DE112018006436T5

DE112018006436T5 - Adaptiver ldo-spannungsregler mit doppelschleife

Info

Publication number: DE112018006436T5
Application number: DE112018006436.0T
Authority: DE
Inventors: Dingkun Du; Jay B. Fletcher
Original assignee: Apple Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2017-12-18
Filing date: 2018-11-30
Publication date: 2020-09-17
Anticipated expiration: 2038-12-01
Also published as: US10234883B1; KR102360111B1; JP7095093B2; KR20200086693A; TWI684090B; DE112018006436B4; WO2019125727A1; CN111542797B; JP2021507379A; CN111542797A; TW201928565A

Abstract

Es wird ein Spannungsreglerschaltung offenbart. In einer Ausführungsform schließt ein Spannungsregler mit niedriger Abfallspannung (LDO-Spannungsregler) eine Spannungsschleife und eine Stromschleife ein. Die Stromschleife schließt einen Sourcefolger ein, der mit einem Ausgangsknoten des LDO-Spannungsreglers gekoppelt ist, wobei der Sourcefolger mit einem PMOS-Transistor implementiert ist. Die Stromschleife schließt auch einen Stromspiegel ein, der zwischen einer ersten Abzweigung der Stromschleife und einer zweiten Abzweigung der Stromschleife gekoppelt ist. Der Sourcefolger ist in der zweiten Abzweigung der Stromschleife implementiert. Die Spannungsschleife schließt eine Verstärkerschaltung mit einem invertierenden Eingang ein, der mit dem Ausgangsknoten gekoppelt ist, und einem nicht-invertierenden Eingang, der zum Empfang einer Referenzspannung gekoppelt ist. Der Ausgang des Verstärkers ist mit dem Gate-Anschluss des PMOS-Transistors des Stromspiegels gekoppelt.

Description

STAND DER TECHNIK
Technisches Gebiet
Die Offenbarung ist auf elektronische Schaltungen gerichtet und genauer auf Spannungsreglerschaltungen.
Beschreibung des Stands der Technik
Spannungsregler werden üblicherweise in einer großen Vielfalt von Schaltungen verwendet, um bestimmte Schaltungen mit einer gewünschten Spannung zu versorgen. Zu diesem Zweck steht eine Vielzahl von Spannungsreglerschaltungen zur Verfügung, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind. Lineare Spannungsregler werden in einer Reihe verschiedener Anwendungen verwendet, in denen die verfügbaren Versorgungsspannungen einen geeigneten Wert für die zu speisende Schaltung überschreiten. Dementsprechend können lineare Spannungsregler eine Spannung ausgeben, die kleiner als die empfangene Versorgungsspannung ist.
Einige lineare Spannungsregler können als Stufen implementiert sein. Jede der Stufen kann dazu beitragen, die Ausgangsspannung auf der Grundlage der zugeführten Eingangsspannung (z. B. von der externen Quelle) zu erzeugen. Die Stufen können miteinander gekoppelt sein, wobei Kondensatoren mit dem Ausgang jeder Stufe gekoppelt sind. Diese Kondensatoren können die Spannung stabilisieren, die von jeder der Stufen ausgegeben wird. In Spannungsreglern, die auf einer integrierten Schaltung (IC) implementiert sind, kann der Ausgang einer gegebenen Spannungsreglerstufe mit einer externen Verbindung zum Koppeln mit einem Kondensator versehen sein, der außerhalb der IC implementiert ist (z. B. auf einer gedruckten Schaltungsplatine oder PCB).
KURZDARSTELLUNG
Es wird ein Spannungsreglerschaltung offenbart. In einer Ausführungsform schließt ein Spannungsregler mit niedriger Abfallspannung (LDO-Spannungsregler) eine Spannungsschleife und eine Stromschleife ein. Die Stromschleife schließt einen Sourcefolger ein, der mit einem Ausgangsknoten des LDO-Spannungsreglers gekoppelt ist, wobei der Sourcefolger mit einem PMOS-Transistor implementiert ist. Die Stromschleife schließt auch einen Stromspiegel ein, der zwischen einer ersten Abzweigung der Stromschleife und einer zweiten Abzweigung der Stromschleife gekoppelt ist. Der Sourcefolger ist in der zweiten Abzweigung der Stromschleife implementiert. Die Spannungsschleife schließt eine Verstärkerschaltung mit einem invertierenden Eingang ein, der mit dem Ausgangsknoten gekoppelt ist, und einem nicht-invertierenden Eingang, der zum Empfang einer Referenzspannung gekoppelt ist. Der Ausgang des Verstärkers ist mit dem Gate-Anschluss des PMOS-Transistors des Stromspiegels gekoppelt.
In einer Ausführungsform schließt ein Verfahren zum Betrieb des LDO-Spannungsreglers die Stromschleife, die eine einer Lastschaltung zugeführte Strommenge steuert, und die Spannungsschleife ein, die die Ausgangsspannung steuert. Die Stromschleife ist für die schnelle Erfassung von Schwankungen ausgelegt und kann daher den Laststrom schnell anpassen und gleichzeitig die Stabilität des Spannungsreglerausgangs erhöhen. Bei der Spannungsschleife handelt es sich um eine Rückkopplungsschleife mit langsamer Spannung, die die Ausgangsspannung fein abstimmt und für hohe Verstärkung optimiert ist. Sie kann so ausgelegt sein, dass ihre Reaktion langsam genug ist, um die Stabilität weiter zu erhöhen.
Es wird außerdem eine Leistungssteuerungseinheit (Power Management Unit, PMU) offenbart, die als integrierter Schaltkreis implementiert ist. Diese kann eine Reihe von Schaltungsblöcken einschließen, von denen mindestens einer einen LDO-Spannungsregler, wie hierin besprochen, einschließt (Ausführungsformen mit mehreren Varianten des hierin besprochenen LDO-Spannungsreglers werden ebenfalls in Betracht gezogen). Da der vorstehend besprochene LDO-Spannungsregler ohne die Verwendung externer Kondensatoren implementiert werden kann, können mehrere Varianten auf dem Chip verteilt werden, anstatt einer einzelnen Variante mit einem externen Kondensatoranschluss. Der Schaltungsblock kann Steuer- und Leistungsschaltkreise einschließen und kann gekoppelt werden, um Strom an verschiedene Spannungsbereiche des Systems, in dem er implementiert ist, zu verteilen.
Figurenliste
Die folgende, detaillierte Beschreibung nimmt Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, die nun kurz beschrieben werden.

1 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Spannungsreglerschaltung.
2 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer integrierten Schaltung.
3 ist ein Flussdiagramm einer Ausführungsform eines Verfahrens zum Betrieb eines Spannungsreglers.
4 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines beispielhaften Systems.

Obwohl die hierin offenbarten Ausführungsformen vielfältigen Modifikationen und alternativen Formen zugänglich sind, werden spezifische Ausführungsformen davon in beispielhafter Weise in den Zeichnungen gezeigt und hierin detailliert beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass Zeichnungen und eine dazugehörige detaillierte Beschreibung nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang der Ansprüche auf die speziellen offenbarten Formen zu beschränken. Im Gegenteil, diese Anmeldung soll alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die in den Geist und Umfang der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung fallen, wie sie durch die beiliegenden Ansprüche definiert ist.
Diese Offenbarung schließt Verweise auf „eine Ausführungsform“, „eine bestimmte Ausführungsform“, „einige Ausführungsformen“, „verschiedene Ausführungsformen“ oder „eine Ausführungsform“ ein. Wenn die Ausdrücke „in einer Ausführungsform“, „in einer bestimmten Ausführungsform“, „in einigen Ausführungsformen“, „in verschiedenen Ausführungsformen“ oder „in einer Ausführungsform“ vorkommen, nehmen sie nicht unbedingt auf dieselbe Ausführungsform Bezug. Insbesondere können Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften auf jegliche geeignete Art kombiniert werden, die mit dieser Offenbarung im Einklang steht.
Innerhalb dieser Offenbarung können verschiedene Entitäten (die verschiedentlich als „Einheiten“, „Schaltungen“, andere Komponenten usw. bezeichnet werden können) als „konfiguriert“ beschrieben oder beansprucht werden, um eine oder mehrere Aufgaben oder Operationen durchzuführen. Diese Formulierung - [Entität], die konfiguriert ist, [eine oder mehrere Aufgaben auszuführen] - wird hierin verwendet, um sich auf eine Struktur (d. h. etwas physisches, wie beispielsweise eine elektronische Schaltung) zu beziehen. Insbesondere wird diese Formulierung verwendet, um anzuzeigen, dass diese Struktur angeordnet ist, um während des Betriebs die eine oder die mehreren Aufgaben auszuführen. Es kann gesagt werden, dass eine Struktur „konfiguriert ist zum“ Ausführen einer Aufgabe, selbst wenn die Struktur gegenwärtig nicht betrieben wird. Eine „Punkteverteilungsschaltung, die konfiguriert ist, um Punkte auf eine Vielzahl von Prozessorkernen zu verteilen“, soll beispielsweise eine integrierte Schaltung abdecken, die über eine Schaltung verfügt, die diese Funktion während des Betriebs erfüllt, auch wenn die betreffende integrierte Schaltung derzeit nicht verwendet wird (z. B. ist keine Stromversorgung angeschlossen). So bezieht sich eine Einheit, die als „konfiguriert, um“ eine Aufgabe auszuführen beschrieben oder aufgezählt wird, auf etwas Physisches, wie eine Vorrichtung, eine Schaltung, einen Speicher, der Programmanweisungen speichert, die ausführbar sind, um die Aufgabe auszuführen, usw. Dieser Satz wird hierin nicht verwendet, um auf etwas Immaterielles hinzuweisen.
Der Begriff „konfiguriert, um“ bedeutet nicht „konfigurierbar, um“. Ein unprogrammiertes FPGA würde zum Beispiel nicht als „konfiguriert“ betrachtet werden, um eine bestimmte Funktion durchzuführen, obwohl es „konfigurierbar“ sein kann, diese Funktion nach entsprechender Programmierung durchzuführen.
Das Anführen in den beiliegenden Ansprüchen, dass eine Struktur „konfiguriert“ ist, eine oder mehrere Aufgaben durchzuführen, ist ausdrücklich nicht dazu gedacht, sich auf 35 U.S.C. § 112 (f) für dieses Anspruchselement zu berufen. Dementsprechend soll keiner der Ansprüche in dieser Anmeldung in der eingereichten Fassung so ausgelegt werden soll, dass er Mittel-plus-Funktion-Elemente aufweist. Wenn sich der Anmelder während des Erteilungsverfahrens auf die Anwendung von Abschnitt 112(f) berufen möchte, gibt er Anspruchselemente unter Verwendung des Konstrukts „Mittel zum“ [Durchführen einer Funktion] an.
Wie hierin verwendet, wird der Begriff „basierend auf verwendet, um einen oder mehrere Faktoren zu beschreiben, die eine Bestimmung beeinflussen. Dieser Ausdruck schließt nicht die Möglichkeit aus, dass zusätzliche Faktoren die Bestimmung beeinflussen können. Das heißt, eine Bestimmung kann ausschließlich auf angegebenen Faktoren basieren oder auf den angegebenen Faktoren sowie anderen, nicht angegebenen Faktoren basieren. Man betrachte die Wendung „A wird basierend auf B bestimmt“. Diese Wendung gibt an, dass B ein Faktor ist, der verwendet wird, um A zu bestimmen, oder der die Bestimmung von A beeinflusst. Diese Wendung schließt nicht aus, dass die Bestimmung von A auch auf einem anderen Faktor, wie beispielsweise C, basieren kann. Diese Wendung soll auch eine Ausführungsform abdecken, in der A ausschließlich basierend auf B bestimmt wird. Wie hierin verwendet, ist die Wendung „basierend auf“ gleichbedeutend mit der Wendung „basierend mindestens teilweise auf.“
Wie hierin verwendet, beschreibt der Ausdruck „als Reaktion auf“ einen oder mehrere Faktoren, die eine Wirkung auslösen. Dieser Ausdruck schließt nicht die Möglichkeit aus, dass zusätzliche Faktoren die Wirkung beeinflussen oder anderweitig auslösen können. Das heißt, eine Wirkung kann ausschließlich als Reaktion auf diese Faktoren oder als Reaktion auf die genannten Faktoren sowie andere, nicht genannte Faktoren erfolgen. Man betrachte die Wendung „A als Antwort auf B ausführen“. Dieser Ausdruck besagt, dass B ein Faktor ist, der die Ausführung von A auslöst. Dieser Ausdruck schließt nicht aus, dass die Ausführung von A auch als Antwort auf einen anderen Faktor, wie beispielsweise C, erfolgen kann. Dieser Ausdruck soll auch eine Ausführungsform abdecken, in der A ausschließlich als Reaktion auf B ausgeführt wird.
Wie hierin verwendet, werden die Begriffe „erster“, „zweiter“ usw. als Bezeichnungen für nachgestellte Nomina verwendet, und sie implizieren keine Art von Reihenfolge (z. B. räumlich, zeitlich, logisch usw.), sofern nicht anders angegeben. So können beispielsweise in einer Registerdatei mit acht Registern die Begriffe „erstes Register“ und „zweites Register“ verwendet werden, um auf zwei beliebige der acht Register Bezug zu nehmen, und nicht beispielsweise nur auf die logischen Register 0 und 1.
Bei der Verwendung in den Ansprüchen wird der Begriff „oder“ als inklusives „oder“ und nicht als exklusives „oder“ verwendet. So bedeutet beispielsweise der Ausdruck „mindestens eines von x, y oder z“ eines von x, y und z sowie eine beliebige Kombination davon.
In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche spezifische Einzelheiten dargelegt, um für ein umfassendes Verständnis der offenbarten Ausführungsformen zu sorgen. Der Fachmann sollte jedoch erkennen, dass Gesichtspunkte der offenbarten Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden könnten. In einigen Fällen sind allgemein bekannte Schaltungen, Strukturen, Signale, Computerprogrammanweisungen und Techniken nicht im Detail dargestellt worden, um ein Verschleiern der offenbarten Ausführungsformen zu vermeiden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Bezugnehmend auf 1 wird nun ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Spannungsreglerschaltung dargestellt. Der Spannungsregler 100 in der dargestellten Ausführungsform ist ein Spannungsregler mit niedriger Abfallspannung (LDO-Spannungsregler), der so gekoppelt ist, dass er eine Spannung von einer externen Quelle (VDD) empfängt und eine Ausgangsspannung an eine Last an einem Ausgangsknoten (VLDO) bereitstellt.
In der dargestellten Ausführungsform schließt der Spannungsregler 100 eine Spannungsschleife und eine Stromschleife ein, die über den PMOS-Transistor MP1 miteinander gekoppelt sind. Die Spannungsschleife schließt den Verstärker A_v ein, dessen Ausgang (Knoten Vset) mit dem Gate-Anschluss von MP1 gekoppelt ist. Der invertierende Eingang von A_v ist mit dem Ausgangsknoten, VLDO, gekoppelt, während der nichtinvertierende Eingang gekoppelt ist, um eine Referenzspannung, V_Ref, zu erhalten.
Die Stromschleife des Spannungsreglers 100 schließt auch MP1 ein, der in einer Sourcefolger-Konfiguration angeschlossen ist (und somit der Ausgangsknoten VLDO an die Quelle von MP1 gekoppelt ist). Die dargestellte Sourcefolger-Anordnung erzeugt eine niedrige Ausgangsimpedanz für den Spannungsregler 100. Die Stromschleife schließt auch einen Stromspiegel ein, der mit den Transistoren MP2 und MP3 und einem Vorspannungstransistor implementiert ist. Die Stromspiegelschaltung kann eine 1:N-Strombeziehung zwischen den jeweiligen Strömen durch MP2 und MP3 implementieren (d. h. der Strom durch MP3 ist N x der Strom durch MP2, wobei es sich bei N um einen beliebigen geeigneten Wert handelt). Der Vorspannungstransistor wird mithilfe der NMOS-Vorrichtung MN1 implementiert, die so gekoppelt ist, dass sie an ihrem Gate-Anschluss eine Vorspannung, Vb, erhält. Die Stromschleife kann als mit zwei getrennten Abzweigungen implementiert betrachtet werden, z. B. einer ersten Abzweigung, die den Vorspannungstransistor MN1 einschließt, und der zweiten Abzweigung, die den mithilfe von MP1 implementierten Sourcefolger einschließt. Der Stromspiegel (und insbesondere die Gate-Anschlüsse von MP2 und MP3) und ein Vorspannungsknoten, Vbs, schließen die Schleife, indem sie die erste und zweite Abzweigung miteinander koppeln. Der Transistor MP2 der Stromschleife ist die diodengekoppelte Vorrichtung des Stromspiegels und ist in der ersten Abzweigung implementiert. Der Transistor MP3 der Stromschleife ist in der zweiten Abzweigung implementiert.
Der Spannungsregler 100 schließt auch eine Vorspannungsstromquelle I_b und ein Paar Vorspannungswiderstände, R_b1 und R_b2 , ein. Die Vorspannungsstromquelle und der Vorspannungswiderstand R_b1 sind beide an den Vorspannungsknoten V_bs gekoppelt. Der zweite Vorspannungswiderstand ist zwischen den VDD- und den Gate-Anschlüssen von MP2 und MP3 gekoppelt.
Der Widerstand R_L und der Kondensator C_L stellen den Widerstand bzw. die Kapazität einer an den Spannungsregler 100 gekoppelten Lastschaltung dar.
Bei der Spannungsschleife in der veranschaulichten Ausführungsform handelt es sich um eine langsame Spannungsrückkopplungsschleife, die die auf der VLDO bereitgestellte Ausgangsspannung fein abstimmt. Die Ausführung der Spannungsschleife in der veranschaulichten Ausführungsform ist für hohe Verstärkung optimiert. Darüber hinaus kann die Spannungsschleife so ausgelegt werden, dass sie langsam genug ist, um die Gesamtstabilität der Schaltung zu erhöhen. Normalerweise reagiert der Ausgang des Verstärkers langsam, und die am Vset-Knoten anliegende Spannung ist in der Regel eine Gleichspannung, die sich nur sehr langsam ändert. Obwohl hier nicht dargestellt, können einige Ausführungsformen zur weiteren Verbesserung der Stabilität die Kapazität am Vset-Knoten erhöhen.
Die Stromschleife in der veranschaulichten Ausführungsform ist eine Stromrückkopplungsschleife, die den Laststrom im Ausgang schnell erfassen und entsprechend anpassen kann. Diese Schleife ist für hohe Geschwindigkeiten optimiert, um schnell genug auf Lastschwankungen reagieren zu können. Diese Fähigkeit kann, zusammen mit der Funktionalität der Spannungsschleife, ferner zur Aufrechterhaltung einer stabilen Ausgangsspannung beitragen. Als Ergebnis dieser Ausführung, die sowohl die Spannungsschleife als auch die Stromschleife einschließt, kann eine erhöhte Stabilität zusammen mit einer hohen Geschwindigkeit bei der Reaktionsfähigkeit zur Anpassung an sich ändernde Bedingungen in der Lastschaltung gewährleistet werden. Dementsprechend kann die hier dargestellte Ausführung für eine Vielzahl unterschiedlicher Arten von Lastschaltungen ausgelegt sein. Dadurch kann die Notwendigkeit gemindert werden, den Spannungsregler auf eine Lastschaltung eines bestimmten Typs oder einer bestimmten Ausführung abzustimmen.
Die Ausführung des Spannungsreglers 100 in der dargestellten Ausführungsform implementiert einen lastadaptiven Mechanismus. In dem Stromspiegel erfasst die diodengekoppelte Vorrichtung MP2 den Laststrom (der Strom durch MP2 kann als IL/N ausgedrückt werden, wobei I_L der Laststrom und N das Verhältnis des Stroms von MP3 zu MP2 ist). Abhängig vom Strom durch MP2 kann sich die Gate-Source-Spannung (V_gs ) über dem Transistor MN1 ändern, und somit kann sich die Vorspannung V_bs entsprechend ändern. Wenn der Laststrom hoch ist, ist der Strom durch MP2 hoch, ebenso wie die Gate-Source-Spannung über MN 1, während der Strom durch MP1 und die Spannung V_bs niedrig sind. Wenn dagegen der Strom durch MP2 niedrig ist, ist die Gate-Source-Spannung über MN 1 ebenfalls niedrig, während die Vorspannung bei V_bs und der Strom durch MP1 beide hoch sind. Im Allgemeinen kann der Strom in der Stromschleife zwischen der ersten Abzweigung (die MN1 einschließt) und der zweiten Abzweigung (die MP1 einschließt) zugeordnet werden, je nach dem von der Lastschaltung gezogenen Strom.
Es wird darauf hingewiesen, dass die in 1 dargestellte Schaltung beispielhaft ist und nicht als Begrenzung gedacht ist. Im Gegensatz dazu sind Variationen der in 1 dargestellten Schaltung möglich und werden in Betracht gezogen, sofern sie innerhalb des Schutzumfangs der Offenbarung liegen. In einigen Ausführungsformen kann es beispielsweise möglich sein, den Vorspannungswiderstand R_b2 bei bestimmten Belastungseigenschaften zu entfernen.
2 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer Leistungssteuerungseinheit (Power Management Unit, PMU), die als Schaltlogik auf einer integrierten Schaltung implementiert ist. In der dargestellten Ausführungsform schließt PMU 200 eine Reihe von Leistungsschaltungen ein, von denen jede eine Version von LDO 100 implementiert, wie vorstehend besprochen. Jeder LDO-Spannungsregler 100 in der veranschaulichten Ausführungsform ist dazu konfiguriert, seine Versorgungsspannung über den mit Vdd Ext bezeichneten Leistungsbus zu erhalten, der mit einer externen Stromquelle gekoppelt werden kann. Bei der externen Stromquelle kann es sich um eine Batterie, eine externe Stromversorgung oder einen anderen geeigneten Mechanismus zur Stromversorgung der hier dargestellten Varianten von LDO-Spannungsreglern handeln. Mindestens einer der LDO-Spannungsregler 100, wie hierin offenbart, kann gemäß den vorstehend besprochenen Schaltungen implementiert werden. Insbesondere kann mindestens einer der LDO-Spannungsregler 100 sowohl eine Stromschleife als auch eine Spannungsschleife einschließen und ohne Bereitstellung von Anschlüssen für externe Kondensatoren implementiert werden, wobei die einzige externe Kapazität von der Lastschaltung bereitgestellt wird, an die er gekoppelt ist. Ausführungsformen mit mehr als einem der LDO-Spannungsregler 100, die der vorstehend besprochenen Ausführung entsprechen, sind ebenfalls möglich und werden in Betracht gezogen, ebenso wie Ausführungsformen, in denen alle LDO-Spannungsregler 100 der hier offenbarten Ausführung entsprechen.
Die hierin dargestellte Ausführungsform der PMU 200 kann zumindest teilweise durch die Ausführung des LDO-Spannungsreglers 100 ermöglicht werden. Anstelle eines einzelnen Spannungsreglers, der zur Bereitstellung einer geregelten Spannung an jeden der hier dargestellten (Nicht-LDO-) Schaltungsblöcke gekoppelt ist, wird die Bereitstellung einer geregelten Spannungen durch die Bereitstellung einer oder mehrerer Varianten des LDO-Spannungsreglers 100 aufgeteilt. Dies wird unter anderem dadurch ermöglicht, dass die verschiedenen hierin besprochenen Ausführungsformen des LDO-Spannungsreglers 100 nicht an einen externen Kondensator gekoppelt werden müssen. Die IC, auf der die PMU 200 implementiert ist, braucht somit keine Schaltung zur Ankopplung eines externen Kondensators an die verschiedenen Varianten des LDO-Spannungsreglers 100 bereitzustellen, wenn diese mit einer Ausführung implementiert werden, die innerhalb des Schutzumfangs des unter Bezugnahme auf 1 Besprochenen liegt.
Einer der in dieser Ausführungsform dargestellten LDO-Spannungsregler stellt eine Spannung für den Digitalkern 201 bereit, während die übrigen an Schaltungen zur Leistungsregelung gekoppelt sind, die jeweils eine Regelschaltung 202 und eine Leistungsschaltung 204 einschließen. Bei der Leistungsschaltung 204 in den verschiedenen Blöcken kann es sich um Schaltlogik verschiedener Formen handeln, und es ist nicht erforderlich, dass jede der Leistungsschaltungen 204 in der dargestellten Ausführungsform von der gleichen Form ist. Zum Beispiel kann es sich bei mindestens einer der Leistungsschaltungen 204 in der dargestellten Ausführungsform um einen Schaltspannungsregler handeln, der dazu konfiguriert ist, einem funktionalen Schaltungsblock (Functional Circuit Block, FCB), der auf einem Chip außerhalb der PMU 200 implementiert ist, eine Spannung bereitzustellen (z. B. für eine bestimmte Spannungsdomäne auf einer anderen integrierten Schaltung, die daran gekoppelt ist). In einer anderen Ausführungsform kann eine bestimmte Variante der Leistungsschaltung 204 einen Leistungsschalter implementieren, der dazu dient, einen FCB selektiv mit Strom zu versorgen. Eine Ausführungsform einer Leistungsschaltung 204, die sowohl einen Schaltspannungsregler als auch einen Leistungsschalter einschließt, ist ebenfalls möglich und wird in Betracht gezogen. Jede der hier dargestellten Leistungsschaltungen 204 ist so gekoppelt, dass sie ihre Versorgungsspannung von ihrem entsprechend gekoppelten LDO-Spannungsregler 100 erhält, und ist im Gegenzug dazu konfiguriert, eine Versorgungsspannung für einen FCB bereitzustellen, der auf einer anderen integrierten Schaltung implementiert ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die verschiedenen hier dargestellten Varianten einer Schaltung zur Leistungsregelung auf einer anderen IC mit anderer Funktionalität (d. h. einem, der kein PMU ist) implementiert werden können.
Die Steuerschaltung 202 in jeder der Schaltungen zur Leistungsregelung kann verschiedene Funktionen der Leistungsregelung bereitstellen. Wenn beispielsweise eine entsprechende Leistungsschaltung 204 einen Leistungsschalter einschließt, dann kann die Steuerschaltung 202 Schaltlogik einschließen, um das Öffnen und Schließen des Leistungsschalters zu veranlassen sowie zu bestimmen, wann solche Maßnahmen ergriffen werden sollten. Wenn eine Leistungsschaltung 204 eine andere Spannungsversorgung mit einem variablen Spannungsausgang einschließt, kann in einem anderen Beispiel die entsprechende Steuerschaltung 202 die variable Ausgangsspannung einstellen. Obwohl nicht explizit dargestellt, können zumindest einige der Steuerschaltungen 202 gekoppelt werden, um Informationen von anderen Schaltungen zu erhalten, wie z. B. ein entsprechender FCB, an den die Leistungsschaltung 204 eine Versorgungsspannung liefert. Diese Informationen können Informationen wie Aktivitätsgrade, Leistungszustände (und/oder angeforderte Leistungszustände) und so weiter einschließen. Generell kann jede Steuerschaltung 202 in der dargestellten Ausführungsform im Hinblick auf ihre entsprechend gekoppelte Leistungsschaltung 204 geeignete Steuerungs- und Überwachungsfunktionen bereitstellen. Darüber hinaus kann jede der Steuerschaltungen 202 in der dargestellten Ausführungsform ihre Betriebsspannung von ihrem entsprechend angekoppelten LDO-Spannungsregler 100 empfangen.
Der digitale Kern 201 in der dargestellten Ausführungsform kann Steuerungsfunktionen auf hohem Niveau für PMU 200 bereitstellen. Beispielsweise kann jede Steuerschaltung 202 gekoppelt werden, um dem digitalen Kern 201 Informationen über den Betrieb der entsprechenden Leistungsschaltung 204 bereitzustellen. In einigen Ausführungsformen kann der digitale Kern 201 auch Steuersignale für jede der verschiedenen Schaltungen zur Leistungsregelung bereitstellen. Der digitale Kern 201 kann auch verschiedene Telemetrie- und Systemüberwachungsfunktionen übernehmen. Generell kann der digitale Kern jede Schaltlogik sein, die für Steuerungs- und/oder Überwachungsfunktionen verwendet werden kann, die diejenigen einschließen, die mit der Verteilung der Leistung der verschiedenen Leistungsschaltungen 204 verbunden sind. Wie bei den anderen hierin dargestellten Schaltungseinheiten ist der Digitalkern 201 so gekoppelt, dass er seine Versorgungsspannung von einer Variante des LDO-Spannungsreglers 100 erhält.
3 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Spannungsreglerschaltung veranschaulicht. Wie hierin besprochen, kann Verfahren 300 sowohl mit der Ausführungsform des vorstehend besprochenen LDO-Spannungsreglers 100 als auch mit Ausführungsformen, die nicht explizit hierin besprochen sind, implementiert werden. Solche Ausführungsformen können als in den Anwendungsbereich dieser Offenlegung fallend betrachtet werden.
Verfahren 300 beginnt mit der Bereitstellung einer externen Versorgungsspannung für einen LDO-Spannungsregler (Block 305). Der LDO-Spannungsregler stellt dementsprechend eine geregelte Ausgangsspannung als Versorgungsspannung für eine andere Schaltlogik zur Verfügung. Die Steuerung der Ausgangsspannung wird durch eine Spannungsschleife des LDO-Spannungsreglers (Block 310) bereitgestellt. Die Steuerung eines vom Spannungsregler bereitgestellten Ausgangsstroms erfolgt durch eine Stromschleife des LDO-Spannungsreglers (Block 315).
Die Kombination der Spannungs- und Stromschleifen kann es ermöglichen, dass verschiedene Ausführungsformen des LDO-Spannungsreglers so arbeiten, dass ein stabiler Ausgang beibehalten und gleichzeitig eine schnelle Reaktion auf Änderungen in einer entsprechend gekoppelten Lastschaltung bereitgestellt wird. Insbesondere bei der Stromschleife kann es sich um eine schnell reagierende Rückkopplungsschaltung handeln, die schnell auf Änderungen im Bedarf an Ausgangsstrom durch die Lastschaltung reagiert.
Bei der Spannungsschleife hingegen kann es sich um eine langsam reagierende Rückkopplungsschaltung handeln, die dazu beiträgt, eine stabile Ausgangsspannung über einen weiten Bereich von Betriebsbedingungen aufrechtzuerhalten. In Kombination ermöglichen die Spannungs- und Stromschleifen einen Spannungsregler, der sowohl eine schnelle Reaktionszeit aufweist (aufgrund wechselnder Betriebsbedingungen der Last) als auch eine stabile Ausgangsspannung bereitstellt.
Als Nächstes Bezug nehmend auf 4 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Systems 150 dargestellt. In der dargestellten Ausführungsform schließt das System 150 mindestens ein Beispiel einer integrierten Schaltung 10 ein, das mit einem externen Speicher 158 gekoppelt ist. Die integrierte Schaltung 10 kann eine Speichersteuervorrichtung einschließen, die mit dem externen Speicher 158 gekoppelt ist. Die integrierte Schaltung 10 ist mit einer oder mehreren Peripherieeinheiten 154 und dem externen Speicher 158 gekoppelt. Es wird zudem eine Stromversorgung 156 bereitgestellt, die der integrierten Schaltung 10 die Versorgungsspannungen sowie dem Speicher 158 und/oder den Peripherieeinheiten 154 eine oder mehrere Versorgungsspannungen zuführt. In manchen Ausführungsformen kann mehr als ein Beispiel der integrierten Schaltung 10 eingeschlossen sein (und es kann auch mehr als ein externer Speicher 158 eingeschlossen sein).
Die Peripherieeinheiten 154 können jede gewünschte Schaltlogik einschließen, abhängig vom Typ des Systems 150. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform das System 150 eine mobile Vorrichtung (z. B. ein persönlicher digitaler Assistent (PDA), ein Smartphone usw.) sein, und die Peripheriegeräte 154 können Vorrichtungen für verschiedene Typen von drahtloser Kommunikation einschließen, wie Wi-Fi, Bluetooth, Mobilfunk, globales Positioningsbestimmungssystem usw. Die Peripheriegeräte 154 können auch zusätzlichen Speicher aufweisen, einschließlich RAM-Speicher, Festspeicher oder Plattenspeicher. Die Peripheriegeräte 154 können Benutzerschnittstellen-Vorrichtungen, wie einen Anzeigebildschirm, einschließlich Touchscreens oder Multitouchscreens, Tastatur- oder anderen Eingabevorrichtungen, Mikrofonen, Lautsprechern usw., einschließen. In anderen Ausführungsformen kann das System 150 irgendein Typ von Computersystem sein (z. B. Desktop-Personal-Computer, Laptop, Workstation, Tablet usw.).
Der externe Speicher 158 kann jeden beliebigen Speichertyp einschließen. Zum Beispiel kann der externe Speicher 158 SRAM, dynamischer RAM (DRAM), wie synchroner DRAM (SDRAM), Speicher mit doppelter Datenübertragungsrate (DDR, DDR2, DDR3, LPDDR1, LPDDR2 etc.) SDRAM, RAMBUS DRAM etc. sein. Der externe Speicher 158 kann ein oder mehrere Speichermodule einschließen, an denen die Speichervorrichtungen angebracht sind, wie Speichermodule mit einer Kontaktreihe (SIMM), Speichermodule mit zwei Kontaktreihen (DIMM) etc.
Zahlreiche Variationen und Modifikationen werden für den Fachmann ersichtlich, sobald die vorstehende Offenbarung vollständig verstanden ist. Es ist beabsichtigt, dass die folgenden Ansprüche so interpretiert werden, dass alle solchen Variationen und Modifikationen eingeschlossen sind.

Claims

Schaltung, umfassend: einen Spannungsregler mit niedriger Abfallspannung (LDO-Spannungsregler) mit einer Spannungsschleife und einer Stromschleife, wobei die Stromschleife umfasst: einen an einen Ausgangsknoten gekoppelten Sourcefolger, wobei der Sourcefolger einen ersten PMOS-Transistor einschließt; einen Stromspiegel, der zwischen einer ersten Abzweigung der Stromschleife und einer zweiten Abzweigung der Stromschleife gekoppelt ist, wobei der Sourcefolger in der zweiten Abzweigung implementiert ist, und wobei die Spannungsschleife umfasst: eine Verstärkerschaltung mit einem invertierenden Eingang, der mit dem Ausgangsknoten gekoppelt ist, einem nicht-invertierenden Eingang, der zum Empfang einer Referenzspannung gekoppelt ist, und einem Verstärkerausgang, der mit einem Gate-Anschluss des ersten PMOS-Transistors gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Vorspannungsstromquelle, die zwischen der Stromschleife und einem Erdungsknoten gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 2, ferner umfassend einen Vorspannungstransistor in der ersten Abzweigung der Stromschleife, wobei der Vorspannungstransistor zwischen dem Stromspiegel und der Vorspannungsstromquelle gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei der Vorspannungstransistor einen Gate-Anschluss einschließt, der so gekoppelt ist, dass er eine erste Vorspannung empfängt.
Schaltung nach Anspruch 2, ferner umfassend einen ersten Vorspannungswiderstand, der zwischen dem ersten PMOS-Transistor und Masse gekoppelt ist, wobei der erste Vorspannungswiderstand ferner über einen Vorspannungsknoten mit der Vorspannungsstromquelle gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Stromspiegel umfasst: einen zweiten PMOS-Transistor, wobei es sich bei dem zweiten PMOS-Transistor um eine diodengekoppelte Vorrichtung handelt und wobei der zweite PMOS-Transistor zwischen der ersten Abzweigung der Stromschleife und einem Versorgungsspannungsknoten gekoppelt ist, und einen dritten PMOS-Transistor, wobei der dritte PMOS-Transistor zwischen der zweiten Abzweigung der Stromschleife und dem Versorgungsspannungsknoten gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 6, ferner umfassend einen zweiten Vorspannungswiderstand, der zwischen dem Versorgungsspannungsknoten und den jeweiligen Gate-Anschlüssen des zweiten und dritten PMOS-Transistors gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Lastschaltung, die mit dem Ausgangsknoten gekoppelt ist, wobei ein Source-Anschluss des ersten PMOS-Transistors mit dem Ausgangsknoten gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Stromschleife dazu konfiguriert ist, eine Laststrommenge zu steuern, die einer mit dem Spannungsregler gekoppelten Lastschaltung bereitgestellt wird, und wobei die Spannungsschleife dazu konfiguriert ist, eine der Lastschaltung bereitgestellte Ausgangsspannung zu steuern.
Verfahren, umfassend: Bereitstellen einer Source-Spannung für einen Spannungsregler mit niedriger Abfallspannung (LDO-Spannungsregler), der eine Spannungsschleife und eine Stromschleife umfasst; Steuern eines Laststroms mithilfe der Stromschleife, wobei die Stromschleife einen Sourcefolger und einen Stromspiegel aufweist, und Steuern einer Ausgangsspannung des LDO-Spannungsreglers mithilfe der Spannungsschleife, wobei die Spannungsschleife eine Verstärkerschaltung aufweist, die mit einem Gate-Anschluss eines ersten PMOS-Transistors des Sourcefolgers gekoppelt ist, wobei eine Source des ersten PMOS-Transistors mit einem Ausgangsknoten des LDO-Spannungsreglers gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei der Stromspiegel einen zweiten und dritten PMOS-Transistor umfasst, wobei der zweite PMOS-Transistor diodengekoppelt ist und wobei das Verfahren ferner umfasst, dass der zweite PMOS-Transistor eine Laststrommenge erfasst.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Stromschleife ferner einen Vorspannungstransistor umfasst, der zwischen dem zweiten PMOS-Transistor und einem Vorspannungsknoten gekoppelt ist, und wobei das Verfahren ferner das Bereitstellen einer ersten Vorspannung an einem Gate-Anschluss des Vorspannungstransistors umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Verfahren ferner umfasst, dass der Vorspannungstransistor bewirkt, dass sich eine zweite Vorspannung an dem Vorspannungsknoten als Reaktion auf eine Änderung der Stärke des von dem zweiten PMOS-Transistor erfassten Laststroms ändert.
Verfahren nach Anspruch 13, ferner umfassend, dass der Vorspannungstransistor als Reaktion auf eine Erhöhung des Laststroms eine Verringerung der zweiten Vorspannung bewirkt, und ferner umfassend, dass der Vorspannungstransistor als Reaktion auf eine Verringerung des Laststroms eine Erhöhung der zweiten Vorspannung bewirkt.
Integrierte Schaltung, umfassend: einen Spannungsversorgungsknoten, der dazu konfiguriert ist, an eine externe Spannungsquelle gekoppelt zu werden, und eine Vielzahl von Schaltungen zur Leistungsregelung, wobei jede der Vielzahl von Schaltungen zur Leistungsregelung eine Steuerschaltung, eine Leistungsschaltung und einen LDO-Spannungsregler nach einem der Ansprüche 1 bis 9 einschließt.