DE102023103490A1

DE102023103490A1 - Stromversorgungsschaltung

Info

Publication number: DE102023103490A1
Application number: DE102023103490.1A
Authority: DE
Inventors: Hisashi Sugie
Original assignee: Rohm Co Ltd
Current assignee: Rohm Co Ltd
Priority date: 2022-02-18
Filing date: 2023-02-14
Publication date: 2023-08-24
Also published as: JP2023120946A; US12015339B2; US20230268829A1

Abstract

Ein Linearregler 110 stellt eine Zwischenspannung VREGOUTan einem Ausgangsknoten OUT so ein, dass sich eine Ausgangsspannung VOUTan einem Ausgangsanschluss 104 einer ersten Sollspannung VOUT (REF1)nähert. Eine Dixon-Ladungspumpenschaltung 120 geht in einen Sperrzustand über, wenn die Ausgangsspannung VOUThöher ist als eine Schwellenspannung VTH(CP), die niedriger ist als die erste Sollspannung VOUT (REF1), und gibt die Zwischenspannung VREGOUTan einem ersten Eingangsknoten IN1 an den Ausgangsknoten OUT im Sperrzustand aus, in einen Freigabezustand übergeht, wenn die Ausgangsspannung VOUTniedriger als die Schwellenspannung VTH (CP)ist, und die Ausgangsspannung VOUTan dem Ausgangsanschluss 104 auf eine zweite Sollspannung VOUT(REF2)stabilisiert, die als niedriger als die erste Sollspannung VOUT (REF1)in dem Freigabezustand bestimmt ist.

Description

HINTERGRUND
1. Technisches Gebiet
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Stromversorgungsschaltung.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Eine Stromversorgungsschaltung wird verwendet, um eine geeignete Versorgungsspannung an eine integrierte Schaltung (IC), einen Schaltungsblock in der IC oder verschiedene Lastschaltungen zu liefern. Als Stromversorgungsschaltung sind ein Linearregler, ein Schaltregler, wie z. B. ein Abwärtswandler oder ein Aufwärtswandler, eine Ladungspumpenschaltung und dergleichen bekannt, die entsprechend einer Spannungspegelbeziehung zwischen einer Eingangsspannung und einer Ausgangsspannung ausgewählt werden.
Insbesondere dann, wenn der Sollwert der Ausgangsspannung niedriger ist als die Eingangsspannung der Stromversorgung, wird der Linearregler oder der Abwärtswandler verwendet. Demgegenüber wird in einem Fall, in dem der Sollpegel der Ausgangsspannung höher ist als die Eingangsspannung der Versorgungsspannung, die Ladungspumpenschaltung oder der Aufwärtswandler verwendet.
Es wird ein Stromversorgungsschaltung (interner Stromversorgungsschaltkreis) betrachtet, der in einem beliebigen Funktions-IC eingebaut ist. Die interne Stromversorgungsschaltung erzeugt eine Versorgungsspannung für einen Schaltungsblock in demselben funktionalen IC. Dabei wird durch einen als Last dienenden Schaltungsblock ein Sollwert für die Ausgangsspannung der internen Stromversorgungsschaltung bestimmt. Andererseits ist eine Eingangsspannung der internen Stromversorgungsschaltung eine Versorgungsspannung, die dem funktionalen IC zugeführt wird. Dementsprechend wird als Reaktion auf eine Stromversorgungsspannung der Anwendungsschaltung (Plattform) eine Größenbeziehung zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung der internen Stromversorgungsschaltung, in der der funktionale IC verwendet wird, bestimmt.
Ist ein funktionaler IC mit einer internen Stromversorgungsschaltung versehen, die sowohl in einer Anwendungsschaltung, in der ein Sollpegel einer Ausgangsspannung höher als ein Sollpegel einer Eingangsspannung ist, als auch in einer Anwendungsschaltung, in der ein Sollpegel einer Ausgangsspannung niedriger als ein Sollpegel einer Eingangsspannung ist, arbeiten kann, so kann ein solcher funktionaler IC für eine Vielzahl von Anwendungsschaltungen verwendet werden, und die Vielzahl von Anwendungsschaltungen kann leicht entworfen werden.
ÜBERBLICK
Die vorliegende Offenbarung wurde in einer solchen Situation gemacht, und allgemeiner Zweck einer Ausführungsform von dieser ist es, eine Stromversorgungsschaltung bereitzustellen, die mit einem breiten Bereich von Eingangsspannungen fertig wird.
Eine Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung bezieht sich auf eine Stromversorgungsschaltung. Die Stromversorgungsschaltung umfasst einen Eingangsanschluss, der so anzuschließen ist, dass er eine Eingangsspannung empfängt, einen Ausgangsanschluss, der mit einer Last zu verbinden ist, einen Linearregler, der einen mit dem Eingangsanschluss verbundenen Eingangsknoten und einen Ausgangsknoten aufweist und so aufgebaut ist, dass er eine Zwischenspannung am Ausgangsknoten so einstellt, dass sich eine Ausgangsspannung am Ausgangsanschluss einer ersten Sollspannung nähert, und eine Dixon-Ladungspumpenschaltung, die einen ersten Eingangsknoten, der so angeschlossen ist, dass er die Zwischenspannung empfängt, einen zweiten Eingangsknoten, der so angeschlossen ist, dass er die Eingangsspannung empfängt, und einen Ausgangsknoten aufweist, der mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist. Die Ladungspumpenschaltung ist so aufgebaut, dass sie in einen Sperrzustand eintritt, wenn die Ausgangsspannung höher als eine Schwellenspannung ist, die als niedriger als die erste Sollspannung bestimmt ist, um die Spannung an dem ersten Eingangsknoten in dem Sperrzustand an den Ausgangsknoten auszugeben, um in einen Freigabezustand einzutreten, wenn die Ausgangsspannung niedriger als die Schwellenspannung ist, und um die Ausgangsspannung auf eine zweite Sollspannung zu stabilisieren, die bestimmt wurde, in dem Freigabezustand niedriger als die erste Sollspannung zu sein.
Eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist auch eine Stromversorgungsschaltung. Die Stromversorgungsschaltung umfasst einen Eingangsanschluss, der so anzuschließen ist, dass er eine Eingangsspannung empfängt, einen Ausgangsanschluss, einen ersten Transistor mit einer Source, die mit dem Eingangsanschluss verbunden ist, einen Fehlerverstärker, der so aufgebaut ist, dass er einen Fehler zwischen einer Referenzspannung und einer Rückkopplungsspannung, die einer Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss entspricht, verstärkt, und einen Ausgang hat, der mit einem Gate des ersten Transistors verbunden ist, einen fliegenden Kondensator, eine Treiberschaltung, die so aufgebaut ist, dass sie eine Schaltspannung, die zwischen einer hohen Spannung, die der Eingangsspannung entspricht, und einer niedrigen Spannung, die eine Massespannung ist, umschaltet, an ein Ende des fliegenden Kondensators anlegt, ein erstes Gleichrichterelement, das zwischen ein anderes Ende des fliegenden Kondensators und einen Drain des ersten Transistors geschaltet ist, ein zweites Gleichrichterelement, das zwischen das andere Ende des fliegenden Kondensators und den Ausgangsanschluss geschaltet ist, und eine Steuerung, die so aufgebaut ist, dass sie die Treiberschaltung in einem Freigabezustand aktiviert und die Treiberschaltung in einem Sperrzustand stoppt.
Man beachte, dass alle Kombinationen der oben genannten Komponenten und gegenseitige Ersetzungen von Komponenten und Ausdrücke unter Methoden, Vorrichtungen, Systemen und dergleichen auch als Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung oder der vorliegenden Erfindung wirksam sind. Darüber hinaus beschreibt die Beschreibung dieses Punktes (Mittel zur Lösung der Aufgabe) nicht alle wesentlichen Merkmale der vorliegenden Erfindung, und somit können auch Unterkombinationen dieser beschriebenen Merkmale die vorliegende Erfindung darstellen.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist es möglich, eine Stromversorgungsschaltung bereitzustellen, die mit einem breiten Bereich von Eingangsspannungen zurechtkommt.
Figurenliste
Die Ausführungsformen werden nun lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungsfiguren beschrieben, die beispielhaft und nicht einschränkend sein sollen und in denen gleiche Elemente in mehreren Figuren gleich nummeriert sind:

1 ist ein Schaltplan einer Stromversorgungsschaltung gemäß einer Ausführungsform;
2 ist ein Betriebswellenformdiagramm der Stromversorgungsschaltung von 1;
3 ist ein Schaltplan einer Stromversorgungsschaltung gemäß einer vergleichbaren Technik;
4 ist ein Schaltplan einer Stromversorgungsschaltung gemäß einem ersten Beispiel;
5 ist ein Betriebswellenformdiagramm der Stromversorgungsschaltung von 4;
6 ist ein Schaltplan einer Stromversorgungsschaltung gemäß einem zweiten Beispiel;
7 ist ein Schaltplan einer Stromversorgungsschaltung gemäß einem dritten Beispiel;
8 ist ein Schaltplan einer Stromversorgungsschaltung gemäß einem vierten Beispiel;
9 ist ein Blockdiagramm eines Schaltkreises; und
10 ist ein Blockdiagramm eines Motortreibers.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Skizze der Ausführungsform
Es wird ein Abriss einiger illustrativer Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung beschrieben. Dieser Abriss beschreibt einige Konzepte einer oder mehrerer Ausführungsformen in vereinfachter Weise zum Zweck des grundlegenden Verständnisses der Ausführungsform als Einführung in die nachfolgend zu beschreibende detaillierte Beschreibung und schränkt die Breite der Erfindung oder Offenbarung nicht ein. Dieser Abriss ist keine umfassende Darstellung aller in Betracht kommenden Ausführungsformen und dient nicht dazu, Schlüsselelemente aller Ausführungsformen anzugeben oder den Umfang einiger oder aller Ausführungsformen abzugrenzen. Der Einfachheit halber kann sich der Begriff „eine Ausführungsform“ auf eine Ausführungsform (Beispiel oder modifiziertes Beispiel) oder auf eine Vielzahl von Ausführungsformen (Beispiele oder modifizierte Beispiele) beziehen, die in der vorliegenden Beschreibung offenbart werden.
Eine Stromversorgungsschaltung gemäß einer Ausführungsform enthält einen Eingangsanschluss, der zum Empfang einer Eingangsspannung anzuschließen ist, einen Ausgangsanschluss, der mit einer Last zu verbinden ist, einen Linearregler mit einem Eingangsknoten, der mit dem Eingangsanschluss verbunden ist, und einem Ausgangsknoten, der so aufgebaut ist, dass er eine Zwischenspannung am Ausgangsknoten so einstellt, dass sich eine Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss einer ersten Sollspannung nähert, und eine Ladungspumpenschaltung vom Dixon-Typ mit einem ersten Eingangsknoten, der zum Empfang der Zwischenspannung angeschlossen ist, einem zweiten Eingangsknoten, der zum Empfang der Eingangsspannung gekoppelt ist, und einem Ausgangsknoten, der mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist. Die Ladungspumpenschaltung ist so aufgebaut, dass sie in einen Sperrzustand eintritt, wenn die Ausgangsspannung höher als eine Schwellenspannung ist, die als niedriger als die erste Sollspannung bestimmt ist, dass sie im Sperrzustand eine Spannung am ersten Eingangsknoten an den Ausgangsknoten ausgibt, dass sie in einen Freigabezustand eintritt, wenn die Ausgangsspannung niedriger als die Schwellenspannung ist, und dass sie im Freigabezustand die Ausgangsspannung auf eine zweite Sollspannung stabilisiert, die als niedriger als die erste Sollspannung bestimmt ist
Gemäß dieser Konfiguration geht die Ladungspumpenschaltung in einem Zustand, in dem die Eingangsspannung ausreichend hoch ist, in den Sperrzustand über, und die Ausgangsspannung wird auf der ersten Sollspannung stabilisiert. Nimmt die Eingangsspannung ab, so kann die Linearreglerschaltung die Ausgangsspannung nicht auf der ersten Sollspannung halten, und die Ausgangsspannung fällt unter die Schwellenspannung, die Ladungspumpenschaltung geht in den Aktivierungszustand über, und die Ausgangsspannung kann auf der zweiten Sollspannung stabilisiert werden, die etwas niedriger als die erste Sollspannung ist. Da der Linearregler auch in einem Zustand arbeitet, in dem die Eingangsspannung sinkt und in einen Volllastbetrieb übergeht, wird die Ladungspumpenschaltung mit einer Zwischenspannung nahe der Eingangsspannung versorgt. Da der Linearregler ständig in Betrieb ist, lässt sich eine diskontinuierliche Änderung der Ausgangsspannung durch Umschalten des Zustands verhindern.
In einer Ausführungsform kann die Ladungspumpenschaltung ferner einen ersten Komparator mit Hysterese zum Vergleichen einer der Ausgangsspannung entsprechenden Überwachungsspannung mit einem oberen Schwellenwert und einem unteren Schwellenwert entsprechend der zweiten Sollspannung enthalten. Die Ladungspumpenschaltung kann als Reaktion auf eine Ausgabe des ersten Komparators im Freigabezustand eine Betriebsperiode und eine Stoppperiode wiederholen. Gemäß dieser Konfiguration kann die Ausgangsspannung im Freigabezustand der Ladungspumpenschaltung in dem durch den oberen Schwellenwert und den unteren Schwellenwert bestimmten Spannungsbereich stabilisiert werden.
In einer Ausführungsform kann die Ladungspumpenschaltung einen fliegenden Kondensator, eine Treiberschaltung, die so aufgebaut ist, dass sie im Freigabezustand abwechselnd die Eingangsspannung und eine Massespannung an ein erstes Ende des fliegenden Kondensators anlegt, ein erstes Gleichrichterelement, das zwischen dem ersten Eingangsknoten und einem zweiten Ende des fliegenden Kondensators vorgesehen ist, und ein zweites Gleichrichterelement, das zwischen dem zweiten Ende des fliegenden Kondensators und dem Ausgangsknoten vorgesehen ist, umfassen.
In einer Ausführungsform kann die Ladungspumpenschaltung ferner einen zweiten Komparator umfassen, der so aufgebaut ist, dass er die Ausgangsspannung mit einer Spannung am zweiten Ende des fliegenden Kondensators in einem Abschnitt vergleicht, in dem das erste Ende des fliegenden Kondensators während einer Periode, in der sich die Ladungspumpenschaltung im Freigabezustand befindet, niedrig ist, und der so aufgebaut ist, dass er ein Stoppsignal aktiviert, wenn die Ausgangsspannung niedriger ist. Die Ladungspumpenschaltung kann in den Sperrzustand übergehen, wenn das Stoppsignal aktiviert wird. In einem Fall, in dem die Kapazität der Ladungspumpenschaltung niedriger ist als der elektrische Laststrom, wenn die Ladungspumpenschaltung betrieben wird, ist die Ausgangsspannung niedriger als die Zwischenspannung. Diese Situation kann durch den zweiten Komparator erkannt werden, und der Abfall der Ausgangsspannung kann unterbunden werden, indem die Ladungspumpenschaltung so eingestellt wird, dass sie als Reaktion auf das durch den zweiten Komparator erzeugte Stoppsignal in den Sperrzustand übergeht.
In einer Ausführungsform kann das erste Gleichrichterelement ein erster Synchronisations-Gleichrichtertransistor sein, der so aufgebaut ist, dass er im Freigabezustand zwischen EIN und AUS schaltet und sich im Sperrzustand in einem eingeschalteten Zustand befindet, und das zweite Gleichrichterelement kann ein zweiter Synchronisations-Gleichrichtertransistor sein, der so aufgebaut ist, dass er im Freigabezustand komplementär zum ersten Synchronisations-Gleichrichtertransistor zwischen EIN und AUS schaltet und sich im Sperrzustand in einem eingeschalteten Zustand befindet.
In einer Ausführungsform können das erste Gleichrichterelement und das zweite Gleichrichterelement Dioden sein.
In einer Ausführungsform kann die Ladungspumpenschaltung ferner einen zweiten Komparator umfassen, der so aufgebaut ist, dass er die Ausgangsspannung mit der Zwischenspannung vergleicht und ein Stoppsignal ausgibt, wenn die Ausgangsspannung niedriger ist. Die Ladungspumpenschaltung kann in den Sperrzustand übergehen, wenn das Stoppsignal aktiviert wird. In einem Fall, in dem die Kapazität der Ladungspumpenschaltung niedriger als der elektrische Laststrom ist, wenn die Ladungspumpenschaltung betrieben wird, ist die Ausgangsspannung niedriger als die Zwischenspannung. Diese Situation kann durch den zweiten Komparator erkannt werden, und der Abfall der Ausgangsspannung kann unterbunden werden, indem die Ladungspumpenschaltung so eingestellt wird, dass sie als Reaktion auf das durch den zweiten Komparator erzeugte Stoppsignal in den Sperrzustand übergeht.
In einer Ausführungsform kann die Stromversorgungsschaltung ferner einen zweiten Komparator enthalten, der so aufgebaut ist, dass er die Ausgangsspannung mit einer auf der Eingangsspannung basierenden Spannung vergleicht und ein Stoppsignal aktiviert, wenn die Ausgangsspannung niedriger ist. Die Ladungspumpenschaltung kann in den Sperrzustand übergehen, wenn das Stoppsignal aktiviert wird. In einem Fall, in dem die Kapazität der Ladungspumpenschaltung niedriger ist als der elektrische Laststrom, wenn die Ladungspumpenschaltung betrieben wird, ist die Ausgangsspannung niedriger als die Zwischenspannung. Diese Situation kann durch den zweiten Komparator erkannt werden, und der Abfall der Ausgangsspannung kann unterbunden werden, indem die Ladungspumpenschaltung so eingestellt wird, dass sie als Reaktion auf das durch den zweiten Komparator erzeugte Stoppsignal in den Sperrzustand übergeht.
In einer Ausführungsform kann der Linearregler einen ersten Transistor, dessen Source mit dem Eingangsknoten und dessen Drain mit dem Ausgangsknoten verbunden ist, einen zweiten Transistor, dessen Source mit dem Eingangsknoten, dessen Gate und dessen Drain mit dem Gate des ersten Transistors verbunden sind, und einen Fehlerverstärker, der so aufgebaut ist, dass er eine Referenzspannung und eine der Ausgangsspannung entsprechende Rückkopplungsspannung empfängt, und dessen Ausgang mit dem Gate des ersten Transistors und dem Gate und dem Drain des zweiten Transistors verbunden ist, umfassen.
In einer Ausführungsform kann die Stromversorgungsschaltung auf einem Halbleitersubstrat integriert sein. Der Begriff „integriert“ umfasst den Fall, dass alle Komponenten einer Schaltung auf einem Halbleitersubstrat ausgebildet sind, und den Fall, dass die Hauptkomponenten der Schaltung integriert sind und einige Widerstände, Kondensatoren und dergleichen außerhalb des Halbleitersubstrats vorgesehen sein können, um eine Schaltungskonstante einzustellen. Durch die Integration von Schaltkreisen auf einem Chip kann die Fläche eines Schaltkreises reduziert werden, und die Eigenschaften der Schaltungselemente können einheitlich gehalten werden.
Eine Stromversorgungsschaltung gemäß einer Ausführungsform umfasst einen Eingangsanschluss, der so angeschlossen ist, dass er eine Eingangsspannung empfängt, einen Ausgangsanschluss, einen ersten Transistor, dessen Source mit der Eingangsanschluss verbunden ist, einen Fehlerverstärker, der so aufgebaut ist, dass er einen Fehler zwischen einer Referenzspannung und einer Rückkopplungsspannung, die einer Ausgangsspannung an dem Ausgangsanschluss entspricht, verstärkt, und dessen Ausgang mit einem Gate des ersten Transistors verbunden ist, einen fliegenden Kondensator, eine Treiberschaltung, die so aufgebaut ist, dass sie eine Schaltspannung, die zwischen einer hohen Spannung, die der Eingangsspannung entspricht, und einer niedrigen Spannung, die eine Massespannung ist, umschaltet, an ein Ende des fliegenden Kondensators anlegt, ein erstes Gleichrichterelement, das zwischen ein anderes Ende des fliegenden Kondensators und einen Drain des ersten Transistors geschaltet ist, ein zweites Gleichrichterelement, das zwischen das andere Ende des fliegenden Kondensators und den Ausgangsanschluss geschaltet ist, und eine Steuerung, die so aufgebaut ist, dass sie die Treiberschaltung in einem Freigabezustand aktiviert und die Treiberschaltung in einem Sperrzustand stoppt.
Eine Gate-Treiberschaltung gemäß einer Ausführungsform steuert einen N-Typ-High-Side-Transistor. Die Gate-Treiberschaltung kann einen Schaltanschluss, mit dem ein Ende des High-Side-Transistors verbunden ist, einen Bootstrap-Anschluss, eine der oben genannten Stromversorgungsschaltungen, ein Gleichrichterelement für Bootstrap, das so aufgebaut ist, dass es zwischen einem Ausgangsanschluss der Stromversorgungsschaltung und dem Bootstrap-Anschluss bereitgestellt wird, und eine Vortreiberschaltung enthalten, die so aufgebaut ist, dass sie eine Bootstrap-Spannung an dem Bootstrap-Anschluss an das Gate des High-Side-Transistors liefert, um den High-Side-Transistor einzuschalten.
Ausführungsform
Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren eine bevorzugte Ausführungsform beschrieben. Die gleichen oder gleichwertige in den Zeichnungsfiguren dargestellten Komponenten, Elemente und Verarbeitung sind durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet, und die redundante Beschreibung wird gegebenenfalls weggelassen werden. Darüber hinaus soll die Ausführungsform die Offenbarung und Erfindung nicht begrenzen, sondern dies sind Beispiele, und alle Merkmale, die in der Ausführungsform beschrieben werden und Kombinationen von diesen sind nicht unbedingt wesentlich für die Offenbarung und Erfindung.
In der vorliegenden Beschreibung umfasst ein „Zustand, in dem ein Element A mit einem Element B verbunden ist“, nicht nur den Fall, in dem das Element A und das Element B physisch und direkt miteinander verbunden sind, sondern auch den Fall, in dem das Element A und das Element B indirekt durch ein anderes Element miteinander verbunden sind, das einen elektrischen Verbindungszustand zwischen diesen Elementen nicht wesentlich beeinflusst oder das eine Funktion oder einen Effekt, der durch die Kopplung dieser Elemente auftritt, nicht beeinträchtigt, die dazwischen angeordnet sind.
In ähnlicher Weise umfasst ein „Zustand, in dem ein Element C zwischen dem Element A und dem Element B angeschlossen (vorgesehen) ist“, nicht nur den Fall, in dem das Element A und das Element C oder das Element B und das Element C direkt miteinander verbunden sind, sondern auch den Fall, in dem diese Elemente indirekt durch ein anderes Element miteinander verbunden sind, das einen elektrischen Verbindungszustand zwischen diesen Elementen nicht wesentlich beeinflusst oder das eine Funktion oder eine Wirkung, die durch die Kopplung dieser Elemente gezeigt wird, nicht beeinträchtigt, die dazwischen angeordnet sind.
1 ist ein Schaltplan einer Stromversorgungsschaltung 100 gemäß der Ausführungsform. Die Stromversorgungsschaltung 100 umfasst einen Eingangsanschluss 102 und einen Ausgangsanschluss 104. Die Stromversorgungsschaltung 100 empfängt eine Eingangsspannung (Stromversorgungsspannung) V_CC an dem Eingangsanschluss 102 und liefert eine stabilisierte Ausgangsspannung V_OUT an eine mit der Ausgangsanschluss 104 verbundene Last. Die Ausgangsspannung V_OUT beträgt beispielsweise etwa 12 V, und die Eingangsspannung V_CC kann zwischen einer ersten Spannung (z. B. 15 V, 24 V oder 60 V), die höher als 12 V ist, und einer zweiten Spannung (z. B. 6 V), die niedriger als 12 V ist, gewählt werden.
Die Stromversorgungsschaltung 100 umfasst einen Linearregler 110 und eine Ladungspumpenschaltung 120. Der Linearregler 110 wird auch als Low-Drop-Output (LDO)-Regler bezeichnet und umfasst einen mit dem Eingangsanschluss 102 verbundenen Eingangsknoten IN, einen Ausgangsknoten OUT und einen Rückkopplungsknoten FB. Der Linearregler 110 empfängt am Rückkopplungsknoten FB eine Rückkopplungsspannung V_FB , die der am Ausgangsanschluss 104 erzeugten Ausgangsspannung V_OUT entspricht, und stellt eine am Ausgangsknoten OUT erzeugte Zwischenspannung V_REGOUT so ein, dass sich die Rückkopplungsspannung V_FB einer Referenzspannung V_REF nähert, mit anderen Worten, die Ausgangsspannung V_OUT nähert sich einer ersten Sollspannung V_{OUT (REF1)} . Die Stromversorgungsschaltung 100 umfasst eine Spannungsteilerschaltung 106 mit den Widerständen R11 und R12. Die Rückkopplungsspannung V_FB ist eine Spannung, die durch Teilung der Ausgangsspannung V_OUT durch die Widerstände R11 und R12 erhalten wird, und die erste Sollspannung V_{OUT (REF1)} wird durch Gleichung (1) ausgedrückt. $V_{OUT (REF1)} = V_{REF} \times (R11 + R12) / R12$
Die Ladungspumpenschaltung 120 ist vom Dixon-Typ und umfasst einen fliegenden Kondensator Cf, einen Ausgangskondensator Co, einen ersten Eingangsknoten IN1, einen zweiten Eingangsknoten IN2 und einen Ausgangsknoten OUT. Der erste Eingangsknoten IN1 ist mit dem Ausgangsknoten OUT des Linearreglers 110 verbunden und erhält die Zwischenspannung V_REGOUT. Der zweite Eingangsknoten IN2 ist mit dem Eingangsanschluss 102 verbunden und empfängt die Eingangsspannung Vcc . Der Ausgangsknoten OUT der Ladungspumpenschaltung 120 ist mit dem Ausgangsanschluss 104 verbunden.
Die Ladungspumpenschaltung 120 kann in Abhängigkeit von der Ausgangsspannung V_OUT zwischen einem Freigabezustand und einem Sperrzustand umgeschaltet werden. In der Ladungspumpenschaltung 120 wird eine Schwellenspannung V_{TH (CP)} eingestellt, die als niedriger als die erste Sollspannung V_{OUT (REF1)} bestimmt ist, und die Ladungspumpenschaltung geht in den Sperrzustand über, wenn V_OUT > V_{TH (CP)} . Die Ladungspumpenschaltung 120 wird im Sperrzustand durchlässig (leitend) und gibt die Zwischenspannung V_REGOUT am ersten Eingangsknoten IN1 unverändert an den Ausgangsknoten OUT aus. Die Ausgangsspannung V_OUT zu diesem Zeitpunkt wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt. $V_{OUT} = V_{REGOUT} - Δ V_{CP}$
ΔV_CP ist ein Spannungsabfall über der Ladungspumpenschaltung 120 im deaktivierten Zustand.
Die Ladungspumpenschaltung 120 geht in den Freigabezustand über, wenn V_OUT < V_TH(CP). Die Ladungspumpenschaltung 120 arbeitet im Freigabezustand synchron mit einem Taktsignal CLK, lädt den fliegenden Kondensator Cf mit der Zwischenspannung V_REGOUT am ersten Eingangsknoten IN1 auf und erzeugt am Ausgangsknoten (Ausgangskondensator Co) eine Spannung, die durch Addieren einer Spannung des fliegenden Kondensators Cf zu der Eingangsspannung V_CC am zweiten Eingangsknoten IN2 erhalten wird. Wenn die Ladungspumpenschaltung 120 im Freilauf ist, wird die Ausgangsspannung V_OUT durch die folgende Gleichung ausgedrückt. $V_{OUT} = V_{CC} + V_{REGOUT}$
Die Ladungspumpenschaltung 120 hat eine Ausgangsregelungsfunktion und stabilisiert die Ausgangsspannung V_OUT auf eine zweite Sollspannung V_{OUT (REF2)}, die im Freigabezustand niedriger als die erste Sollspannung V_{OUT (REF1) ist}. Die zweite Sollspannung V_{OUT (REF2)} kann so bestimmt werden, dass sie im Wesentlichen gleich der Schwellenspannung V_{TH (CP)} ist.
Wenn beispielsweise die erste Sollspannung V_{OUT (REF1)} 12,5 V beträgt, können die zweite Sollspannung V_{OUT (REF2)} und die Schwellenspannung V_{TH (CP)} etwa 11,5 V betragen, die um 1 V niedriger sind als die erste Sollspannung V_OUT(REF1).
Die obige Konfiguration ist eine Grundkonfiguration der Stromversorgungsschaltung 100. Als nächstes wird der Betrieb der Stromversorgungsschaltung 100 beschrieben. 2 ist ein Betriebswellenformdiagramm der Stromversorgungsschaltung 100 aus 1. Dargestellt ist eine Szene, in der die Eingangsspannung V_CC mit der Zeit von einem hohen Spannungsniveau auf ein niedriges Spannungsniveau abfällt.
Zwischen den Zeiten t₀ und t₁ ist die Eingangsspannung V_CC höher als die erste Sollspannung V_{OUT (REF1)}, und die Ausgangsspannung V_OUT wird durch den Linearregler 110 auf die erste Sollspannung V_{OUT (REF1)} stabilisiert. Dieser Zustand wird als LDO-Modus bezeichnet.
Wird die Eingangsspannung V_CC niedriger als die erste Sollspannung V_{OUT (REF1)}, so kann der Linearregler 110 die Ausgangsspannung V_OUT nicht auf der ersten Sollspannung V_{OUT (REF1)} halten, und die Ausgangsspannung V_OUT nimmt zusammen mit der Eingangsspannung Vcc ab (von t₁ bis t₂). In diesem Abschnitt von t₁ bis t₂ befindet sich ein Ausgangstransistor innerhalb des Linearreglers 110 in einem Vollastbetrieb, und die Zwischenspannung V_REGOUT erreicht einen Spannungspegel, der etwas niedriger ist als die Eingangsspannung Vcc . $V_{REGUOT} = V_{CC} - Δ V_{LDO}$
ΔV_LDO ist ein Spannungsabfall über dem Linearregler 110. Da V_OUT > V_{TH (CP)} ist, befindet sich die Ladungspumpenschaltung 120 im Sperrzustand, und die Ausgangsspannung V_OUT wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt. $V_{OUT} = V_{REGOUT} - Δ V_{CP} = V_{CC} - Δ V_{LDO} - Δ V_{CP}$
Der Abschnitt von t₁ bis t₂ wird als Durchgangsmodus bezeichnet.
Wenn die Ausgangsspannung V_OUT zum Zeitpunkt t₂ auf die Schwellenspannung V_{TH (CP)} sinkt, geht die Ladungspumpenschaltung 120 in den Freigabezustand über, und die Ausgangsspannung V_OUT wird auf der zweiten Sollspannung V_{OUT (REF2)} stabilisiert. Ein Abschnitt nach dem Zeitpunkt t₂ wird als Ladungspumpenmodus (CP) bezeichnet.
Der oben beschriebene Betrieb ist der Betrieb der Stromversorgungsschaltung 100. Gemäß der Stromversorgungsschaltung 100 kann die Ausgangsspannung V_OUT in einem vorgegebenen Spannungsbereich (von V_{OUT (REF2)} bis V_{OUT (REF1)} bei einer breiten Eingangsspannung V_CC gehalten werden.
Die Vorteile der Stromversorgungsschaltung 100 aus 1 werden durch einen Vergleich mit einer vergleichbaren Technik verdeutlicht.
Vergleichbare Technik
3 ist ein Schaltplan einer Stromversorgungsschaltung 100R gemäß der vergleichbaren Technik. Die Stromversorgungsschaltung 100R enthält einen linearen Regler 110R und eine Ladungspumpenschaltung 120R, aber die Verbindungsbeziehung zwischen ihnen unterscheidet sich von der Verbindungsbeziehung der Stromversorgungsschaltung 100 in 1. Das heißt, bei der vergleichbaren Technik sind der Linearregler 110R und die Ladungspumpenschaltung 120R vollständig parallel geschaltet und arbeiten komplementär. Insbesondere wird die Eingangsspannung Vcc durch den Komparator 130 mit einer Schwellenspannung V_TH verglichen, und wenn V_CC > V_TH ist, wird ein Schalter SW1, der mit einem Ausgang des Linearreglers 110R verbunden ist, eingeschaltet, der Linearregler 110R tritt in einen Freigabezustand ein, und die Ausgangsspannung V_OUT wird auf die Sollspannung V_{OUT (REF1)} stabilisiert. Dabei befindet sich die Ladungspumpenschaltung 120R in einem Sperrzustand.
Wenn V_CC < V_TH ist, wird der mit dem Ausgang des Linearreglers 110R verbundene Schalter SW1 ausgeschaltet, und der Linearregler 110R geht in den Sperrzustand über. Zu diesem Zeitpunkt geht die Ladungspumpenschaltung 120R in den Freigabezustand über. Im aktivierten Zustand stabilisiert die Ladungspumpenschaltung 120R die Ausgangsspannung V_OUT auf die Sollspannung V_{OUT (REF2)} . Bei der vergleichenden Technik wird die Sollspannung so bestimmt, dass V_{OUT (REF2)} ≥ V_{OUT (REF1)} erfüllt ist.
Die obige Konfiguration ist die Konfiguration der Stromversorgungsschaltung 100R. In der Stromversorgungsschaltung 100R arbeiten der Linearregler 110R und die Ladungspumpenschaltung 120R als Reaktion auf ein Vergleichsergebnis zwischen der Eingangsspannung Vcc und der Schwellenspannung V_TH komplementär. Daher besteht das Problem, dass der Betrieb während des Schaltens diskontinuierlich wird.
Die Stromversorgungsschaltung 100 gemäß der Ausführungsform unterscheidet sich von der Vergleichstechnik dadurch, dass der Linearregler 110 ständig arbeitet. Darüber hinaus werden zwei Sollspannungen V_{OUT (REF1)} und V_{OUT (REF2)} bestimmt, um V_{OUT (REF2)} < V_{OUT (REF1)} zu erfüllen. Infolgedessen wird, wie in 2 dargestellt, der Durchgangsmodus zwischen dem LDO-Modus und dem CP-Modus eingefügt, so dass ein kontinuierlicher Übergang realisiert werden kann.
Die vorliegende Offenbarung erstreckt sich auf verschiedene Vorrichtungen und Verfahren, wie sie im Blockdiagramm oder im Schaltplan von 1 dargestellt oder aus der obigen Beschreibung abgeleitet sind, und ist nicht auf eine bestimmte Konfiguration beschränkt. Nachfolgend werden spezifischere Konfigurationsbeispiele und Beispiele beschrieben, nicht um den Umfang der vorliegenden Offenbarung einzuschränken, sondern um das Verständnis für Wesen und Funktionsweise der vorliegenden Offenbarung und der vorliegenden Erfindung zu erleichtern und das Wesen und die Funktionsweise zu verdeutlichen.
Erstes Beispiel
4 ist ein Schaltplan einer Stromversorgungsschaltung 100A gemäß einem ersten Beispiel. Ein Linearregler 110 umfasst einen Fehlerverstärker 112 und eine Ausgangsstufe 114. Die Ausgangsstufe 114 umfasst einen ersten Transistor M21 und einen zweiten Transistor M22. Eine Source des ersten Transistors M21 ist mit einem Eingangsknoten IN verbunden, und ein Drain ist mit einem Ausgangsknoten OUT verbunden. Eine Source des zweiten Transistors M22 ist mit dem Eingangsknoten IN verbunden, und ein Gate und ein Drain sind mit einem Gate des ersten Transistors M21 verbunden. Der Fehlerverstärker 112 empfängt eine Rückkopplungsspannung V_FB und eine Referenzspannung V_REF entsprechend einer Ausgangsspannung V_OUT , und ein Ausgang von diesem ist mit dem Gate des ersten Transistors M21 und dem Gate und dem Drain des zweiten Transistors M22 verbunden. Der Fehlerverstärker 112 verstärkt einen Fehler zwischen der Rückkopplungsspannung V_FB und der Referenzspannung V_REF und regelt eine Gate-Spannung des ersten Transistors M21 rück. Die Rückkopplungsspannung V_FB wird durch eine Spannungsteilerschaltung 106 mit den Widerständen R11 bis R13 erzeugt und durch die folgende Gleichung ausgedrückt. $V_{FB} = V_{OUT} \times R13/ (R11 + R12 + R13)$
Der Linearregler 110 stabilisiert die Ausgangsspannung V_OUT auf die erste Sollspannung V_{OUT (REF1)} . $V_{OUT (REF1)} = (R11 + R12 + R13) / R13 \times V_{REF}$
Man beachte, dass eine Konfiguration des Linearreglers 110 nicht auf die Konfiguration in 4 beschränkt ist. Zum Beispiel kann der zweite Transistor M22 weggelassen werden.
Die Ladungspumpenschaltung 120A umfasst einen fliegenden Kondensator Cf, eine Steuerung 122, eine Treiberschaltung 124, ein erstes Gleichrichterelement 126 und ein zweites Gleichrichterelement 128.
Die Steuerung 122 erzeugt ein Taktsignal CLK in einem Freigabezustand der Ladungspumpenschaltung 120A.
Die Treiberschaltung 124 ist mit einem zweiten Eingangsknoten IN2 verbunden und empfängt eine Eingangsspannung Vcc . Die Treiberschaltung 124 legt als Reaktion auf das Taktsignal CLK abwechselnd die Eingangsspannung V_CC und eine Massespannung (0 V) an ein erstes Ende CPL des fliegenden Kondensators Cf an. Die Treiberschaltung 124 ist z. B. ein Inverter und umfasst die Transistoren M31 und M32.
Das erste Gleichrichterelement 126 ist zwischen einem ersten Eingangsknoten IN1 und einem zweiten Ende CPH des fliegenden Kondensators Cf angeschlossen. Das zweite Gleichrichterelement 128 ist zwischen einem zweiten Ende CPH des fliegenden Kondensators Cf und dem Ausgangsknoten OUT angeschlossen. Im ersten Beispiel sind das erste Gleichrichterelement 126 und das zweite Gleichrichterelement 128 P-Kanal-MOSFETs.
Ein invertiertes Taktsignal /CLK wird an ein Gate des ersten Gleichrichterelements 126 angelegt, und ein Taktsignal CLK wird an ein Gate des zweiten Gleichrichterelements 128 angelegt.
Es wird ein Freilaufbetrieb der Ladungspumpenschaltung 120A beschrieben. Die Ladungspumpenschaltung 120A wiederholt abwechselnd einen Zustand φ1, in dem das Taktsignal CLK hoch ist, und einen Zustand φ2, in dem das Taktsignal CLK niedrig ist.
In dem Zustand φ1, in dem das Taktsignal CLK hoch ist, ist das erste Gleichrichterelement 126 eingeschaltet, ein Ausgang der Treiberschaltung 124 ist niedrig (0 V), und das zweite Gleichrichterelement 128 ist ausgeschaltet. In diesem Zustand wird der fliegende Kondensator Cf am ersten Eingangsknoten IN1 mit einer Zwischenspannung V_REGOUT geladen.
In dem Zustand φ2, in dem das Taktsignal CLK niedrig ist, ist das erste Gleichrichterelement 126 ausgeschaltet, der Ausgang der Treiberschaltung 124 ist hoch (V_CC), und das zweite Gleichrichterelement 128 ist ausgeschaltet. In diesem Zustand wird ein Ausgangskondensator Co, der mit dem Ausgangsknoten OUT verbunden ist, durch die folgende Gleichung aufgeladen. $V_{OUT} = V_{CC} + V_{REGOUT}$
In einem Freilaufzustand, in dem sich zwei Zustände wiederholen, wird an dem Ausgangsanschluss 104 die Ausgangsspannung V_OUT erzeugt. $V_{OUT} = V_{CC} + V_{REGOUT}$
Wie oben beschrieben, hat die Ladungspumpenschaltung 120A eine Regelungsfunktion und läuft im Freigabezustand nicht frei und stabilisiert die Ausgangsspannung V_OUT auf eine zweite Sollspannung V_{OUT (REF2)}. Für die Spannungsregelung enthält die Ladungspumpenschaltung 120A einen ersten Komparator COMP1.
Der erste Komparator COMP1 ist ein Hysterese-Komparator und vergleicht eine der Ausgangsspannung V_OUT entsprechende Überwachungsspannung V_MON mit einem oberen Schwellenwert V_THH und einem unteren Schwellenwert V_THL , der der zweiten Sollspannung V_{OUT (REF2)} entspricht. Die Überwachungsspannung V_MON wird durch die folgende Gleichung ausgedrückt. $V_{MON} = V_{OUT} \times (R12 + R13) / (R11 + R12 + R13)$
Der erste Komparator COMP1 erzeugt ein Freigabesignal EN, das einem Verhältnis zwischen der Überwachungsspannung V_MON , der oberen Schwelle V_THH und der unteren Schwelle V_THL entspricht.
ISt die Überwachungsspannung V_MON niedriger als der untere Schwellenwert V_THL, so wird das Freigabesignal EN aktiviert (erster Pegel, z. B. high). Wenn die Überwachungsspannung V_MON den oberen Schwellenwert V_THH überschreitet, wird das Freigabesignal EN negiert (zweiter Pegel, z. B. niedrig).
Die Steuerung 122 geht in eine Betriebsperiode über und erzeugt die Taktsignale CLK und /CLK, wenn das Freigabesignal EN aktiviert wird, und geht in eine Stoppperiode über und stoppt die Erzeugung der Taktsignale CLK und /CLK, wenn das Freigabesignal EN negiert wird.
Im Freigabezustand der Ladungspumpenschaltung 120A setzt die Steuerung 122 vorzugsweise das Gate des MOSFETs, der das erste Gleichrichterelement 126 ist, und das Gate des MOSFETs, der das zweite Gleichrichterelement 128 ist, auf einen niedrigen Wert und bringt zwei MOSFETs in einen Vollastzustand. Dementsprechend kann der Spannungsabfall ΔV_CP über der Ladungspumpenschaltung 120A im deaktivierten Zustand verringert werden, um Verluste zu reduzieren.
Die obige Konfiguration ist die Konfiguration der Stromversorgungsschaltung 100A. Als Nächstes wird ihre Funktionsweise beschrieben.
5 ist ein Betriebswellenformdiagramm der Stromversorgungsschaltung 100A aus 4. Ein Betrieb vom Zeitpunkt t₀ bis zum Zeitpunkt t₂ ist ähnlich dem Betrieb in 2. Zum Zeitpunkt t₂ , wenn die Überwachungsspannung V_MON auf den unteren Schwellenwert V_THL sinkt, wird das Freigabesignal EN aktiviert und das Taktsignal CLK erzeugt. In der Betriebsperiode, in der das Taktsignal CLK erzeugt wird, steigt die Ausgangsspannung V_OUT an. Während die Ausgangsspannung V_OUT ansteigt, steigt die Überwachungsspannung V_MON an. Wenn die Überwachungsspannung V_MON zum Zeitpunkt t₂ den oberen Schwellenwert V_THH überschreitet, wird das Freigabesignal EN negiert, das Taktsignal CLK stoppt, und die Stoppperiode beginnt. Während der Stopp-Periode wird der Ausgangskondensator Co durch den elektrischen Laststrom entladen, die Ausgangsspannung V_OUT sinkt, und die Überwachungsspannung V_MON sinkt ebenfalls.
Wenn die Überwachungsspannung V_MON zum Zeitpunkt t₄ auf den unteren Schwellenwert V_THL abfällt, wird das Freigabesignal EN wieder aktiviert, und die Betriebsperiode beginnt. Danach wird der gleiche Vorgang wiederholt.
Der oben beschriebene Betrieb ist der Betrieb der Stromversorgungsschaltung 100A. Das Freigabesignal EN ist wiederholt hoch und niedrig, so dass die Überwachungsspannung V_MON zwischen zwei Schwellenwerten V_THH und V_THL liegt, und die Ladungspumpenschaltung 120A wiederholt abwechselnd die Betriebsperiode und die Stoppperiode. Infolgedessen wird die Ausgangsspannung V_OUT innerhalb eines Spannungsbereichs mit einer Obergrenze von V_THH × (R11 + R12 + R13) / (R12 + R13) und einer Untergrenze von V_THL × (R11 + R12 + R13)/(R12 + R13) stabilisiert. Ein Zustand, in dem das Freigabesignal EN wiederholt hoch und niedrig ist, ist der Freigabezustand der Ladungspumpenschaltung 120A.
Wenn ein Zustand aufrechterhalten wird, in dem die Ausgangsspannung V_OUT größer ist als V_THL × (R11 + R12 + R13)/(R12 + R13), bleibt das Freigabesignal EN negiert. Dieser Zustand ist der Sperrzustand der Ladungspumpenschaltung 120A.
Das heißt, der erste Komparator COMP1 hat eine Funktion zum Umschalten zwischen dem Freigabezustand und dem Sperrzustand der Ladungspumpenschaltung 120A und eine Regelungsfunktion im Freigabezustand. Da die Ladungspumpenschaltung 120A arbeitet, wenn V_OUT < V_THL × (R11 + R12 + R13) / (R12 + R13) ist, wird angenommen, dass V_THL × (R11 + R12 + R13)/(R12 + R13) der oben beschriebenen Schwellenspannung VTH_(CP) entspricht.
Zweites Beispiel
6 ist ein Schaltplan einer Stromversorgungsschaltung 100B gemäß einem zweiten Beispiel. Ein Unterschied zum ersten Beispiel ist eine Konfiguration einer Ladungspumpenschaltung 120B. Die Ladungspumpenschaltung 120B enthält zusätzlich zu der Ladungspumpenschaltung 120A aus 4 einen zweiten Komparator COMP2.
Der zweite Komparator COMP2 wird in einem Freigabezustand der Ladungspumpenschaltung 120B aktiv. Der zweite Komparator COMP2 vergleicht eine Ausgangsspannung V_OUT mit einer Spannung an einem zweiten Ende CPH eines fliegenden Kondensators Cf, während ein erstes Ende CPL des fliegenden Kondensators Cf niedrig ist. Wenn die Ausgangsspannung V_OUT niedriger ist, wird ein Stoppsignal STOP aktiviert.
Wenn das Stoppsignal STOP aktiviert wird, schaltet eine Steuerung 122 die Ladungspumpenschaltung 120B zwangsweise ab.
Der oben beschriebene Vorgang ist der Betrieb der Stromversorgungsschaltung 100B.
Der zweite Komparator COMP2 wird in dem Zustand φ1 aktiv, in dem ein Taktsignal CLK hoch ist und in einer Periode, in der ein erstes Gleichrichterelement 126 eingeschaltet ist. Zu diesem Zeitpunkt ist eine Spannung an einem zweiten Ende CPH des fliegenden Kondensators Cf eine Zwischenspannung V_REGOUT. Das heißt, der zweite Komparator COMP2 vergleicht die Ausgangsspannung V_OUT mit der Zwischenspannung V_REGOUT.
In einem Fall, in dem eine Kapazität der Ladungspumpenschaltung 120B kleiner ist als ein elektrischer Laststrom, wenn die Ladungspumpenschaltung 120B betrieben wird, kann eine Situation auftreten, in der die Ausgangsspannung V_OUT niedriger ist als die Zwischenspannung V_REGOUT. In der Stromversorgungsschaltung 100B gemäß dem Beispiel kann diese Situation durch den zweiten Komparator COMP2 erkannt werden. Wenn V_OUT < V_REGOUT erfüllt ist, kann die Zwischenspannung V_REGOUT als die Ausgangsspannung V_OUT ausgegeben werden, indem die Ladungspumpenschaltung 120B in den Sperrzustand versetzt wird, und die Ausgangsspannung V_OUT , die höher ist als im Falle des Betriebs der Ladungspumpenschaltung 120B, kann an die Last geliefert werden.
Drittes Beispiel
7 ist ein Schaltplan einer Stromversorgungsschaltung 100C gemäß einem dritten Beispiel. Ein Unterschied zu 4 ist eine Konfiguration einer Ladungspumpenschaltung 120C. In der Ladungspumpenschaltung 120C umfassen ein erstes Gleichrichterelement 126 und ein zweites Gleichrichterelement 128 jeweils eine Diode.
Viertes Beispiel
8 ist ein Schaltplan einer Stromversorgungsschaltung 100D gemäß einem vierten Beispiel. In einer Ladungspumpenschaltung 120D vergleicht ein zweiter Komparator COMP2 eine Spannung Vx, die einer Zwischenspannung V_REGOUT entspricht, mit einer Ausgangsspannung V_OUT . Die Spannung Vx kann die Zwischenspannung V_REGOUT selbst sein oder eine Spannung, die durch Absenken der Zwischenspannung V_REGOUT um eine vorgegebene Spannungsbreite erhalten wird. Gemäß der Konfiguration von 8 kann eine Funktion ähnlich der Funktion des dritten Beispiels realisiert werden. Außerdem kann der Spannungsvergleich unabhängig von den Zuständen φ1 und φ2 der Ladungspumpenschaltung 120D durchgeführt werden.
Alternativ kann der zweite Komparator COMP2 eine Spannung Vy, die einer Eingangsspannung V_CC entspricht, mit der Ausgangsspannung V_OUT vergleichen. Die Spannung Vy kann die Eingangsspannung V_CC selbst oder eine Spannung sein, die durch Absenken der Eingangsspannung Vcc um eine vorgegebene Spannungsbreite erhalten wird.
Wie oben beschrieben, ist V_RECOUT = V_CC - ΔV_LDO, wenn die Eingangsspannung Vcc sinkt, und die Eingangsspannung V_CC und die Zwischenspannung V_RECOUT sind im Wesentlichen gleich. Daher kann die Funktion, die der Funktion des dritten Beispiels ähnelt, durch den Vergleich einer Eingangsspannung V_TN mit der Ausgangsspannung V_OUT anstelle der Zwischenspannung V_REGOUT realisiert werden.
Geänderte Beispiele
Es versteht sich für den Fachmann, dass die oben beschriebenen Ausführungsformen Beispiele sind und dass verschiedene modifizierte Beispiele für Kombinationen der Komponenten und der Verarbeitungsprozesse gemacht werden können. Nachfolgend werden solche modifizierten Beispiele beschrieben.
Erstes modifiziertes Beispiel
In den Stromversorgungsschaltungen 100B und 100D der 6 und 8 können die Gleichrichterelemente 126 und 128 Dioden sein.
Zweites modifiziertes Beispiel
Die Implementierung eines Linearreglers 110 mit einer Regelungsfunktion ist nicht auf einen intermittierenden Betrieb unter Verwendung eines Hysteresekomparators beschränkt. Zum Beispiel kann eine Rückkopplungsschleife mit einem Fehlerverstärker eingebaut werden, um die Regelfunktion zu implementieren.
Anmwendung
9 ist ein Blockdiagramm eines Schaltkreises 200. Der Schaltkreis 200 umfasst einen High-Side-Transistor 202, einen Low-Side-Transistor 204, eine Gate-Treiberschaltung 300 und einen Bootstrap-Kondensator C_BS. Der High-Side-Transistor 202 und der Low-Side-Transistor 204 sind N-Kanal-Transistoren. Bei dem High-Side-Transistor 202 und dem Low-Side-Transistor 204 kann es sich um FETs aus Si, SiC und GaN oder um IGBTs oder bipolare Transistoren handeln.
Die Gate-Treiberschaltung 300 umfasst einen Stromversorgungs-Pin VCC, einen Bootstrap-Pin BS, einen High-Side-Gate-Pin HG, einen Low-Side-Gate-Pin LG, einen Schalt-Pin SW, einen High-Side-Vor-Treiber 310, einen Low-Side-Vor-Treiber 320, ein Gleichrichterelement 302 für Bootstrap und eine Stromversorgungsschaltung 100.
Ein Bootstrap-Kondensator C_BS ist extern zwischen dem BS-Pin und dem SW-Pin angebracht.
Der HG-Pin ist mit einem Gate des High-Side-Transistors 202 verbunden, und der LG-Pin ist mit einem Gate des Low-Side-Transistors 204 verbunden.
Ein Ausgang des High-Side-Vor-Treibers 310 ist mit dem Gate des High-Side-Transistors 202 verbunden, wobei der HG-Stift dazwischen liegt, und ein Ausgang des Low-Side-Vor-Treibers 320 ist mit dem Gate des Low-Side-Transistors 204 verbunden, wobei der LG-Stift dazwischen liegt. Ein Eingangsanschluss 102 der Stromversorgungsschaltung 100 empfängt eine Eingangsspannung Vcc , wobei der VCC-Pin dazwischen geschaltet ist. Das Gleichrichterelement 302 ist zwischen einem Ausgangsanschluss 104 der Stromversorgungsschaltung 100 und dem BS-Pin vorgesehen. Eine Spannung V_BS am BS- Pin wird einem oberen Anschluss des High-Side-Vortreibers 310 zugeführt, und ein unterer Anschluss des High-Side-Vortreibers 310 ist mit dem SW- Pin verbunden. Als Reaktion auf ein Steuersignal HCTRL liefert der High-Side-Vortreiber 310 eine Gatespannung V_HG zum Einstellen von V_BS auf hoch und V_SW auf niedrig an das Gate des High-Side-Transistors 202.
Eine Ausgangsspannung V_OUT der Stromversorgungsschaltung 100 wird an einen oberen Anschluss des Low-Side-Vortreibers 320 angelegt, und ein unterer Anschluss ist geerdet. Der Low-Side-Vortreiber 320 liefert in Reaktion auf ein Steuersignal LCTRL eine Gatespannung VLG zum Einstellen von V_OUT auf High und 0 V auf Low an das Gate des Low-Side-Transistors 204.
Ein Beispiel für einen Schaltkreis ist eine Motortreiberschaltung.
10 ist ein Blockdiagramm einer Motortreiberschaltung 400. Die Motortreiberschaltung 400 treibt einen Drehstrommotor 402 an. Die Motortreiberschaltung 400 umfasst einen Dreiphasen-Wechselrichter 410 und eine Gate-Treiberschaltung 420. Der Dreiphasen-Wechselrichter 410 umfasst Zweige von drei Phasen U, V und W, und der Zweig jeder Phase enthält einen High-Side-Transistor MH als oberen Arm und einen Low-Side-Transistor ML als unteren Arm.
Die Gate-Treiberschaltung 420 umfasst die Stromversorgungsschaltung 100 und die Gate-Treiberschaltungen 430U, 430V und 430W der U-Phase, V-Phase und W-Phase. Die Gate-Treiberschaltung 430 jeder Phase umfasst ein Gleichrichterelement 302, einen High-Side-Vor-Treiber 310 und einen Low-Side-Vor-Treiber 320.
Die Anwendung der Stromversorgungsschaltung 100 ist nicht auf die Motortreiberschaltung beschränkt und kann für andere Anwendungen verwendet werden, einschließlich eines Schaltkreises mit einem High-Side-Transistor und einem Low-Side-Transistor. Die Stromversorgungsschaltung 100 kann beispielsweise als DC/DC-Wandler oder dergleichen verwendet werden. Darüber hinaus ist die Anwendung der Stromversorgungsschaltung 100 nicht auf den Schaltkreis beschränkt, sondern kann für jeden IC verwendet werden.
Obwohl die Ausführungsformen gemäß der vorliegenden Offenbarung durch die Verwendung spezifischer Begriffe beschrieben wurden, ist diese Beschreibung lediglich ein Beispiel zum besseren Verständnis und schränkt die vorliegende Offenbarung oder die Ansprüche nicht ein. Der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die Ansprüche definiert, und daher sind Ausführungsformen, Beispiele und modifizierte Beispiele, die hier nicht beschrieben sind, ebenfalls vom Schutzumfang der vorliegenden Erfindung umfasst.

Claims

Stromversorgungsschaltung, umfassend: einen Eingangsanschluss, der zum Empfang einer Eingangsspannung anzuschließen ist; einen Ausgangsanschluss, der an eine Last anzuschließen ist; einen Linearregler mit einem Eingangsknoten, der mit dem Eingangsanschluss verbunden ist, und einem Ausgangsknoten, der so aufgebaut ist, dass er eine Zwischenspannung am Ausgangsknoten derart einstellt, dass sich eine Ausgangsspannung am Ausgangsanschluss einer ersten Sollspannung nähert; und eine Ladungspumpenschaltung vom Dixon-Typ mit einem ersten Eingangsknoten, der so angeschlossen ist, dass er die Zwischenspannung empfängt, einem zweiten Eingangsknoten, der so angeschlossen ist, dass er die Eingangsspannung empfängt, und einem Ausgangsknoten, der mit dem Ausgangsanschluss verbunden ist, wobei die Ladungspumpenschaltung so aufgebaut ist, dass sie in einen Sperrzustand eintritt, wenn die Ausgangsspannung höher als eine Schwellenspannung ist, die bestimmt wurde, niedriger als die erste Sollspannung zu sein, um in dem Sperrzustand eine Spannung an dem ersten Eingangsknoten an den Ausgangsknoten auszugeben, um in einen Freigabezustand einzutreten, wenn die Ausgangsspannung niedriger als die Schwellenspannung ist, und um die Ausgangsspannung auf eine zweite Sollspannung zu stabilisieren, die bestimmt wurde, in dem Freigabezustand niedriger als die erste Sollspannung zu sein.
Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1, wobei die Ladungspumpenschaltung einen ersten Komparator mit Hysterese zum Vergleichen einer der Ausgangsspannung entsprechenden Überwachungsspannung mit einem oberen Schwellenwert und einem unteren Schwellenwert, die der zweiten Sollspannung entsprechen, umfasst, und die Ladungspumpenschaltung als Reaktion auf eine Ausgabe des ersten Komparators im Freigabezustand eine Betriebsperiode und eine Stoppperiode wiederholt.
Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ladungspumpenschaltung umfasst: einen fliegenden Kondensator; eine Treiberschaltung, die so aufgebaut ist, dass sie im Freigabezustand abwechselnd die Eingangsspannung und eine Massespannung an ein erstes Ende des fliegenden Kondensators anlegt, ein erstes Gleichrichterelement, das zwischen dem ersten Eingangsknoten und einem zweiten Ende des fliegenden Kondensators vorgesehen ist, und ein zweites Gleichrichterelement, das zwischen dem zweiten Ende des fliegenden Kondensators und dem Ausgangsknoten vorgesehen ist.
Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 3, wobei die Ladungspumpenschaltung ferner einen zweiten Komparator umfasst, der so aufgebaut ist, dass er die Ausgangsspannung mit einer Spannung am zweiten Ende des fliegenden Kondensators in einem Abschnitt vergleicht, in dem das erste Ende des fliegenden Kondensators während einer Periode, in der sich die Ladungspumpenschaltung im Freigabezustand befindet, niedrig ist, und der so aufgebaut ist, dass er ein Stoppsignal aktiviert, wenn die Ausgangsspannung niedriger ist, und die Ladungspumpenschaltung in den Sperrzustand übergeht, wenn das Stoppsignal aktiviert wird.
Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 3 oder 4, wobei das erste Gleichrichterelement ein erster Synchronisations-Gleichrichtertransistor ist, der so aufgebaut ist, dass er im Freigabezustand zwischen Ein- und Aus-Zuständen umgeschaltet werden kann und im Sperrzustand im eingeschalteten Zustand (Ein-Zustand) ist, und wobei das zweite Gleichrichterelement ein zweiter Synchronisations-Gleichrichtertransistor ist, der so aufgebaut ist, dass er im Freigabezustand komplementär mit dem ersten Synchronisations-Gleichrichtertransistor geschaltet wird und sich im Sperrzustand in einem eingeschalteten Zustand befindet.
Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 3 oder 4, wobei das erste Gleichrichterelement und das zweite Gleichrichterelement Dioden sind.
Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ladungspumpenschaltung ferner einen zweiten Komparator umfasst, der so aufgebaut ist, dass er die Ausgangsspannung mit der Zwischenspannung vergleicht und ein Stoppsignal erzeugt, wenn die Ausgangsspannung niedriger ist, und wobei die Ladungspumpenschaltung in den Sperrzustand übergeht, wenn das Stoppsignal aktiviert wird.
Stromversorgungsschaltung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Ladungspumpenschaltung ferner einen zweiten Komparator umfasst, der so aufgebaut ist, dass er die Ausgangsspannung mit einer auf der Eingangsspannung basierenden Spannung vergleicht und ein Stoppsignal erzeugt, wenn die Ausgangsspannung niedriger ist, und wobei die Ladungspumpenschaltung in den Sperrzustand übergeht, wenn das Stoppsignal aktiviert wird.
Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Linearregler Folgendes umfasst: einen ersten Transistor mit einer Source, die mit dem Eingangsknoten verbunden ist, und einem Drain, der mit dem Ausgangsknoten verbunden ist, einen zweiten Transistor, dessen Source mit dem Eingangsknoten, dessen Gate und Drain mit dem Gate des ersten Transistors verbunden sind, und einen Fehlerverstärker, der so angeschlossen ist, dass er eine Referenzspannung und eine der Ausgangsspannung entsprechende Rückkopplungsspannung empfängt, und der einen Ausgang hat, der mit einem Gate des ersten Transistors und dem Gate und dem Drain des zweiten Transistors verbunden ist.
Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Stromversorgungsschaltung auf einem Halbleitersubstrat integriert ist.
Stromversorgungsschaltung mit: einem Eingangsanschluss, die zum Empfang einer Eingangsspannung anzuschließen ist; einem Ausgangsanschluss; einen ersten Transistor mit einer an den Eingangsanschluss angeschlossenen Source; einen Fehlerverstärker, der so aufgebaut ist, dass er einen Fehler zwischen einer Referenzspannung und einer Rückkopplungsspannung, die einer Ausgangsspannung am Ausgangsanschluss entspricht, verstärkt, und der einen Ausgang aufweist, der mit einem Gate des ersten Transistors verbunden ist; einen fliegenden Kondensator; eine Treiberschaltung, die so aufgebaut ist, dass sie eine Schaltspannung, die zwischen einer hohen Spannung, die der Eingangsspannung entspricht, und einer niedrigen Spannung, die eine Massespannung ist, umschaltet, an ein Ende des fliegenden Kondensators anlegt; ein erstes Gleichrichterelement, das zwischen einem anderen Ende des fliegenden Kondensators und einem Drain des ersten Transistors angeschlossen ist; ein zweites Gleichrichterelement, das zwischen dem anderen Ende des fliegenden Kondensators und dem Ausgangsanschluss angeschlossen ist; und eine Steuerung, die so aufgebaut ist, dass sie die Treiberschaltung in einem Aktivierungszustand aktiviert und in einem Sperrzustand stoppt.
Gate-Treiberschaltung, die so aufgebaut ist, dass sie einen High-Side-Transistor vom N-Typ ansteuert, wobei die Gate-Treiberschaltung Folgendes umfasst: einen Schaltanschluss, der mit einem Ende des High-Side-Transistors verbunden ist; ein Bootstrap-Anschluss; die Stromversorgungsschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11; ein Gleichrichterelement für Bootstrap, das zwischen einem Ausgangsanschluss der Stromversorgungsschaltung und dem Bootstrap-Anschluss vorgesehen ist; und eine Vortreiberschaltung, die so aufgebaut ist, dass sie am Bootstrap-Anschluss eine Bootstrap-Spannung an das Gate des High-Side-Transistors liefert, um den High-Side-Transistor einzuschalten.
Motortreiberschaltung mit der Gate-Treiberschaltung nach Anspruch 12.