spannungsreglerschaltung 1200 und einem ersten Schaltkreisknoten 1202. Der Schaltkreis kann einen zweiten Schalterstromkreis enthalten, wie etwa mit dem Transistor MB, gekoppelt mit dem ersten Schaltkreisknoten 1202 und einem Schaltungsmasseknoten. Der Schaltkreis kann einen dritten Schalterstromkreis enthalten, wie etwa mit dem Transistor MC, gekoppelt mit einem zweiten Schaltkreisknoten 1204 und dem Schaltungsmassenknoten. Der Schaltkreis kann weiter einen vierten Schalterstromkreis enthalten, wie etwa mit dem Transistor MD, gekoppelt mit dem zweiten Schaltkreisknoten 1204 und dem Ausgangsknoten. Der Induktor und der Nebenschlussschalter M3 können mit dem ersten Schaltkreisknoten 1202 und dem zweiten Schaltkreisknoten 1204 gekoppelt sein.
13 ist ein Schemadiagramm eines weiteren Beispiels einer Spannungsreglerschaltung, die verschiedene Techniken der vorliegenden Offenbarung umsetzen kann. Viele der Komponenten der Spannungsreglerschaltung 1300 in 13 sind ähnlich den Komponenten der Spannungsreglerschaltung 800 von 8 und werden aus Gründen der Kürze nicht wieder beschrieben.
In einer Boost-Konfiguration, wie etwa in 13 gezeigt, kann der Induktor 302 mit dem Eingangsknoten V_IN der Spannungsreglerschaltung 1300 gekoppelt sein. Der Schaltkreis kann einen ersten Schalterstromkreis enthalten, mit dem Transistor M1, gekoppelt mit einem Schaltkreisknoten 1302 und einem Schaltungsmasseknoten. Der Schaltkreis kann einen zweiten Schalterstromkreis enthalten, mit dem Transistor M2, gekoppelt mit dem Ausgangsknoten 802 und dem Schaltkreisknoten 1302. Der Nebenschlussschalter M3 kann parallel zu dem Induktor 302 und mit dem Schaltkreisknoten 1302 und dem Eingangsknoten V_IN gekoppelt sein.
Verschiedene Anmerkungen
1 Jeder dieser nichtbeschränkenden Aspekte oder jedes dieser nichtbeschränkenden Beispiele, die hier beschrieben sind, kann für sich selbst stehen oder kann in verschiedenen Permutationen oder Kombinationen mit einem oder mehreren der anderen Beispiele kombiniert werden.
1 Die obige ausführliche Beschreibung weist Referenzen auf die beiliegenden Zeichnungen auf, die einen Teil der ausführlichen Beschreibung bilden. Die Zeichnungen zeigen als Veranschaulichung spezifische Ausführungsformen, in denen die Erfindung praktiziert werden kann. Diese Ausführungsformen werden hier auch als „Beispiele“ bezeichnet. Solche Beispiele können Elemente zusätzlich zu jenen gezeigten oder beschriebenen aufweisen. Jedoch erwägen die Erfinder der vorliegenden Erfindung auch Beispiele, in denen nur jene gezeigten oder beschriebenen Elemente vorgesehen sind. Die Erfinder der vorliegenden Erfindung erwägen zudem auch Beispiele unter Verwendung einer beliebigen Kombination oder Permutation von jenen gezeigten oder beschriebenen Elementen (oder einem oder mehreren Aspekten davon), entweder bezüglich eines bestimmten Beispiels (oder eines oder mehrerer Aspekte davon) oder bezüglich anderer Beispiele (oder eines oder mehrerer Aspekte davon), die hierin gezeigt oder beschrieben sind.
Im Fall unstimmiger Verwendungen zwischen diesem Dokument und etwaigen derart durch Bezugnahme aufgenommenen Dokumenten ist die Verwendung in diesem Dokument maßgebend.
In diesem Dokument werden die Ausdrücke „ein, einer, eines“ verwendet, wie in Patentdokumenten üblich ist, um einen oder mehr als einen aufzuweisen, unabhängig von beliebigen anderen Instanzen oder Nutzungen von „mindestens einer“ oder „einer oder mehrere“. In diesem Dokument wird der Ausdruck „oder“ verwendet, um sich auf ein nicht exklusives oder zu beziehen, so dass „A oder B“ „A, aber nicht B“, „B, aber nicht A“ und „A und B“ aufweist, sofern nicht etwas anderes angegeben ist. In diesem Dokument werden die Ausdrücke „aufweisend“ und „in dem“ als die Äquivalente in einfacher Sprache der jeweiligen Ausdrücke „aufweisend“ und „wobei“ verwendet.
In den folgenden Ansprüchen sind die Ausdrücke „aufweisend“ und „umfassend“ offene, das heißt, ein System, eine Einrichtung, ein Artikel, eine Zusammensetzung, eine Formulierung oder ein Prozess, die Elemente zusätzlich zu jenen oben aufgeführten nach einem derartigen Ausdruck in einem Anspruch aufweisen, sollen immer noch in den Schutzbereich dieses Anspruchs fallen. Zudem werden in den folgenden Ansprüchen die Ausdrücke „erster“, „zweiter“ und „dritter“ usw. lediglich als Etiketten verwendet und sollen ihren Objekten keine Zahlenanforderungen auferlegen.
Hierin beschriebene Verfahrensbeispiele können mindestens teilweise maschinen- oder computerimplementiert sein. Einige Beispiele können ein computerlesbares Medium oder ein maschinenlesbares Medium aufweisen, das mit Anweisungen codiert ist, die betätigt werden können, um eine Elektronikeinrichtung dazu auszubilden, Verfahren wie in den obigen Beispielen beschrieben durchzuführen. Eine Implementierung solcher Verfahren kann einen Code wie etwa einen Mikrocode, einen Assemblersprachencode, einen Sprachcode auf höherer Ebene oder dergleichen aufweisen. Ein derartiger Code kann computerlesbare Anweisungen zum Durchführen verschiedener Verfahren aufweisen. Der Code kann Abschnitte von Computerprogrammprodukten bilden. Weiter kann der Code in einem Beispiel dinglich in einem oder mehreren volatilen, nichtflüchtigen oder nichtvolatilen dinglichen computerlesbaren Medien gespeichert sein, wie etwa während der Ausführung oder zu anderen Zeiten. Beispiele dieser dinglichen computerlesbaren Medien können unter anderem Festplatten, entfernbare Magnetplatten, entfernbare optische Platten (z. B. CDs und DVDs), Magnetkassetten, Speicherkarten oder Sticks, Direktzugriffsspeicher (RAMs), Festwertspeicher (ROMs) und dergleichen aufweisen.
Die obige Beschreibung soll veranschaulichend und nicht restriktiv sein. Beispielsweise können die oben beschriebenen Beispiele (oder einer oder mehrere Aspekte davon) in Kombination miteinander verwendet werden. Andere Ausführungsformen können verwendet werden, wie etwa durch einen Durchschnittsfachmann bei Betrachtung der obigen Beschreibung. Die Zusammenfassung ist gemäß 37 C.F.R. § 1.72(b) bereitgestellt, damit der Leser die Natur der technischen Offenbarung schnell feststellen kann. Sie wird mit dem Verständnis unterbreitet, dass sie nicht dazu verwendet wird, den Schutzbereich oder die Bedeutung der Ansprüche auszulegen oder zu begrenzen. Außerdem können in der obigen ausführlichen Beschreibung verschiedene Merkmale miteinander gruppiert sein, um die Offenbarung zu vereinfachen. Dies sollte nicht als Absicht ausgelegt werden, dass ein unbeanspruchtes offenbartes Merkmal für irgendeinen Anspruch wesentlich ist. Vielmehr kann der erfindungsgemäße Gegenstand in weniger als allen Merkmalen einer bestimmten offenbarten Ausführungsform liegen. Somit sind die folgenden Ansprüche hiermit in die ausführliche Beschreibung als Beispiele oder Ausführungsformen integriert, wobei jeder Anspruch als eine separate Ausführungsform für sich selbst steht, und es wird in Betracht gezogen, dass solche Ausführungsformen in verschiedenen Kombinationen oder Permutationen miteinander kombiniert werden können. Der Schutzbereich der Erfindung sollte unter Bezugnahme auf die beigefügten Ansprüche bestimmt werden zusammen mit dem vollen Schutzbereich von Äquivalenten, auf die solche Ansprüche ein Anrecht haben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 10790747 [0010, 0011]

Claims

Spannungsreglerschaltung, umfassend: einen Schaltkreis zum Verstellen eines Schalttastverhältnisses zum Regeln einer Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten der Spannungsreglerschaltung unter Verwendung eines Fehlersignals, das eine Differenz zwischen einem Zielspannungswert und der Ausgangsspannung darstellt; einen Induktor, der mit dem Schaltkreis gekoppelt und ausgelegt ist zum Liefern eines Induktorstroms an den Ausgangsknoten; einen Nebenschlusskreis, der parallel zu dem Induktor gekoppelt ist, wobei der Nebenschlusskreis den Induktorstrom von dem Ausgangsknoten wegleitet, wenn die Ausgangsspannung eine spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt, wobei der Nebenschlusskreis einen Nebenschlussschalter enthält, der parallel zu dem Induktor gekoppelt ist, wobei der Nebenschlussschalter einen Steuerknoten enthält; und eine Nebenschlusskreis-Steuerschaltung, die eine Verstärkerschaltung und eine Vergleicherschaltung enthält, wobei die Verstärkerschaltung einen Ausgang aufweist, der mit dem Steuerknoten des Nebenschlussschalters gekoppelt ist, wobei die Vergleicherschaltung die Ausgangsspannung mit der spezifizierten maximalen Ausgangsspannung und einer Zielspannung unter der spezifizierten maximalen Ausgangsspannung vergleichen soll, die Verstärkerschaltung freigeben soll, wenn die Ausgangsspannung die spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt, um eine Spannung an dem Steuerknoten des Nebenschlusskreises zu verstellen, um eine Menge des von dem Ausgangsknoten weggelenkten Induktorstroms zu steuern, und um die Verstärkerschaltung nach dem Freigeben des Nebenschlussschalters zu sperren, wenn die Ausgangsspannung zu der Zielspannung abnimmt.
Spannungsreglerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Nebenschlusskreis-Steuerschaltung eine mit einem Ausgang der Vergleicherschaltung und an einen Freigabeeingang der Verstärkerschaltung gekoppelte Latch-Schaltung enthält.
Spannungsreglerschaltung nach Anspruch 2, wobei die Nebenschlusskreis-Steuerschaltung eine Stromvergleicherschaltung enthält zum Vergleichen eines Stroms durch den Nebenschlussschalter mit einem Zielstrom und Ausgeben eines Rücksetzsignals zu der Latch-Schaltung, wenn der Strom durch den Nebenschlussschalter unter den Zielstrom abnimmt.
Spannungsreglerschaltung nach Anspruch 1, wobei die Nebenschlusskreis-Steuerschaltung eine mit dem Steuerknoten des Nebenschlussschalters und an den Ausgang der Vergleicherschaltung gekoppelte Stromquellenschaltung enthält, wobei die Vergleicherschaltung die Stromquellenschaltung freigeben soll, wenn die Ausgangsspannung die spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt.
Spannungsreglerschaltung nach Anspruch 1, umfassend: eine Rückkopplungsschaltung einschließlich einer Fehlerverstärkerschaltung zum Erzeugen eines Fehlersignals, das eine Differenz zwischen einer Zielspannung und der Ausgangsspannung darstellt, wobei die Fehlerverstärkerschaltung und die Verstärkerschaltung sich eine Eingangsstufenschaltung teilen.
Spannungsreglerschaltung nach Anspruch 1, umfassend: eine Rückkopplungsschaltung einschließlich einer Fehlerverstärkungsschaltung zum Erzeugen eines Fehlersignals, das eine Differenz zwischen einer Zielspannung und der Ausgangsspannung darstellt, wobei die Fehlerverstärkerschaltung und die Verstärkerschaltung separate Eingangsstufenschaltungen und Ausgangsstufenschaltungen aufweisen.
Spannungsreglerschaltung nach Anspruch 1, umfassend: eine Multiplexerschaltung zum Verwenden eines Freigabesignals zum selektiven Koppeln des Ausgangs der Verstärkerschaltung entweder an den Schaltkreis oder an den Steuerknoten des Nebenschlussschalters.
Spannungsreglerschaltung nach Anspruch 1, wobei der Induktor mit dem Ausgangsknoten gekoppelt ist, wobei der Schaltkreis enthält: einen oberen Schalterstromkreis, der mit einem Schaltkreisknoten und einem Eingangsknoten der Spannungsreglerschaltung verbunden ist; und einen unteren Schaltstromkreis, der mit dem Schaltkreisknoten und einem Schaltungsmasseknoten verbunden ist; und wobei der Nebenschlussschalter parallel zu dem Induktor und mit dem Schaltkreisknoten und dem Ausgangsknoten gekoppelt ist.
Spannungsreglerschaltung nach Anspruch 1, wobei der Induktor mit einem Eingangsknoten der Spannungsreglerschaltung gekoppelt ist, wobei der Schaltkreis enthält: einen ersten Schalterstromkreis, der mit einem Schaltkreisknoten und einem Schaltungsmasseknoten verbunden ist; und einen zweiten Schalterstromkreis, der mit dem Ausgangsknoten und dem Schaltkreisknoten verbunden ist; und wobei der Nebenschlussschalter parallel zu dem Induktor und mit dem Schaltkreisknoten und dem Eingangsknoten gekoppelt ist.
Spannungsreglerschaltung nach Anspruch 1, wobei der Schaltkreis enthält: einen ersten Schalterstromkreis, der mit einem Eingangsknoten der Spannungsreglerschaltung und einem ersten Schaltkreisknoten gekoppelt ist; einen zweiten Schalterstromkreis, der mit dem ersten Schaltkreisknoten und einem Schaltungsmasseknoten gekoppelt ist; einen dritten Schalterstromkreis, der mit einem zweiten Schaltkreisknoten und dem Schaltungsmasseknoten gekoppelt ist; und einen vierten Schalterstromkreis, der mit dem zweiten Schaltkreisknoten und dem Ausgangsknoten gekoppelt ist; und wobei der Induktor und der Nebenschlussschalter mit dem ersten Schaltkreisknoten und dem zweiten Schaltkreisknoten gekoppelt sind.
Spannungsreglerschaltung nach Anspruch 1, umfassend: einen Ausgangskondensator, der mit dem Ausgangsknoten gekoppelt ist, wobei der Nebenschlusskreis den Induktor von dem Ausgangskondensator wegleiten soll, wenn die Ausgangsspannung die spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt.
Verfahren zum Betreiben einer Spannungsreglerschaltung, wobei das Verfahren umfasst: Aktivieren und Deaktivieren eines Schalterstromkreises zum Laden und Entladen eines Induktors zum Erzeugen einer Ausgangsspannung und Liefern eines Induktorstroms an einen Ausgangsknoten der Spannungsreglerschaltung; Verstellen eines Schalttastverhältnisses des Schalterstromkreises zum Regeln der Ausgangsspannung unter Verwendung eines Fehlersignals, das eine Differenz zwischen einem Zielspannungswert und der Ausgangsspannung darstellt; Vergleichen der Ausgangsspannung mit einer spezifizierten maximalen Ausgangsspannung; und Verstellen, durch Verwenden des Vergleichs der Ausgangsspannung mit der spezifizierten maximalen Ausgangsspannung, einer Spannung an einem Steuerknoten eines Nebenschlussschalters, um eine Menge des von dem Ausgangsknoten weggelenkten Induktorstroms zu steuern, wenn die Ausgangsspannung eine spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend: Betreiben einer Latch-Schaltung zum Freigeben eines Eingangs einer Verstärkerschaltung.
Verfahren nach Anspruch 13, umfassend: Vergleichen eines Stroms durch den Nebenschlussschalter mit einem Zielstrom und Ausgeben eines Rücksetzsignals an die Latch-Schaltung, wenn der Strom durch den Nebenschlussschalter unter den Zielstrom abnimmt.
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend: Freigeben einer Stromquellenschaltung, wenn die Ausgangsspannung die spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt.
Verfahren nach Anspruch 12, umfassend: selektives Koppeln eines Ausgangs einer Verstärkerschaltung entweder an einen Schaltkreis oder an einen Steuerknoten des Nebenschlussschalters.
Spannungsreglerschaltung, umfassend: eine Treiberschaltung zum Aktivieren und Deaktivieren eines Schalterstromkreises zum Laden und Entladen eines Induktors zum Erzeugen einer Ausgangsspannung und Liefern eines Induktorstroms an einen Ausgangsknoten der Spannungsreglerschaltung, wobei die Treiberschaltung eine Ausgangsspannung an einem Ausgangsknoten der Spannungsreglerschaltung unter Verwendung eines Fehlersignals regeln soll, das eine Differenz zwischen einem Zielspannungswert und der Ausgangsspannung darstellt; Mittel zum Vergleichen der Ausgangsspannung mit einer spezifizierten maximalen Ausgangsspannung; und Mittel zum Verstellen, unter Verwendung des Vergleichs der Ausgangsspannung mit der spezifizierten maximalen Ausgangsspannung, einer Spannung an einem Steuerknoten eines Nebenschlussschalters, um eine Menge des von dem Ausgangsknoten weggelenkten Induktorstroms zu steuern, wenn die Ausgangsspannung eine spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt.
Spannungsreglerschaltung nach Anspruch 17, umfassend: ein Mittel zum Freigeben eines Eingangs einer Verstärkerschaltung, wobei das Mittel zum Freigeben mit einem Ausgang einer Vergleicherschaltung und mit einem Freigabeeingang der Verstärkerschaltung gekoppelt ist.
Spannungsreglerschaltung nach Anspruch 17, umfassend: ein Mittel zum Vergleichen eines Stroms durch den Nebenschlussschalter mit einem Zielstrom und Ausgeben eines Rücksetzsignals an das Mittel zum Freigeben, wenn der Strom durch den Nebenschlussschalter unter den Zielstrom abnimmt.
Spannungsreglerschaltung nach Anspruch 17, wobei die Nebenschlusskreis-Steuerschaltung eine Stromquellenschaltung enthält, die mit dem Steuerknoten des Nebenschlussschalters und mit dem Ausgang der Vergleicherschaltung verbunden ist, wobei die Vergleicherschaltung die Stromquellenschaltung freigeben soll, wenn die Ausgangsspannung die spezifizierte maximale Ausgangsspannung übersteigt.