DE112007002129T5 - Spannungsregler mit Ansteuerungsübersteuerung - Google Patents
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Abstract
Vorrichtung, umfassend:
einen schaltenden Spannungsregler, welcher mit einem von einem Spannungsreglertakt abgeleiteten Ansteuerungssignal geschaltet und eine Versorgung für einen funktionalen Schaltkreis mit einem assoziierten funktionalen Takt bereitstellen soll, welcher eine höhere Frequenz als die des Spannungsreglertakts aufweist, wobei das Ansteuerungssignal vom funktionalen Taktsignal in Reaktion auf ein Steuersignal von dem funktionalen Schaltkreis abgeleitet werden soll.
einen schaltenden Spannungsregler, welcher mit einem von einem Spannungsreglertakt abgeleiteten Ansteuerungssignal geschaltet und eine Versorgung für einen funktionalen Schaltkreis mit einem assoziierten funktionalen Takt bereitstellen soll, welcher eine höhere Frequenz als die des Spannungsreglertakts aufweist, wobei das Ansteuerungssignal vom funktionalen Taktsignal in Reaktion auf ein Steuersignal von dem funktionalen Schaltkreis abgeleitet werden soll.
Description
- Hintergrund
- Integrierte Schaltkreise, wie beispielsweise Mikroprozessoren, werden komplexer, arbeiten unter strengeren Leistungsparametern und müssen gleichzeitig effizienter unter strengeren Leistungsparametern arbeiten. Sie sind typischerweise mittels eines oder mehreren Spannungsregler(VR)-Schaltkreisen versorgt, welche eine geregelte Spannungsversorgung bereitstellen. Weil eine Mikroprozessorlast beträchtlich und schnell variieren kann, kann es herausfordernd sein, VR-Lösungen bereitzustellen, welche in der Lage sind, adäquate Versorgungen in solchen Umgebungen bereitzustellen. Entsprechend können verbesserte VR-Lösungen gewünscht sein.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Ausführungsformen der Erfindung sind als Beispiele und nicht als Begrenzungen in den Figuren der angehängten Zeichnungen gezeigt, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente kennzeichnen.
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1 ist ein Blockdiagramm eines Mehrkernmikroprozessorsystems mit einem assoziierten VR-System in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen. -
2 ist eine Querschnittsansicht eines integrierten Mikroprozessorschaltkreisaufbaus in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen. -
3 ist ein schematisches Diagramm eines Spannungsreglerschaltkreises mit einer Taktgeberübersteuerungsfähigkeit in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen. -
4 ist ein Blockdiagramm eines Computersystems mit einem Mehrkernmikroprozessor, welcher mit einem integrierten Spannungsregler verbunden ist, in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen. - Techniken, um es Spannungsreglern zu ermöglichen, sich auf kommende Laständerungen einzustellen, sind hier dargestellt. In einigen Ausführungsformen wird ein funktionaler Block, wie beispielsweise ein Mikroprozessorkern mit einem assoziiertem Taktsignal, mittels zumindest eines schaltenden Spannungsreglers versorgt. Wenn der funktionale Block kurz davor ist, eine erhöhte Versorgung anzufordern, wird der assoziierte Takt bereitgestellt, um den zumindest einen Reglerschalter so anzusteuern, dass das normale Ansteuerungssignal übersteuert wird, welches eine niedrigere Frequenz aufweist. Somit werden die Schalter bei einer höheren Frequenz angesteuert ausreichend vor (beispielsweise kurz vor) der Laständerung, um den Umfang einer Regeldifferenz zu verringern, welche sonst auftreten würde.
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1 zeigt im Allgemeinen einen Multikernmikroprozessor mit einem integrierten Spannungsregler(IVR)-System mit Spannungsreglern, welche konfiguriert sind, einen Taktgeber zu übersteuern, in Übereinstimmung mit einigen Ausführungsformen. Der Mikroprozessor umfasst vier Domainkerne (104A –104D ), welche mit einer gemeinsamen Mehrkernmastersteuerungsvorrichtung102 verbunden sind, um verschiedene Überwachungsaufgaben auszuführen, wie beispielsweise eine Arbeitslastzuweisung, Umgebungsmanagement und Ähnlichem. In einigen Ausführungsformen sind die Domainkerne104 und die Mastersteuerungsvorrichtung102 Teil eines gemeinsamen Mikroprozessorchips. - Das gezeigte Spannungsreglersystem umfasst vier Domain-VR-Subsysteme (Domgin-VRs
114A –114D ), einen für jeden Domainkern104 und eine Mastersteuerungsvorrichtung112 , welche mit jedem der Domain-VRs verbunden ist. Jeder der Domain-VRs114 ist mit einem assoziierten Domainkern104 verbunden, um diesen mit einer geregelten Versorgungsspannung VCC zu versorgen und von diesem ein Kerntaktsignal (CLK) und ein Übersteuerungssteuersignal (CTRL) zu empfangen. Beispielsweise stellt der Domain-VR114A dem Domainkern104A eine Versorgungsspannung VCCA bereit und empfängt von diesem ein Taktsignal CLKA und ein Übersteuerungssteuersignal CTRLA. (Man beachte, dass in alternativen Ausführungsformen die Übersteuerungssteuersignale von der Mastersteuerungsvorrichtung oder von einigen anderen Quellen kommen können in entweder direkter oder indirekter Kenntnis einer bevorstehenden Laständerung, welche eine Regeldifferenz an einem Spannungsreglerbereich bewirken würde.) - Ein jeweiliger Domain-VR
114 umfasst einen oder mehrere einzelne Spannungsregler, welche wählbar miteinander verbunden sind, so dass verschiedene VR-Kombinationen zugeschaltet werden können, um verschiedene Strompegel abhängig von einer Lastanforderung wählbar bereitzustellen. Beispielsweise kann einer der Domain-VRs tatsächlich acht getrennte VRs umfassen, jeder mit einer Stromleistungsfähigkeit von 3 Ampere, welche gemeinsam parallel verbunden sind, um abhängig von den Anforderungen der jeweiligen Kernbereichslast 0 bis 24 Ampere bereitzustellen. Die einzelnen VRs können miteinander verbunden oder sie können über den Kern verteilt sein, um mit einer Versorgungsschiene zu unterschiedlichen Orten verbunden zu sein, beispielsweise gleichmäßig über einen Kern verteilt. In einigen Ausführungsformen sind die Domain-VRs114 Teil eines gemeinsam integrierten VR(IVR)-Chips, welcher von dem Multimehrkernprozessorchip getrennt ist, welcher die Domainkerne104 umfasst. Trotzdem sollte beachtet werden, dass die Spannungsregler und die Domainkerne oder die assoziierten VR-Bereiche und die Kerne auf dem gleichen Chip oder auf verschiedenen Chip-Kombinationen sein können. - Bezug nehmend auf
2 ist eine Querschnittsansicht eines Packages eines integrierten Schaltkreises (IC) eines Mehrkernmikroprozessors gezeigt. Er umfasst einen integrierten Spannungsregler(IVR)-Chip202 und einen Mehrkernmikroprozessorchip204 . Der IVR-Chip202 ist innerhalb einer Substrateinheit201 eingebettet, während der Mikroprozessorchip auf dem Substrat201 und an dem IVR-Chip202 für eine wirksame Signalleitfähigkeit angeordnet ist. (Es sei angemerkt, dass die Chips sich tatsächlich miteinander berühren oder sich nicht berühren. Sie können einen oder mehrere andere Materialien aufweisen, welche zwischen einigen oder allen aneinander grenzenden Oberflächenbereichen liegen. Solche Materialien können für eine strukturelle Stabilität, aus Wärmetransfergründen, oder Ähnlichen verwendet werden.) - Der IVR-Chip
202 kann einen oder mehrere Domain-VRs umfassen, während der Mikroprozessorchip204 einen oder mehrere Domainkerne umfassen kann, wie weiter oben beschrieben. Bei dieser Packagekonfiguration, wobei die Chips nebeneinander angeordnet sind, können die Schaltungselemente für die VR-Bereiche näher zu ihren assoziierten Domain-Kern-Elementen angeordnet werden. Das kann es ermöglichen, dass ausreichend leitfähige Leitungen (beispielsweise mittels Löthöckern oder anderen Kontakten) eine relativ große Menge von Strom zu den Domainkernen leiten. (Es sollte beachtet werden, dass irgendeine geeignete Packagekonfiguration, welche einen oder mehrere Chips zum Implementieren der Domain kerne und der VRs verwendet, implementiert werden kann und innerhalb des Umfangs der Erfindung ist. Beispielsweise kann der IVR-Chip auf dem Mikroprozessorchip anstatt unter dem Chip sein. Alternativ kann er neben ihm, teilweise an ihm angeordnet oder er kann Teil des ganzen Chips sein.) - Bezug nehmend auf
3 ist ein beispielhafter Spannungsreglerschaltkreis300 gezeigt, welcher konfiguriert ist, einen Takt zu übersteuern. Der Spannungsregler300 ist ein Multiphasen(N-Phase)schaltender Regler mit N Schalter (S1 bis SNS)-Bereichen und N Ausgangsbereiche umfassend Induktionsspulen L1 bis LN, welche miteinander an einem gemeinsamen Ausgang (VCC) eines Auskopplungskondensators C verbunden sind. Die Schalter (S1 bis NSN) sind im Wesentlichen aus Gründen der Einfachheit gezeigt und können irgendwelche geeigneten Schaltkreiselemente umfassen, wie beispielsweise Ansteuerungsvorrichtungen und „push", „pull" oder „push-pull"-konfigurierte Transistoren, welche auf dem Fachgebiet bekannt sind. Beispielsweise können die Induktionsspulen L1 bis LN irgendeine geeignete Kombination von Induktoren und/oder Wandlern umfassen, welche zumindest bis zu einem gewissen Grad für eine verbesserte Wirksamkeit miteinander verbunden sind. Beispielsweise können sie in einigen Ausführungsformen mit Induktioren implementiert sein, welche gemeinsam mit magnetischem Material verbunden sind, welches innerhalb des IVR-Chip-Gehäuses-VR300 erzeugt ist. - Der Spannungsregler
300 umfasst auch eine VR-Steuerungsvorrichtung302 , eine Kerntaktansteuerung304 , Synchronisierungsschaltkreise3061 bis306N und 2:1 Multiplexer3081 bis308N , welche, wie gezeigt, miteinander verbunden sind. Die VR-Steuerungsvorrichtung302 empfängt ein Taktsignal (VRCLK) und erzeugt hiervon N Ansteuerungssignale (Z1 bis ZN), welche voneinander auf geeignete Weise phasenverschoben sind, um Schalter S1 bis SN anzusteuern, um die geregelte Ausgangsspannung VCC zu erzeugen. Das VR-Taktsignal kann ein konventionelles Taktignal mit einer geeigneten Frequenz (beispielsweise in dem Bereich von 10 MHz bis 250 MHz) für eine effiziente Erzeugung von VCC sein. Die Ansteuerungssignale weisen typischerweise die gleiche Frequenz wie die des VR CLK auf, aber das ist nicht erforderlich. Beispielsweise können sie von einer geteilten oder einer multiplizierten Version des VR CLK abgeleitet sein. Wie auf dem Fachgebiet bekannt, steuert die VR-Steuerungsvorrichtung302 die Arbeitszykli der Ansteuerungssignale, um die Strommenge zu erhöhen oder zu erniedrigen, welche der Last bereitgestellt ist, um die VCC zu regeln. - Die einzelnen Ansteuerungssignale werden jeweils dem assoziierten Synchronisierungsschaltkreis
306i bereitgestellt, welcher auch ein Kerntaktgeber(Kern CLK)-Signal von einem assoziierten Kern empfängt (beispielsweise dem Kern, welcher mittels des Spannungsreglers300 versorgt wird). Die Frequenz des Kern-CLK-Signals wird typischerweise größer sein als die Frequenz (oder die Frequenzen) der Ansteuerungssignale, beispielsweise 4–20 mal größer. Jeder Synchronisierungsschaltkreis306i synchronisiert die Flanken der eingehenden Ansteuerungs- und Kerntaktsignale und stellt als Ausgabe erste und zweite gleichphasige Ansteuerungssignale (DC und DV) bereit, wobei aber die Frequenz von DiC größer ist als Div. Die Synchronisierungsschaltkreise306 können von irgendeiner geeigneten Kombination von Schaltkreiselementen gebildet sein, umfassend, aber nicht darauf begrenzt, phasengelockte Schleifen, verzögerungsgelockte Schaltkreise, Logik-Steuerelemente und Ähnlichem. Die Ansteuerungssignale (DiC, DiV) von jedem Synchronisierungsschaltkreis werden einem assoziierten 2:1 Multiplexer308i zugeführt, dessen Ausgabe dann einem jeweiligen assoziierten Schalter Si bereitgestellt ist. Ein Steuersignal (CTRL), beispielsweise von dem assoziierten Kern, ist auch dem jeweiligen Multiplexer308 bereitgestellt, welcher als eine Steuerung fungiert, um entweder das DV-Ansteuerungssignal oder das schnellere DC-Ansteuerungssignal auszuwählen. (Man beachte, dass in einigen Ausführungsformen das Kerntaktsignal nicht notwendigerweise jederzeit ihren Synchronisierern bereitgestellt ist. Beispielsweise können sie unter entsprechenden Bedingungen gegated und ausgeschaltet sein, um Strom zu sparen. In diesem Fall sollten die Synchronisierer entsprechende Schaltkreise aufweisen, um das Ansteuerungssignal durch ihre assoziierten Multiplexer oder Ähnlichem durchzuführen, selbst wenn der Kerntakt nicht angewendet wird.) - Bei einem Betrieb sind normalerweise die langsameren DV-Ansteuerungssignale (Multiphasen) für einen Dauerbetrieb ausgewählt und operieren in Übereinstimmung mit bekannten Techniken und Methoden. Somit steuern normalerweise die Kernsteuersignale die Multiplexer, um die DV-Ansteuerungssignale auszuwählen. Auf der anderen Seite, wenn der Kern kurz davor ist, zusätzlichen Strom zu verlangen (beispielsweise weil ein Logikbereich kurz davor ist, zugeschaltet zu werden), bewirkt das Kernsteuersignal, dass die Multiplexer die Kernsteuerungssignale (DC) auswählen, anstatt die langsameren VR-Ansteuerungssignale (DV). In einigen Ausführungsformen wird die schnellere Kerntaktansteuerung für eine Zeitdauer aktiviert, welche ausreichend lang ist, um einer unzumutbaren Regeldifferenz in VCC entgegenzusteuern, aber ausreichend kurz, um Instabilitäten zu vermeiden. In einigen Ausführungsformen sind die Kerntaktansteuerungssignale nur aktiviert für Laständerungen, welche ausrei chend sind, um eine unzumutbare Regeldifferenz zu bewirken. Das bedeutet, dass sie nicht zugeschaltet werden für kleine Laständerungen. Zusätzlich können die Steuersignale von einer anderen Quelle als von einem Kernprozessor kommen. Beispielsweise können sie von einer Steuerungsvorrichtung kommen, in Kenntnis davon, dass die Last an dem Spannungsregler kurz davor ist, anzusteigen.
- Bezug nehmend auf
4 ist ein Beispiel eines Computersystems gezeigt. Das gezeigte System umfasst üblicherweise einen Mehrkernprozessor402 , welcher mit einem integrierten Spannungsregler404 und einem Speicher406 verbunden ist. In einigen Ausführungsformen können der Prozessor402 und der IVR404 wie oben beschrieben konfiguriert sein. Das Computersystem kann in verschiedenen Formen implementiert sein. Das heißt, dass es in einem Einzelchipmodul, einer Leiterplatte oder einem Chassis mit mehreren Leiterplatten implementiert sein kann. Vergleichbar kann es einen oder mehrere komplette Computer oder alternativ kann es eine nützliche Komponente innerhalb eines Computersystems bilden. - Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsformen begrenzt, sondern kann mit Änderung und Umbauten ausgeführt werden, welche innerhalb des Geistes und des Umfangs der angehangenen Ansprüche sind. Beispielsweise sollte geschätzt sein, dass die Erfindung anwendbar ist für eine Verwendung mit allen Typen von Halbleiterchips für integrierte Schaltkreise („IC"). Beispiele von diesen IC-Chips umfassen, aber sind nicht darauf beschränkt, Prozessoren, Steuerungsvorrichtungen, Chipsatzkomponenten, programmierbare Logikarrays (PLA), Speicherchips, Netzwerkchips, und Ähnlichem.
- Weiterhin sollte geschätzt sein, dass Beispiele von Größen/Modellen/Werten/Bereichen gegeben wurden, obwohl die Erfindung darauf nicht begrenzt ist. Weil Herstellungstechniken (beispielsweise die Photolithografie) sich über die Zeit weiterentwickeln, wird erwartet, dass Vorrichtungen von kleinerer Größe hergestellt werden können. Zusätzlich wurden bekannte Strom-/Masseverbindungen zu den IC-Chips und anderen Komponenten innerhalb der Figuren gezeigt oder nicht gezeigt aufgrund einer einfachen Darstellung und Beschreibung und um nicht die Erfindung zu verschleiern. Weiterhin wurden Anordnungen in Blockdiagrammform gezeigt, um eine Verschleierung der Erfindung zu verhindern, und auch in Hinsicht darauf, dass Spezifikationen relativ zu den Implementierungen von solchen Blockdiagrammanordnungen hochgradig abhängig sind von der jeweiligen Plattform, in welcher die Erfindung implementiert werden soll, das heißt, dass solche Besonderheiten innerhalb des Könnens des Fachmanns liegen. Wo spezifische Details (beispielsweise die Schaltkreise) bestimmt sind, um die beispielhaften Ausführungsformen der Erfindung zu beschreiben, sollte es dem Fachmann klar sein, dass die Erfindung ohne oder mit Änderungen dieser spezifischen Details ausgeführt werden kann. Die Beschreibung sollte somit als veranschaulichend und nicht als begrenzend betrachtet werden.
- Zusammenfassung
- Techniken, um es Spannungsreglern zu ermöglichen, sich auf kommende Laständerungen anzupassen, sind hier beschrieben. In einigen Ausführungsformen wird ein funktionaler Block, wie beispielsweise ein Mikroprozessorkern mit einem assoziiertem Taktsignal, mittels zumindest eines schaltenden Spannungsreglers versorgt. Wenn der funktionale Block kurz davor ist, einen erhöhten Versorgungspegel anzufordern, wird der assoziierte Takt bereitgestellt, um den zumindest einen Regelschalter anzusteuern, wobei das normale Ansteuerungssignal übersteuert wird, welches eine niedrigere Frequenz aufweist. Somit werden die Schalter bei einer höheren Frequenz ausreichend vor (beispielsweise kurz vor) der Laständerung angesteuert, um den Umfang der Regeldifferenz zu verringern, der sonst auftreten würde.
Claims (21)
- Vorrichtung, umfassend: einen schaltenden Spannungsregler, welcher mit einem von einem Spannungsreglertakt abgeleiteten Ansteuerungssignal geschaltet und eine Versorgung für einen funktionalen Schaltkreis mit einem assoziierten funktionalen Takt bereitstellen soll, welcher eine höhere Frequenz als die des Spannungsreglertakts aufweist, wobei das Ansteuerungssignal vom funktionalen Taktsignal in Reaktion auf ein Steuersignal von dem funktionalen Schaltkreis abgeleitet werden soll.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der funktionale Schaltkreis ein Mikroprozessorkern ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 2, wobei der Mikroprozessorkern das Steuersignal ausgibt, wenn die Kernlast an der Versorgung dabei ist anzusteigen.
- Vorrichtung nach Anspruch 3, wobei der Kern das Steuersignal ausgibt, wenn die Kernlast an der Versorgung über einen Schwellwert ansteigen sollte.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, weiterhin umfassend einen Synchronisierungsschaltkreis zum Synchronisieren des funktionalen Takts mit dem Spannungsreglertakt.
- Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Synchronisierungsschaltkreis ein erstes Ansteuerungssignal, welches von dem Spannungsreglertaktsignal abgeleitet ist, und ein zweites Ansteuerungssignal bereitstellt, welches von dem funktionalen Taktsignal abgeleitet ist, wobei das erste und das zweite Ansteuerungssignal miteinander in Flankensynchronisation sind und das zweite Ansteuerungssignal eine höhere Frequenz als das erste Ansteuerungssignal aufweist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Spannungsregler ein Multiphasenschaltender Spannungsregler ist, wobei das Ansteuerungssignal mehrere zueinander phasenverschobene Ansteuerungssignale aufweist.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Spannungsregler und der funktionale Schaltkreis Teil eines gemeinsam integrierten Schaltkreispackages sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei der funktionale Schaltkreis und zumindest ein Teil des Spannungsreglers auf getrennten Chips angeordnet sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei das Ansteuerungssignal von dem funktionalen Taktsignal für eine zur Stabilitätserhaltung ausreichende kurze Zeit abgeleitet ist.
- Vorrichtung, umfassend: einen schaltenden Spannungsregler mit zumindest einem Schalter zum Erzeugen einer Ausgangsspannung, mit welcher ein funktionaler Schaltkreis versorgt werden soll, wobei der zumindest eine Schalter mittels eines Ansteuerungssignals mit einer höheren Frequenz angesteuert werden soll, um eine Regeldifferenz in der Ausgangsspannung zu unterdrücken, wenn der funktionale Schaltkreis dabei ist, einen erhöhten Strom anzufordern.
- Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der funktionale Schaltkreis ein Mikroprozessorkern ist.
- Vorrichtung nach Anspruch 12, wobei der Mikroprozessorkern ein Steuersignal an den Spannungsregler ausgibt, um das Ansteuerungssignal mit höherer Frequenz zuzuschalten, wenn die Kernlast an der Versorgung ansteigen wird.
- Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Kern das Steuersignal abgibt, wenn der Kern den erhöhten Strom anfordert.
- Vorrichtung nach Anspruch 11, weiterhin umfassend einen Synchronisierungsschaltkreis zum Synchronisieren des Ansteuerungssignals mit höherer Frequenz mit einem Signal mit niedrigerer Frequenz, welches normalerweise verwendet wird, um den zumindest einen Schalter anzusteuern.
- Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei der Spannungsregler und der funktionale Schaltkreis Teil eines gemeinsam integrierten Schaltkreispackages sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei der funktionale Schaltkreis und zumindest ein Teil des Spannungsreglers auf getrennten Chips angeordnet sind.
- Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei das Ansteuerungssignal mit höherer Frequenz zu beliebiger Zeit für eine zur Stabilitätserhaltung ausreichende kleine Zeitdauer aktiv ist.
- System, umfassend: – einen Spannungsreglerbereich mit Spannungsreglern, welche mit einem gemeinsamen Versorgungsausgang gekoppelt sind, um eine geregelte Spannung bereitzustellen; – einen Prozessorkern, welcher mit dem Bereich gekoppelt ist, um die geregelte Spannung zu empfangen, wobei der Spannungsreglerbereich, der gesteuert werden soll, mittels eines Signals mit einer höheren Frequenz als der eines normalen Ansteuerungssignals angesteuert werden soll, um unzumutbare Regeldifferenzen in der geregelten Spannung zu vermeiden, und – eine Speichervorrichtung, welche mit dem Prozessorkern verbunden ist, um für diesen ein externes Speichersystem bereitzustellen.
- System nach Anspruch 19, weiterhin umfassend eine Energieversorgung, welche mit dem Spannungsreglerbereich gekoppelt ist, um diesen mit Energie zu versorgen.
- System nach Anspruch 19, umfassend eine Steuervorrichtung, um den Spannungsreglerbereich so zu steuern, dass er mit dem Signal mit höherer Frequenz anstatt mit dem normalen Signal gesteuert wird, wenn seine Last dabei ist, ausreichend anzusteigen.
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