DE112018000333T5 - Rauschreduzierung in einem Spannungswandler - Google Patents

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DE112018000333T5
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Alan S. Walsh
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Abstract

Diese Anmeldung bespricht Techniken zur Reduzierung der Energie einer Ausgangswelligkeit in einem Spannungswandler bei einer Schaltfrequenz des Spannungswandlers. Bei gewissen Beispielen kann eine Amplitude einer Referenzspannung mit einem zeitlich variierenden Zufallswert oder Pseudozufallswert moduliert werden, um eine Reduzierung in der Energie der Ausgangswelligkeit bei der Schaltfrequenz des Spannungswandlers bereitzustellen.

Description

  • Prioritätsanspruch
  • Das vorliegende Patent beansprucht den Prioritätsvorteil gegenüber der am 27. Februar 2017 eingereichten US-Anmeldung mit der Nr. 15/443,950 , deren Anmeldung eine Fortsetzung der am 6. Februar 2017 eingereichten internationalen Patentanmeldung mit der Nr. PCT/CN2017/072959 ist, wobei die Anmeldungen hiermit durch unter Bezugnahme in ihrer Gesamtheit hierin aufgenommen werden.
  • Gebiet der Offenbarung
  • Die vorliegende Offenbarung betrifft Systeme und Verfahren zum Filtern von elektronischem Rauschen in einem Spannungswandler.
  • Hintergrund
  • Gewisse Spannungswandler beinhalten einen Komparator mit Hysterese in einer Rückkopplungssteuerschleife, um einer Ausgangsspannung bereitzustellen.
  • Kurzdarstellung der Offenbarung
  • In gewissen Systemen kann ein Spannungswandler eine erste DC-Spannung empfangen und eine zweite DC-Spannung liefern, um beispielsweise einer elektronischen Komponente Leistung bereitzustellen. Der Spannungswandler kann eine Steuerschleife beinhalten, beispielsweise jene, die Hysterese verwendet. In einem Spannungswandler, der eine Hysterese-Steuerschleife beinhaltet, kann ein Ausgang des Spannungswandlers eine AC-Komponente bei einer Schaltfrequenz des Spannungswandlers enthalten. Bei Präzisionsanwendungen, bei denen der Spannungswandler beispielsweise eine Referenzspannung für einen SAR(Sukzessive-Approximation-Register)-ADC(Analog-Digital-Umsetzer) bereitstellen kann, kann die Frequenzkomponente bei der Schaltfrequenz eine reduzierte Leistungsfähigkeit des SAR-ADC verursachen (die Präzision des SAR-ADC ist möglicherweise z. B. von 18 Bits auf 16 Bits reduziert). Die Erfinder haben unter anderem erkannt, dass es möglich ist, einen Spannungswandler mit einer reduzierten AC-Komponente bei der Schaltfrequenz bereitzustellen, beispielsweise durch Modulieren von mindestens einem Signal in der Steuerschleife des Spannungswandlers. Weitere Merkmale der Offenbarung sind in den angehängten Ansprüchen bereitgestellt, wobei die Merkmale optional miteinander in einer beliebigen Permutation oder Kombination kombiniert werden können, sofern in diesem Dokument nicht anderweitig ausdrücklich etwas anderes angegeben wird.
  • Bei einem Aspekt kann die Offenbarung ein Verfahren zur Spannungsumwandlung aufweisen, das eine Reduzierung in einer Ausgangswelligkeitsenergie bei einer Schaltfrequenz eines Spannungswandlers bereitstellt. Das Verfahren kann Empfangen einer Eingangsspannung und Bereitstellen einer Ausgangsspannung mit einer Frequenzkomponente bei der Schaltfrequenz beinhalten. Das Verfahren kann auch Erzeugen eines Steuersignals basierend auf der Ausgangsspannung und einer Referenzspannung beinhalten. Das Verfahren kann auch Schalten der Eingangsspannung basierend auf dem Steuersignal beinhalten. Das Verfahren kann auch Modulieren der Referenzspannung und/oder einer Verzögerung, die zum Erzeugen des Steuersignals verwendet wird, beinhalten. Das Verfahren kann auch Ansteuern einer Last mit der Ausgangsspannung beinhalten und die Schaltfrequenz kann von der Last abhängen. Das Verfahren kann auch Modulieren einer Amplitude der Referenzspannung mit einem zeitlich variierenden Zufallswert oder Pseudozufallswert beinhalten, um beispielsweise eine Reduzierung in der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz des Spannungswandlers bereitzustellen. Das Verfahren kann auch Umwandeln von zumindest einem Teil der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz zu einer Energie bei einer anderen Frequenz beinhalten. Das Modulieren der Amplitude der Referenzspannung kann Bereitstellen eines zeitlich variierenden, zufällig erzeugten Trimmcodes an einen Analog-Digital-Umsetzer beinhalten. Das Verfahren kann auch Verzögern des Steuersignals um eine variierende zufällige Zeitmenge beinhalten, um beispielsweise eine Reduzierung in der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz des Spannungswandlers bereitzustellen. Das Verfahren kann auch Umwandeln von zumindest einem Teil der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz zu einer Energie bei einer anderen Frequenz beinhalten. Das Verfahren kann auch Laden eines Kondensators mit einem zeitlich variierenden zufällig erzeugten Strom basierend auf dem Steuersignal beinhalten, um die Verzögerung im Steuersignal bereitzustellen. Das Modulieren der Referenzspannung und/oder einer Verzögerung, die zum Erzeugen des Steuersignals verwendet wird, kann eine Ausgangswelligkeitsenergie bei einem Vielfachen der Schaltfrequenz des Spannungswandlers reduzieren.
  • Bei einem Aspekt kann die Offenbarung einen Spannungswandler zum Bereitstellen einer Reduzierung in einer Ausgangswelligkeitsenergie bei einer Schaltfrequenz des Spannungswandlers aufweisen. Der Spannungswandler kann einen Schaltspannungswandlerschaltkreis beinhalten, der zum Empfangen einer Eingangsspannung und Bereitstellen einer Ausgangsspannung mit einer Frequenzkomponente bei der Schaltfrequenz ausgelegt ist. Der Spannungswandler kann auch ein Steuerelement beinhalten, das zum Bereitstellen eines Steuersignals basierend auf der Ausgangsspannung und einer Referenzspannung ausgelegt ist, wobei das Steuersignal den Schaltspannungswandlerschaltkreis steuert. Der Spannungswandler kann auch einen Modulationsschaltkreis beinhalten, der zum Modulieren der Referenzspannung und/oder einer Verzögerung, die zum Erzeugen des Steuersignals verwendet wird, ausgelegt ist. Der Schaltspannungswandlerschaltkreis kann zum Ansteuern einer Last mit der Ausgangsspannung ausgelegt sein und die Schaltfrequenz kann von der Last abhängen. Der Modulationsschaltkreis kann zum Modulieren einer Amplitude der Referenzspannung mit einem zeitlich variierenden Zufallswert oder Pseudozufallswert ausgelegt sein, um beispielsweise eine Reduzierung in der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz des Spannungswandlers bereitzustellen. Der Modulationsschaltkreis kann zum Umwandeln von zumindest einem Teil der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz zu einer Energie bei einer anderen Frequenz ausgelegt sein. Der Modulationsschaltkreis kann zum Bereitstellen eines zeitlich variierenden, zufällig erzeugten oder pseudozufällig erzeugten Trimmcodes an einen Analog-Digital-Umsetzer ausgelegt sein. Der Spannungswandler kann auch einen Schaltkreis zur variablen Verzögerung beinhalten, der zum Verzögern des Steuersignals um eine variierende zufällige oder pseudozufällige Zeitmenge ausgelegt ist, um eine Reduzierung in der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz des Spannungswandlers bereitzustellen. Der Modulationsschaltkreis kann zum Umwandeln von zumindest einem Teil der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz zu einer Energie bei einer anderen Frequenz ausgelegt sein. Der Spannungswandler kann auch eine Stromquelle beinhalten, die zum Laden eines Kondensators mit einem zeitlich variierenden Strom als Reaktion auf das Steuersignal ausgelegt ist, um die Verzögerung im Steuersignal bereitzustellen. Das Modulieren der Referenzspannung und/oder einer Verzögerung, die zum Erzeugen des Steuersignals verwendet wird, kann eine Ausgangswelligkeitsenergie bei einem Vielfachen der Schaltfrequenz des Spannungswandlers reduzieren. Das Steuerelement kann einen Hysterese-Komparator beinhalten, der zum Bereitstellen eines ersten Steuersignals ausgelegt ist, falls die Ausgangsspannung die Referenzspannung um eine erste Schwellenmenge überschreitet, und zum Bereitstellen eines zweiten Steuersignals ausgelegt ist, falls die Ausgangsspannung um mehr als eine zweite Schwellenmenge geringer als die Referenzspannung ist.
  • Bei einem Aspekt kann die Offenbarung einen Spannungswandler zum Bereitstellen einer Reduzierung in einer Ausgangswelligkeitsenergie bei einer Schaltfrequenz des Spannungswandlers, des Spannungswandlers aufweisen. Der Spannungswandler kann ein Mittel zum Empfangen einer Eingangsspannung und Bereitstellen einer Ausgangsspannung mit einer Frequenzkomponente bei der Schaltfrequenz beinhalten. Das Mittel zum Empfangen eines Eingangs und Bereitstellen eines Ausgangs kann einen Wandlerschaltkreis beinhalten, beispielsweise den in 1 dargestellten Wandlerschaltkreis 105. Der Spannungswandler kann auch ein Mittel zum Erzeugen eines Steuersignals basierend auf der Ausgangsspannung und einer Referenzspannung beinhalten. Das Mittel zum Erzeugen eines Steuersignals kann einen Steuerschaltkreis beinhalten, beispielsweise den in 1 dargestellten Steuerschaltkreis 110. Der Spannungswandler kann auch ein Mittel zum Schalten der Eingangsspannung basierend auf dem Steuersignal beinhalten. Das Mittel zum Schalten der Eingangsspannung kann einen Treiberschaltkreis beinhalten, beispielsweise den in 1 dargestellten Treiberschaltkreis 115. Der Spannungswandler kann auch ein Mittel zum Modulieren der Referenzspannung und/oder einer Verzögerung, die zum Erzeugen des Steuersignals verwendet wird, beinhalten. Das Mittel zum Modulieren kann einen Modulationsschaltkreis beinhalten, beispielsweise den in 1 dargestellten Modulationsschaltkreis 120.
  • Figurenliste
  • Die vorliegende Offenbarung wird nun beispielhaft mit Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen gilt:
    • 1A veranschaulicht ein Diagramm eines Spannungswandlers.
    • 1B veranschaulicht ein Diagramm eines Spannungswandlers.
    • 1C veranschaulicht ein Diagramm eines Modulationsschaltkreises.
    • 2A veranschaulicht ein Beispiel für Wellenformen in einem Spannungswandler.
    • 2B veranschaulicht ein Beispiel für Wellenformen in einem Spannungswandler.
    • 2C veranschaulicht ein Beispiel für Wellenformen in einem Spannungswandler.
    • 3A veranschaulicht eine Ausgangsspannungswellenform in einem Spannungswandler.
    • 3B veranschaulicht ein Ausgangsleistungsspektrum in einem Spannungswandler.
    • 4A veranschaulicht eine Ausgangsspannungswellenform in einem Spannungswandler.
    • 4B veranschaulicht ein Ausgangsleistungsspektrum in einem Spannungswandler.
    • 4C veranschaulicht ein Diagramm eines Modulationsschaltkreises.
    • 5A veranschaulicht eine Ausgangsspannungswellenform in einem Spannungswandler.
    • 5B veranschaulicht ein Ausgangsleistungsspektrum in einem Spannungswandler.
    • 6 veranschaulicht ein Verfahren des Betriebs eines Spannungswandlers.
  • Ausführliche Beschreibung von Ausführungsformen der Offenbarung
  • 1A stellt ein Beispiel für einen Spannungswandler 100 dar. Der Spannungswandler 100 kann einen Wandlerschaltkreis 105, einen Steuerschaltkreis 110, einen Treiberschaltkreis 115 und einen Modulationsschaltkreis 120 beinhalten. Der Wandlerschaltkreis 105 kann eine Verbindung mit einer Eingangsspannung und eine Verbindung mit dem Steuerschaltkreis 110 beinhalten. Der Steuerschaltkreis 110 kann Verbindungen mit einer Referenzspannung, dem Wandlerschaltkreis 105 und dem Treiberschaltkreis 115 beinhalten. Der Treiberschaltkreis 115 kann eine Verbindung mit dem Wandlerschaltkreis 105 und eine Verbindung mit dem Steuerschaltkreis 110 beinhalten. Der Modulationsschaltkreis 120 kann eine Verbindung mit dem Steuerschaltkreis 110 beinhalten. Während des Betriebs kann dem Wandlerschaltkreis 105 eine Eingangsspannung (Vin) bereitgestellt werden. Der Wandlerschaltkreis 105 kann die Eingangsspannung in eine Ausgangsspannung (Vout) umwandeln. Die Ausgangsspannung (Vout) kann zum Ansteuern einer Last verwendet werden. Die Ausgangsspannung kann eine DC-Komponente und eine Ausgangswelligkeit einschließlich einer AC-Komponente bei einer Schaltfrequenz des Spannungswandlers 100 beinhalten. Die Schaltfrequenz kann vom Wert der Last abhängen (die Schaltfrequenz kann z. B. linear von der Last abhängen). Der Wandlerschaltkreis 105 kann dem Steuerschaltkreis 110 eine skalierte Version der Ausgangsspannung (Vout) bereitstellen. Der Steuerschaltkreis 110 kann die skalierte Version der Ausgangsspannung (Vout) mit einer Referenzspannung (Vref) vergleichen, um beispielsweise ein Steuersignal bereitzustellen. Der Steuerschaltkreis 110 kann dem Treiberschaltkreis 115 das Steuersignal bereitstellen. Der Treiberschaltkreis 115 kann den Wandlerschaltkreis beispielsweise durch Schalten der Eingangsspannung basierend auf dem empfangenen Steuersignal steuern, um beispielsweise eine Differenz zwischen der skalierten Ausgangsspannung und der Referenzspannung zu reduzieren. Der Modulationsschaltkreis 120 kann das durch den Steuerschaltkreis bereitgestellte Steuersignal modulieren, um beispielsweise die Ausgangswelligkeitsenergie in der Frequenzkomponente bei der Schaltfrequenz zu reduzieren.
  • 1B stellt ein Beispiel für einen Spannungswandler 100 dar. Der Spannungswandler 100 kann einen Wandlerschaltkreis 105, einen Widerstandsteiler 106, einen Steuerschaltkreis 110, einen Treiberschaltkreis 115 und einen Modulationsschaltkreis 120a und 120b beinhalten. Der Wandlerschaltkreis 105 kann einen ersten Transistor 105a und einen zweiten Transistor 105b, eine Induktivität 105c und einen Kondensator 105d beinhalten. Der Steuerschaltkreis 110 kann einen Hysterese-Komparator 110a und einen Logiksteuerschaltkreis 110b beinhalten. Der Wandlerschaltkreis 105 kann eine Verbindung mit einer Eingangsspannung und eine Verbindung mit dem Steuerschaltkreis 110 beinhalten. Der erste Transistor 105a kann mit dem Treiberschaltkreis, der Eingangsspannung (Vin) und der Induktivität 105c verbunden sein. Der zweite Transistor 105b kann mit dem Treiberschaltkreis, der Induktivität 105c und einer elektrischen Masse verbunden sein. Die Induktivität 105c kann mit dem ersten Transistor 105a, dem zweiten Transistor 105b, der Ausgangsspannung und dem Kondensator 105d verbunden sein. Der Kondensator 105d kann mit der Induktivität 105c, der Ausgangsspannung und einer elektrischen Masse verbunden sein. Der Widerstandsteiler kann mit der Ausgangsspannung, dem Steuerschaltkreis 110, dem Kondensator 105d und der Induktivität 105c verbunden sein. Der Steuerschaltkreis 110 kann Verbindungen mit einer Referenzspannung, dem Wandlerschaltkreis 105 und dem Treiberschaltkreis 115 beinhalten. Die Eingänge des Hysterese-Komparators 110a können mit dem Widerstandsteiler 106 und der Referenzspannung (Vref) verbunden sein und der Ausgang des Hysterese-Komparators 110a kann mit dem Logiksteuerschaltkreis 110b verbunden sein. Der Logiksteuerschaltkreis 110b kann mit dem Treiberschaltkreis 115 verbunden sein. Der Treiberschaltkreis 115 kann eine Verbindung mit dem Wandlerschaltkreis 105 und eine Verbindung mit dem Steuerschaltkreis 110 beinhalten. Der Modulationsschaltkreis 120 kann eine Verbindung mit dem Steuerschaltkreis 110 beinhalten. Während des Betriebs kann der erste Transistor 120a durch den Treiberschaltkreis 115 aktiviert werden, sodass er die Induktivität 105c mit einer Eingangsspannung (Vin) verbindet, um beispielsweise zu bewirken, dass ein zunehmender Strom durch die Induktivität 105c fließt. Der erste Transistor 120a kann dann deaktiviert werden, um beispielsweise die Eingangsspannung (Vin) von der Induktivität 105c zu trennen. Der zweite Transistor 105b kann dann aktiviert werden, sodass er die Induktivität 105c mit einer elektrischen Masse verbindet, um beispielsweise zu bewirken, dass ein abnehmender Strom durch die Induktivität 105c fließt. Während der Aktivierung des ersten Transistors 105a und des zweiten Transistors 105b kann der Kondensator 105d eine Ausgangsspannung (Vout) bereitstellen. Die Ausgangsspannung (Vout) kann zum Ansteuern einer Last (z. B. eines SAR-ADC oder einer anderen elektronischen Komponente) verwendet werden. Eine skalierte Version der Ausgangsspannung (Vout) und eine Referenzspannung können den Eingängen des Hysterese-Komparators 110a bereitgestellt werden. Der Hysterese-Komparator 110a kann ein erstes Signal bereitstellen, falls die skalierte Ausgangsspannung eine erste Schwellenmenge überschreitet, und kann ein zweites Signal bereitstellen, falls die skalierte Ausgangsspannung unter eine zweite Schwellenmenge fällt. Die erste Schwellenmenge kann größer als die skalierte Referenzspannung sein und die zweite Schwelle kann unter der skalierten Referenzspannung liegen. Der Logiksteuerschaltkreis 110b kann dem Treiberschaltkreis 115 Steuersignale basierend auf dem ersten und zweiten Signal, die vom Hysterese-Komparator 110a empfangen werden, bereitstellen. Der Treiberschaltkreis 115 kann dann die Transistoren 105a und 105b basierend auf den empfangenen Steuersignalen aktivieren. Falls der Treiberschaltkreis zum Beispiel ein Steuersignal basierend auf dem ersten Signal empfängt, kann der Treiberschaltkreis ein Signal bereitstellen, um beispielsweise den zweiten Transistor 105b zu aktivieren und den ersten Transistor 105a zu deaktivieren. Falls der Treiberschaltkreis ein Steuersignal basierend auf dem zweiten Steuersignal empfängt, kann der Treiberschaltkreis ein Signal bereitstellen, um beispielsweise den ersten Transistor 105b zu aktivieren und den zweiten Transistor 105a zu deaktivieren. Der Spannungswandlerschaltkreis 105 kann somit durch den Steuerschaltkreis 110 und den Treiberschaltkreis 115 geregelt werden, um beispielsweise eine Ausgangsspannung bereitzustellen, sodass die skalierte Ausgangsspannung die Referenzspannung approximiert. Die skalierte Ausgangsspannung kann eine DC-Komponente von ungefähr gleich der Referenzspannung und eine Ausgangswelligkeit einschließlich einer AC-Komponente bei einer Schaltfrequenz des Spannungswandlers 100 beinhalten. Die Schaltfrequenz kann durch Parameter im Steuerschaltkreis bestimmt werden, wie etwa die Last, die erste Schwellenmenge, die zweite Schwellenmenge, den Wert der skalierten Referenzspannung und die Gesamtverzögerung in der Steuerschleife. Bei einem Beispiel kann die Schaltfrequenz konstant bleiben, falls die Referenzspannung konstant gehalten wird.
  • 1C stellt ein Beispiel für einen Modulationsschaltkreis dar, beispielsweise den Modulationsschaltkreis 120b. Der Modulationsschaltkreis kann eine Stromquelle 130, einen Schalter 140, einen Kondensator 135 und einen Komparator 145 beinhalten. Die Stromquelle 130 kann mit dem Schalter 140, dem Kondensator 135 und dem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Komparators 145 verbunden sein. Der Kondensator 135 kann mit einer elektrischen Masse und dem Schalter 140, der Stromquelle 130 und einem nicht invertierenden Eingangsanschluss des Komparators 145 verbunden sein. Der invertierende Eingangsanschluss des Komparators kann mit einer Referenzspannung verbunden sein und der Ausgangsanschluss des Komparators kann mit dem Treiberschaltkreis 115 verbunden sein. Während des Betriebs kann der Steuerschaltkreis 110 den Schalter 140 öffnen, um beispielsweise zu ermöglichen, dass die Stromquelle 130 den Kondensator 135 lädt. Die Stromquelle kann mit einem zeitlich variierenden Zufallscode oder Pseudozufallscode programmiert sein, um beispielsweise einen zeitlich variierenden Zufallswert oder Pseudozufallswert eines Stroms zum Laden des Kondensators 135 zu liefern. Nach dem Laden des Kondensators auf eine Spannung, die die Referenzspannung überschreitet, kann der Komparator Ausgangszustände ändern, um beispielsweise dem Treiberschaltkreis 115 ein Steuersignal mit einer zeitlich variierenden Verzögerung bereitzustellen.
  • 2A stellt ein Beispiel für Wellenformen in einem Spannungswandler dar, beispielsweise dem Spannungswandler 100, bei dem die Referenzspannung unmoduliert sein kann. Die Referenzspannung 215a kann unmoduliert sein und eine Differenz zwischen der unmodulierten Referenzspannung und der Ausgangsspannung 210a (Vout) kann dem Steuerschaltkreis, beispielsweise dem Steuerschaltkreis 110, bereitgestellt werden. Der Steuerschaltkreis kann dem Treiberschaltkreis, beispielsweise dem Treiberschaltkreis 115, ein Steuersignal 220a bereitstellen. Der Treiberschaltkreis 115 kann die Eingangsspannung (Vin) basierend auf dem empfangenen Steuersignal schalten, um beispielsweise einen Strom 215a in einer Induktivität, beispielsweise der Induktivität 105c, bereitzustellen.
  • 3A veranschaulicht Simulationsergebnisse einer Ausgangsspannung (Vout) eines Spannungswandlers, beispielsweise des Spannungswandlers 100, bei dem der Modulationsschaltkreis 120 keine Modulation bereitstellt. Die in 2A dargestellte Ausgangsspannung (Vout) beinhaltet eine Sägezahnform mit einer Frequenz von etwa 4,5 kHz, einem Mittelwert von etwa 1,4 V und einer Amplitude von etwa 25 mV. 2B veranschaulicht Simulationsergebnisse eines Leistungsspektrums am Ausgang eines Spannungswandlers, beispielsweise des Spannungswandlers 100, bei dem der Modulationsschaltkreis 120 keine Modulation bereitstellt. Das in 3B dargestellte Leistungsspektrum beinhaltet eine Spitze von 0 dB bei 0 Hz und eine Komponente entsprechend der Schaltfrequenz des Spannungswandlers mit einer Amplitude von -55 dB bei 4,5 kHz. Das Leistungsspektrum beinhaltet auch Komponenten bei Vielfachen der Schaltfrequenz (z. B. zweimal die Schaltfrequenz und dreimal die Schaltfrequenz).
  • 2B stellt ein Beispiel für Wellenformen in einem Spannungswandler dar, beispielsweise dem Spannungswandler 100, bei dem die Referenzspannung mit einem zeitlich variierenden Zufallswert oder zeitlich variierenden Pseudozufallswert moduliert werden kann. Bei einem Beispiel kann die Modulationstiefe in einem Bereich von 1 % bis 5 % liegen. Bei einem Beispiel kann die Modulationstiefe in einem Bereich von 1 % bis 3 % liegen. Bei einem Beispiel kann die Modulationstiefe in einem Bereich von 3 % bis 5 % liegen. Bei einem Beispiel kann die Modulationstiefe in einem Bereich von 2 % bis 4 % liegen. Bei einem Beispiel kann die Modulationstiefe in einem Bereich von 2,5 % bis 3,5 % liegen. Bei einem Beispiel kann die Modulationstiefe ungefähr 3 % betragen. Bei einem Beispiel kann eine zu kleine Modulationstiefe (z. B. geringer als 1 %) eine begrenzte Auswirkung auf die Ausgangswelligkeitsenergie besitzen, während eine zu große Modulationstiefe (z. B. größer als 10 %) die Gesamtausgangswelligkeitsenergie erhöhen kann. Bei einem Beispiel kann der zeitlich variierende Zufallswert oder zeitlich variierende Pseudozufallswert auf einer gleichförmigen Wahrscheinlichkeitsverteilung basieren. Bei einem Beispiel kann der zeitlich variierende Zufallswert oder zeitlich variierende Pseudozufallswert auf einer normalen Wahrscheinlichkeitsverteilung basieren. Die Referenzspannung 315b kann moduliert werden und eine Differenz zwischen der modulierten Referenzspannung und der Ausgangsspannung 310b (Vout) kann dem Steuerschaltkreis, beispielsweise dem Steuerschaltkreis 110, bereitgestellt werden. Der Steuerschaltkreis kann dem Treiberschaltkreis, beispielsweise dem Treiberschaltkreis 115, ein Steuersignal 320b bereitstellen. Das Steuersignal 320b kann infolge der an der Referenzspannung (Vref) angewendeten Modulation moduliert werden. Der Treiberschaltkreis 115 kann die Eingangsspannung (Vin) basierend auf dem empfangenen Steuersignal schalten, um beispielsweise einen Strom 315b in einer Induktivität, beispielsweise der Induktivität 105c, bereitzustellen.
  • 4A veranschaulicht Simulationsergebnisse einer Ausgangsspannung (Vout) eines Spannungswandlers, wie etwa des Spannungswandlers 100, bei dem der Modulationsschaltkreis 120 die Referenzspannung mit einem zeitlich variierenden Zufallswert oder zeitlich variierenden Pseudozufallswert modulieren kann, um beispielsweise die Energie in der Ausgangswelligkeit bei der Schaltfrequenz des Spannungswandlers zu reduzieren. Bei einem Beispiel kann die Referenzspannung durch einen Modulationsschaltkreis moduliert werden, beispielsweise den in 4C dargestellt Modulationsschaltkreis 400. Der Modulationsschaltkreis 400 kann Widerstände 450 und Schalter 455 beinhalten. Die Widerstände 450 können in Reihe geschaltet sein und können eine Verbindung zwischen einer konstanten Spannung (Vfix) und elektrischer Masse bereitstellen. Ein zeitlich variierender Zufallscode oder zeitlich variierender Pseudozufallscode kann den Schaltern 455 bereitgestellt werden, um beispielsweise zu bewirken, dass sich einer der Schalter schließt, um beispielsweise eine Verbindung mit einer Referenzspannung (Vref) bereitzustellen. Die anderen Schalter 455 können offen bleiben. Der Wert der Referenzspannung (Vref) kann durch einen Spannungsteiler bestimmt werden, der durch die Widerstände 450 und die Schalter 455 gebildet wird. Bei einem Beispiel können die Widerstände 450 und die Schalter 455 so ausgewählt werden, dass die Referenzspannung um ein Inkrement von 0,5 % variiert werden kann. Die in 4A dargestellte Ausgangsspannung (Vout) beinhaltet eine Sägezahnform mit einer Frequenz von etwa 4,5 kHz, einem Mittelwert von etwa 1,4 V und einer Amplitude von etwa 25 mV. 4B veranschaulicht Simulationsergebnisse eines Leistungsspektrums am Ausgang eines Spannungswandlers, wie etwa des Spannungswandlers 100, bei dem der Modulationsschaltkreis 120 die Referenzspannung mit einem zeitlich variierenden Zufallswert oder zeitlich variierenden Pseudozufallswert modulieren kann, um beispielsweise die Energie in der Ausgangswelligkeit bei der Schaltfrequenz des Spannungswandlers zu reduzieren. Das in 4B dargestellte Leistungsspektrum beinhaltet eine Spitze von 0 dB bei 0 Hz und eine Komponente entsprechend der Schaltfrequenz des Spannungswandlers mit einer Spitze von -59 dB bei 4,5 kHz, was eine Reduzierung von mindestens 4 dB in der Energie der Ausgangswelligkeit bei der Schaltfrequenz des Spannungswandlers im Vergleich zu einem Spannungswandler mit einer unmodulierten Referenzspannung repräsentieren kann. Das Leistungsspektrum kann auch Komponenten bei Vielfachen der Schaltfrequenz beinhalten (z. B. zweimal die Schaltfrequenz und dreimal die Schaltfrequenz).
  • 2C stellt ein Beispiel für Wellenformen in einem Spannungswandler dar, beispielsweise dem Spannungswandler 100, bei dem ein Steuersignal, wie etwa jenes, das durch den Steuerschaltkreis 110 bereitgestellt wird, moduliert werden kann. Das Steuersignal 320b kann so moduliert werden, dass eine zufällige oder pseudozufällige Zeitverzögerung des Steuersignals 320b eingeführt wird. Bei einem Beispiel kann die Schaltfrequenz 4,5 kHz betragen und die Zeitverzögerungszeit kann zwischen 0 µs und 12 µs variiert werden. Bei einem Beispiel kann die Modulationstiefe in einem Bereich von 1 % bis 5 % liegen. Bei einem Beispiel kann die Modulationstiefe in einem Bereich von 1 % bis 3 % liegen. Bei einem Beispiel kann die Modulationstiefe in einem Bereich von 3 % bis 5 % liegen. Bei einem Beispiel kann die Modulationstiefe in einem Bereich von 2 % bis 4 % liegen. Bei einem Beispiel kann die Modulationstiefe in einem Bereich von 2,5 % bis 3,5 % liegen. Bei einem Beispiel kann die Modulationstiefe ungefähr 3 % betragen. Die zufällig modulierte oder pseudozufällig modulierte Zeitverzögerung des Steuersignals 320b kann eine zufällige oder pseudozufällige Verzögerung beim Schalten des Spannungswandlerschaltkreises 105 bewirken. Die zufällige oder pseudozufällige Verzögerung im Spannungswandlerschaltkreis 105 kann eine zufällige Verzögerung in einen Strom einführen, der einer Induktivität, beispielsweise der Induktivität 105c, geliefert wird. Die zufällige Verzögerung in dem der Induktivität gelieferten Strom kann eine zufällige oder pseudozufällige Verzögerung in der Ausgangsspannung (Vout) einführen.
  • 5A veranschaulicht Simulationsergebnisse einer Ausgangsspannung (Vout) eines Spannungswandlers, wie etwa des Spannungswandlers 100, bei dem der Modulationsschaltkreis 120 das Steuersignal um eine zeitlich variierende zufällige oder pseudozufällige Zeitmenge verzögern kann, um beispielsweise die Energie in der Ausgangswelligkeit bei der Schaltfrequenz des Spannungswandlers zu reduzieren. Die in 5A dargestellte Ausgangsspannung (Vout) beinhaltet eine Sägezahnform mit einer Frequenz von etwa 4,5 kHz, einem Mittelwert von etwa 1,4 V und einer Amplitude von etwa 25 mV. 5B veranschaulicht Simulationsergebnisse eines Leistungsspektrums am Ausgang eines Spannungswandlers, wie etwa des Spannungswandlers 100, bei dem der Modulationsschaltkreis 120 das Steuersignal um eine zeitlich variierende, zufällige oder pseudozufällige Zeitmenge verzögern kann. Das in 5B dargestellte Leistungsspektrum beinhaltet eine Spitze von 0 dB bei 0 Hz und eine Komponente entsprechend der Schaltfrequenz des Spannungswandlers mit einer Amplitude von -58 dB bei 4,5 kHz, was eine Reduzierung von mindestens 3 dB in der Energie der Ausgangswelligkeit bei der Schaltfrequenz des Spannungswandlers im Vergleich zu einem Spannungswandler mit einer unmodulierten Referenzspannung repräsentieren kann. Das Leistungsspektrum kann auch Komponenten bei Vielfachen der Schaltfrequenz beinhalten (z. B. zweimal die Schaltfrequenz und dreimal die Schaltfrequenz).
  • 6 veranschaulicht ein Beispiel für ein Verfahren zum Betreiben eines Spannungswandlers, beispielsweise des Spannungswandlers 100, um beispielsweise eine Reduzierung in einer Ausgangswelligkeitsenergie bei einer Schaltfrequenz des Spannungswandlers bereitzustellen. Ein Wandlerschaltkreis, beispielsweise der Wandlerschaltkreis 105, kann eine Eingangsspannung empfangen und eine Ausgangsspannung mit einer Frequenzkomponente bei der Schaltfrequenz bereitstellen (Schritt 610). Ein Steuerschaltkreis, beispielsweise der Steuerschaltkreis 110, kann ein Steuersignal basierend auf der vom Wandlerschaltkreis 105 empfangenen Ausgangsspannung und einer Referenzspannung erzeugen (Schritt 620). Ein Treiberschaltkreis, beispielsweise der Treiberschaltkreis 115, kann die Eingangsspannung basierend auf dem vom Steuerschaltkreis, beispielsweise dem Steuerschaltkreis 110, empfangenen Steuersignal schalten (Schritt 630). Ein Modulationsschaltkreis, beispielsweise der Modulationsschaltkreis 120, kann die Referenzspannung und/oder eine Verzögerung, die zum Erzeugen des Steuersignals verwendet wird, modulieren (Schritt 640). Der Modulationsschaltkreis kann eine Amplitude der Referenzspannung mit einem zeitlich variierenden Zufallswert oder Pseudozufallswert modulieren, um eine Reduzierung in der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz des Spannungswandlers bereitzustellen. Das Modulieren der Amplitude der Referenz kann Bereitstellen eines zeitlich variierenden, zufällig erzeugten Trimmcodes an einen Digital-Analog-Umsetzer beinhalten. Bei einem Beispiel kann der Modulationsschaltkreis das Steuersignal um eine variierende zufällige oder pseudozufällige Zeitmenge verzögern, um eine Reduzierung in der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz des Spannungswandlers bereitzustellen. Die Reduzierung in der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz kann mit einer entsprechenden Zunahme der Energie von mindestens einer Frequenz außer der Schaltfrequenz einhergehen. Das Verzögern des Steuersignals um eine variierende zufällige oder pseudozufällige Zeitmenge kann Laden eines Kondensators mit einem zeitlich variierenden, zufällig erzeugten Strom basierend auf dem Steuersignal beinhalten, um die Verzögerung im Steuersignal bereitzustellen. Bei einem Beispiel kann das Modulieren der Amplitude der Referenzspannung oder die Zeitverzögerung des Steuersignals eine Reduzierung in der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz der Spannungswandlers und eine Reduzierung in der Ausgangswelligkeitsenergie bei Vielfachen der Schaltfrequenz (z. B. bei zweimal die Schaltfrequenz oder dreimal die Schaltfrequenz) bereitstellen.
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  • Zitierte Patentliteratur
    • US 15/443950 [0001]

Claims (20)

  1. Verfahren zur Spannungsumwandlung, das eine Reduzierung in einer Ausgangswelligkeitsenergie bei einer Schaltfrequenz eines Spannungswandlers bereitstellt, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Empfangen einer Eingangsspannung und Bereitstellen einer Ausgangsspannung mit einer Frequenzkomponente bei der Schaltfrequenz; Erzeugen eines Steuersignals basierend auf der Ausgangsspannung und einer Referenzspannung; Schalten der Eingangsspannung basierend auf dem Steuersignal; und Modulieren der Referenzspannung und/oder einer Verzögerung, die zum Erzeugen des Steuersignals verwendet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, umfassend Ansteuern einer Last mit der Ausgangsspannung, und wobei die Schaltfrequenz von der Last abhängt.
  3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-2, umfassend Modulieren einer Amplitude der Referenzspannung mit einem zeitlich variierenden Zufallswert oder Pseudozufallswert, um eine Reduzierung in der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz des Spannungswandlers bereitzustellen.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-3, umfassend Umwandeln von zumindest einem Teil der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz zu einer Energie bei einer anderen Frequenz.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-4, wobei das Modulieren der Amplitude der Referenzspannung Bereitstellen eines zeitlich variierenden, zufällig erzeugten Trimmcodes an einen Analog-Digital-Umsetzer beinhaltet.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-5, umfassend Verzögern des Steuersignals um eine variierende zufällige Zeitmenge, um eine Reduzierung in der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz des Spannungswandlers bereitzustellen.
  7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-6, umfassend Umwandeln von zumindest einem Teil der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz zu einer Energie bei einer anderen Frequenz.
  8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, umfassend Laden eines Kondensators mit einem zeitlich variierenden, zufällig erzeugten Strom basierend auf dem Steuersignal, um die Verzögerung im Steuersignal bereitzustellen.
  9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, wobei das Modulieren der Referenzspannung und/oder einer Verzögerung, die zum Erzeugen des Steuersignals verwendet wird, eine Ausgangswelligkeitsenergie bei einem Vielfachen der Schaltfrequenz des Spannungswandlers reduziert.
  10. Spannungswandler zum Bereitstellen einer Reduzierung in einer Ausgangswelligkeitsenergie bei einer Schaltfrequenz des Spannungswandlers, wobei der Spannungswandler Folgendes umfasst: einen Schaltspannungswandlerschaltkreis, der zum Empfangen einer Eingangsspannung und Bereitstellen einer Ausgangsspannung mit einer Frequenzkomponente bei der Schaltfrequenz ausgelegt ist; ein Steuerelement, das zum Bereitstellen eines Steuersignals basierend auf der Ausgangsspannung und einer Referenzspannung ausgelegt ist, wobei das Steuersignal den Schaltspannungswandlerschaltkreis steuert; und einen Modulationsschaltkreis, der zum Modulieren der Referenzspannung und/oder einer Verzögerung, die zum Erzeugen des Steuersignals verwendet wird, ausgelegt ist.
  11. Spannungswandler nach Anspruch 10, wobei der Schaltspannungswandlerschaltkreis zum Ansteuern einer Last mit der Ausgangsspannung ausgelegt ist und wobei die Schaltfrequenz von der Last abhängt.
  12. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 10-11, wobei der Modulationsschaltkreis zum Modulieren einer Amplitude der Referenzspannung mit einem zeitlich variierenden Zufallswert oder Pseudozufallswert ausgelegt ist, um eine Reduzierung in der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz des Spannungswandlers bereitzustellen.
  13. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 10-12, wobei der Modulationsschaltkreis zum Umwandeln von zumindest einem Teil der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz zu einer Energie bei einer anderen Frequenz ausgelegt ist.
  14. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 10-13, wobei der Modulationsschaltkreis zum Bereitstellen eines zeitlich variierenden, zufällig erzeugten oder pseudozufällig erzeugten Trimmcodes an einen Analog-Digital-Umsetzer ausgelegt ist.
  15. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 10-14, umfassend einen Schaltkreis zur variablen Verzögerung, der zum Verzögern des Steuersignals um eine variierende zufällige oder pseudozufällige Zeitmenge ausgelegt ist, um eine Reduzierung in der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz des Spannungswandlers bereitzustellen.
  16. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 10-15, wobei der Modulationsschaltkreis zum Umwandeln von zumindest einem Teil der Ausgangswelligkeitsenergie bei der Schaltfrequenz zu einer Energie bei einer anderen Frequenz ausgelegt ist.
  17. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 10-16, umfassend eine Stromquelle, die zum Laden eines Kondensators mit einem zeitlich variierenden Strom als Reaktion auf das Steuersignal ausgelegt ist, um die Verzögerung im Steuersignal bereitzustellen.
  18. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 10-17, wobei das Modulieren der Referenzspannung und/oder einer Verzögerung, die zum Erzeugen des Steuersignals verwendet wird, eine Ausgangswelligkeitsenergie bei einem Vielfachen der Schaltfrequenz des Spannungswandlers reduziert.
  19. Spannungswandler nach einem der Ansprüche 10-18, wobei das Steuerelement einen Hysterese-Komparator beinhaltet, der zum Bereitstellen eines ersten Steuersignals ausgelegt ist, falls die Ausgangsspannung die Referenzspannung um eine erste Schwellenmenge überschreitet, und zum Bereitstellen eines zweiten Steuersignals ausgelegt ist, falls die Ausgangsspannung um mehr als eine zweite Schwellenmenge geringer als die Referenzspannung ist.
  20. Spannungswandler zum Bereitstellen einer Reduzierung in einer Ausgangswelligkeitsenergie bei einer Schaltfrequenz des Spannungswandlers, wobei der Spannungswandler Folgendes umfasst: Mittel zum Empfangen einer Eingangsspannung und Bereitstellen einer Ausgangsspannung mit einer Frequenzkomponente bei der Schaltfrequenz; Mittel zum Erzeugen eines Steuersignals basierend auf der Ausgangsspannung und einer Referenzspannung; Mittel zum Schalten der Eingangsspannung basierend auf dem Steuersignal; und Mittel zum Modulieren der Referenzspannung und/oder einer Verzögerung, die zum Erzeugen des Steuersignals verwendet wird.
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