DE112019006475T5 - Tief Integrierte Spannungsreglerarchitekturen - Google Patents

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DE112019006475T5
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Abstract

Ein System wird offenbart. Das System umfasst ein Substrat und einen ersten Chip auf dem Substrat, wobei eine Lastschaltung auf dem ersten Chip integriert ist. Das System umfasst auch einen zweiten Chip auf dem Substrat, wobei eine Leistungslieferschaltung konfiguriert ist, um Strom gemäß einer geregelten Spannung an einem Knoten an die Lastschaltung zu liefern. Die Leistungslieferschaltung beinhaltet eine erste Schaltung, die dazu konfiguriert ist, ein Fehlersignal zumindest teilweise basierend auf der geregelten Spannung zu erzeugen, und einen Spannungsgenerator, der Leistungsschalter beinhaltet, die dazu konfiguriert sind, die geregelte Spannung gemäß dem Fehlersignal zu modifizieren, wobei die erste Schaltung der Leistungslieferschaltung auf dem ersten Chip integriert ist, und wobei mindestens ein Teil der Leistungsschalter der Leistungslieferschaltung auf dem zweiten Chip integriert ist.

Description

  • QUERVERWEISE AUF VERWANDTE ANMELDUNGEN
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität der vorläufigen US-Anmeldung Nr. 62/785,143 , eingereicht am 26. Dezember 2018, mit dem Titel „INTEGRATED VOLTAGE REGULATOR“, deren Offenbarung hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die vorliegende Anmeldung bezieht sich allgemein auf Stromlieferschaltungen und insbesondere auf Stromkreise, die Strom an eine Last unter Verwendung mehrerer Phasen liefern.
  • HINTERGRUND DER ERFINDUNG
  • Neue Schaltungen haben einen erhöhten Leistungsbedarf. Daher werden Stromliefersysteme mit verbesserten Steuerschemata benötigt.
  • KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein erfinderischer Aspekt ist ein System. Das System umfasst ein Substrat und einen ersten Chip auf dem Substrat, wobei eine Lastschaltung auf dem ersten Chip integriert ist. Das System umfasst auch einen zweiten Chip auf dem Substrat, wobei eine Leistungslieferschaltung konfiguriert ist, um Strom gemäß einer geregelten Spannung an einem Knoten an die Lastschaltung zu liefern. Die Leistungslieferschaltung beinhaltet eine erste Schaltung, die dazu konfiguriert ist, ein Fehlersignal zumindest teilweise basierend auf der geregelten Spannung zu erzeugen, und einen Spannungsgenerator, der Leistungsschalter beinhaltet, die dazu konfiguriert sind, die geregelte Spannung gemäß dem Fehlersignal zu modifizieren, wobei die erste Schaltung der Leistungslieferschaltung auf dem ersten Chip integriert ist, und wobei mindestens ein Teil der Leistungsschalter der Leistungslieferschaltung auf dem zweiten Chip integriert ist.
  • Figurenliste
    • 1 zeigt ein veranschaulichendes vereinfachtes Schema eines Systems.
    • 2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines IC-Gehäuses.
    • 3 zeigt ein veranschaulichendes vereinfachtes Schema einer Leistungsliefersteuerschaltung, die in einer Vielzahl von elektronischen Systemen verwendet werden kann.
    • 4 ist ein Wellenformdiagramm, das Wellenformen für Signale der in 1 veranschaulichten Leistungsliefersteuerschaltung 100 darstellt.
    • 5 ist ein Wellenformdiagramm, das Wellenformen für Signale der in 1 veranschaulichten Leistungsliefersteuerschaltung 100 darstellt.
    • 6 ist ein Diagramm, das die Abhängigkeit von Tc (Zeit zwischen Starts von Phasenimpulsen) und Verr (Fehlerspannung) vom Laststrom darstellt.
    • 7A ist eine schematische Darstellung eines Leistungsliefermotors.
    • 7B veranschaulicht ein Beispiel der Wellenformen für den in 7A veranschaulichten Leistungsliefermotor 500.
    • 8 ist eine schematische Darstellung eines Leistungsliefermotors.
    • 9 ist eine schematische Darstellung einer Steuerzeitgeberschaltung.
    • 10 ist eine schematische Darstellung einer Komparatormodus-Steuerschaltung.
    • 11 und 12 veranschaulichen eine Ausführungsform einer Spannungs-Zeit-Schaltung.
    • 13 und 14 veranschaulichen eine Ausführungsform einer Spannungs-Zeit-Schaltung.
    • 15 und 16 veranschaulichen eine Ausführungsform des Induktorkurzschlusses.
    • 17 ist eine schematische Darstellung einer Steuerzeitgeberschaltung.
    • 18 bis 20 sind schematische Darstellungen von Kompensationsnetzwerken gemäß einigen Ausführungsformen.
    • 21 ist ein Flussdiagramm einer sich wiederholenden Schaltsequenz, die eine kontinuierliche Stromausgabe für die geschaltete Regelschaltung in 5A gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
    • 22 ist ein Zeitdiagramm von Spannungen und Strömen innerhalb der geschalteten Regelschaltung von 7A gemäß der Schaltsequenz in 21.
    • 23 ist ein Schema der in 7A gezeigten geschalteten Regelschaltung in einer bestimmten Schaltkonfiguration gemäß der Schaltsequenz in 21.
    • 24 ist ein Schema der in 7A gezeigten geschalteten Regelschaltung in einer bestimmten Schaltkonfiguration gemäß der Schaltsequenz in 21.
    • 25 ist ein Schema der in 7A gezeigten geschalteten Regelschaltung in einer bestimmten Schaltkonfiguration gemäß der Schaltsequenz in 21.
    • 26 ist ein Schema der in 7A gezeigten geschalteten Regelschaltung in einer bestimmten Schaltkonfiguration gemäß der Schaltsequenz in 21.
    • 27 ist ein Schema der in 7A gezeigten geschalteten Regelschaltung in einer bestimmten Schaltkonfiguration gemäß der Schaltsequenz in 21;
    • 28 ist ein Schema der in 7A gezeigten geschalteten Regelschaltung in einer bestimmten Schaltkonfiguration gemäß der Schaltsequenz in 21.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Besondere Ausführungsbeispiele der Erfindung werden hierin in Verbindung mit den Zeichnungen dargestellt.
  • 1 stellt ein veranschaulichendes vereinfachtes Schema des Systems 10 dar, das eine Leistungslieferschaltung 20 beinhaltet, die an eine Last 12 gekoppelt ist, die Leistung von der Leistungslieferschaltung 20 empfängt. Zum Beispiel kann die Last 12 Strom von der Leistungslieferschaltung 20 über den Knoten Vout empfangen, wo die Spannung am Knoten Vout durch die Leistungslieferschaltung 20 geregelt wird. Dementsprechend ist die Last 12, wie vom Fachmann verstanden wird, eine Last für die Leistungslieferschaltung 20.
  • Die Last 12 ist auf einem ersten Halbleiterchip oder -rohchip integriert. Ein erster Abschnitt der Leistungslieferschaltung 20 ist auch auf dem ersten Halbleiterchip oder - rohchip integriert. Außerdem ist ein zweiter Abschnitt der Leistungslieferschaltung 20 auf einem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip integriert.
  • In einigen Ausführungsformen kann, wie oben beschrieben, die Last 12 eine beliebige Art von integrierter Schaltung sein (z.B. ein Prozessor, DSP, AI-Berechnung, Kommunikation) und kann digitale und analoge Schaltungen enthalten. Die Last 12 kann mit der Leistungslieferschaltung 20 verbunden sein. Die Kommunikationsmittel können einen Kommunikationsbus beinhalten, der mit einem oder beiden des ersten und zweiten Abschnitts der Leistungslieferschaltung 20 gekoppelt ist. Zum Beispiel kann die Last 12 einen beliebigen Teil eines Überwachungs- oder Steuersystems beinhalten, das mit einem oder mehreren Teilen der Leistungslieferschaltung 20 verbunden ist. Die Last 12 kann auch Informationen, die mit der Leistungslieferschaltung 20 verbunden sind, in einem Speicher speichern und Daten, die mit der Leistungslieferschaltung 20 verbunden sind, an ein externes Gerät übermitteln.
  • Die Last 12 kann eine Schaltung beinhalten, die die Leistungslieferschaltung 20 konfiguriert. Sie kann beispielsweise die gewünschte Ausgangsspannung übermitteln. Sie kann auch Eigenschaften der Leistungslieferschaltung 20 konfigurieren, einschließlich Kompensationsinformationen, Start- und Abschaltinformationen usw. Die Last kann entweder auf dem zweiten Rohchip oder dem ersten Rohchip mit der Stromlieferschaltung kommunizieren. Eine dedizierte Kommunikationsverbindung kann auch zwischen Teilen der Stromlieferschaltung 20 auf dem ersten und zweiten Rohchip verbunden sein. Die Kommunikation zwischen Schaltkreisen auf demselben Rohchip kann oft viel schneller sein. Die Möglichkeit, die Spannung schnell zu ändern, kann den Durchsatz erhöhen und Strom sparen, so dass eine Implementierung es der Last ermöglicht, die gewünschte Spannung schnell zu ändern, indem sie mit dem Abschnitt der Leistungslieferschaltung auf dem ersten Rohchip kommuniziert. In einigen Implementierungen kann die gewünschte Spannung auch an den Abschnitt der Leistungslieferschaltung 20 auf dem zweiten Rohchip übermittelt werden. Dies kann eine optimale Optimierung dieser Schaltung ermöglichen. Andere Informationen, die an die Leistungslieferschaltung 20 übermittelt werden können, umfassen Leistungszustände der Last, Zeitablauf und Rate des Hochfahrens und Abschaltens der Leistungslieferschaltungen. Andere Informationen, die von der Leistungslieferschaltung 20 an die Last 12 übermittelt werden können, umfassen den Status des Reglers, Informationen über die Ausgangsspannung, wie viel Strom bereitgestellt wird, Temperatur und jegliche Fehlerbedingungen. Diese Informationen können von der empfangenden Schaltung oder Komponente verwendet werden, um die Funktionalität der empfangenden Komponente zu modifizieren. Beispielsweise können die Informationen von der Empfangsschaltung oder -komponente verwendet werden, um die von der Leistungslieferschaltung 20 erzeugte Spannung zu modifizieren.
  • Die Leistungslieferschaltung 20 umfasst eine Fehlerschaltung 22, eine Fehlermanagementschaltung 24, eine Schaltersteuerschaltung 26, Leistungsschalter 28, Induktoren 38 und einen Kondensator 32. In einigen Ausführungsformen bildet die Leistungslieferschaltung 20 eine Spannungsreglerschaltung oder bildet sie teilweise.
  • Die Fehlerschaltung 22 ist konfiguriert, um eine Referenzspannung am Knoten oder Bus Vref zu empfangen. Die Referenzspannung wird von einer anderen Schaltung erzeugt und hat einen Spannungswert gleich oder im Wesentlichen gleich einem Ziel- oder Soll-Spannungswert der Spannung am Knoten Vout, die von der Leistungslieferschaltung 20 für die Last 12 erzeugt wird, so dass die Stromlieferschaltung 20 Strom an die Last 12 mit einer geregelten Spannung am Knoten Vout liefert, wobei die geregelte Spannung am Knoten Vout basierend auf der Referenzspannung am Knoten oder Bus Vref bestimmt wird.
  • Die Fehlerschaltung 22 ist dazu konfiguriert, auch die Spannung am Knoten Vout zu empfangen, die von der Leistungslieferschaltung 20 erzeugt wird. Zumindest basierend auf der Differenz zwischen der Spannung am Knoten Vout und der Referenzspannung erzeugt die Fehlerschaltung 22 ein Fehlersignal, das bewirkt, dass die Leistungslieferschaltung 20 die Spannung am Knoten Vout erzeugt, so dass die Differenz zwischen der Spannung am Knoten Vout und der Referenzspannung minimiert wird, wie vom Fachmann verstanden wird.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Fehlerschaltung 22 einen Vorgangsverstärker mit Verstärkungs-, Bandbreiten- und Stabilitätseigenschaften, die zu einer stabilen Erzeugung der Spannung am Knoten Vout beitragen.
  • Die Fehlerschaltung 22 kann einen Analog-Digital-Wandler umfassen, der konfiguriert ist, um eine digitale Darstellung der Differenz zwischen der analogen Spannung am Knoten Vout und der analogen Referenzspannung am Knoten Vref als das Fehlersignal zu erzeugen.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Fehlerschaltung 22 einen Analog-Digital-Wandler, der dazu konfiguriert ist, eine digitale Darstellung der Spannung am Knoten Vout zu erzeugen und eine digitale Differenz- oder Subtraktionsschaltung, die dazu konfiguriert ist, die digitale Darstellung der Spannung am Knoten Vout zu empfangen und ein digitales Fehlersignal basierend auf der Differenz zwischen der digitalen Darstellung der Spannung am Knoten Vout und der Referenzspannung zu erzeugen, wie dargestellt durch ein digitales Wort, das von der Fehlerschaltung 22 am Knoten oder Bus Vref empfangen wird.
  • Alternativ umfasst die Fehlerschaltung 22 in einigen Ausführungsformen einen analogen Verstärker, der konfiguriert ist, um die analoge Spannung am Knoten Vout und eine analoge Referenzspannung am Knoten Vref zu empfangen und ein analoges Fehlersignal zu erzeugen. In einigen Implementierungen repräsentiert das analoge Fehlersignal die Differenz zwischen der analogen Spannung am Knoten Vout und der analogen Referenzspannung am Knoten Vref. In einigen Implementierungen repräsentiert das analoge Fehlersignal die Differenz zwischen der analogen Spannung am Knoten Vout und der analogen Referenzspannung am Knoten Vref multipliziert mit einem Verstärkungsfaktor. In einigen Implementierungen kann der Verstärker eine Kompensation umfassen, wie im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise kann der Verstärker so konfiguriert sein, dass er eine proportionale, integrale und/oder differentielle Verarbeitung der analogen Spannung am Knoten Vout aufweist. In anderen Implementierungen kann die Fehlerschaltung 22 ein Komparator sein oder mit anderen Schaltungen einen Komparator enthalten, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das anzeigt, ob die analoge Spannung am Knoten Vout größer oder kleiner als eine Referenzspannung ist, wie beispielsweise die Referenzspannung am Knoten Vref.
  • Zumindest ein Teil der Fehlerschaltung 22 kann auf dem ersten Halbleiterchip oder - rohchip integriert sein, auf dem auch die Last 12 oder zumindest ein Teil der Last 12 integriert ist. In einigen Ausführungsformen ist die gesamte Fehlerschaltung 22 auf dem ersten Halbleiterchip oder -rohchip integriert. In einigen Ausführungsformen ist zumindest ein Teil der Fehlerschaltung 22 auf dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip integriert. In einigen Ausführungsformen ist mindestens ein Teil der Fehlerschaltung 22 auf dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip mit einem oder mehreren anderen Teilen der Leistungslieferschaltung 20 integriert.
  • Es kann vorteilhaft sein, zumindest einen Teil der Fehlerschaltung 22 auf dem ersten Halbleiterchip oder -rohchip zu integrieren, da die Fehlerschaltung 22 oder zumindest ein Teil der Fehlerschaltung 22 einen Sensor umfasst, der konfiguriert ist, um die Spannung am Knoten Vout für die Leistungslieferschaltung 20 zu messen. Wie vom Fachmann verstanden wird, regelt die Leistungslieferschaltung 20 die Spannung am Knoten Vout basierend auf der Differenz zwischen der Spannung am Knoten Vout und der Spannungsreferenzspannung am Knoten Vref. Dementsprechend ist es vorteilhaft, wenn der Sensor so nah wie möglich am optimalen Punkt zum Erfassen der Spannung am Knoten Vout liegt, der sich an der Last befindet, wie vom Fachmann verstanden wird, so dass der erfasste Wert so genau wie möglich ist. Wie vom Fachmann verstanden wird, ermöglicht der Abstand zwischen dem optimalen Punkt und dem erfassten Punkt am Knoten Vout, dass sich die erfasste Spannung von der tatsächlichen Spannung zumindest aufgrund von beispielsweise Rauschen und IR-Abfall unterscheidet.
  • Die Fehlermanagementschaltung 24 ist dazu konfiguriert, die Ausgabe(n) der Fehlerschaltung 22 zu empfangen und ein oder mehrere Signale basierend auf der Ausgabe der Fehlerschaltung 22 zu erzeugen. Das eine oder die mehreren Signale, die von der Fehlermanagementschaltung 24 erzeugt werden, beeinflussen die Spannung am Knoten Vout, um die Differenz zwischen der Spannung am Knoten Vout und der Referenzspannung zu minimieren, wie es der Fachmann versteht.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Ausgabe der Fehlermanagementschaltung 24 eine Darstellung der Differenz zwischen der Spannung am Knoten Vout und der Referenzspannung.
  • Die Ausgabe der Fehlermanagementschaltung 24 kann eine oder mehrere von einer analogen Spannung, einem digitalen Wort und einem anderen Signaltyp umfassen. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die Ausgabe der Fehlermanagementschaltung 24 eine Reihe von digitalen Pulsen umfassen, wobei die Frequenz der Pulse zumindest der Beziehung (z.B. Differenz) zwischen der Spannung am Knoten Vout und der Referenzspannung entspricht. In alternativen Ausführungsformen werden andere Signalmechanismen, zum Beispiel das Codieren der Differenz zwischen der Spannung am Knoten Vout und der Referenzspannung, durch die Fehlermanagementschaltung 24 erzeugt.
  • In einigen Ausführungsformen empfängt die Fehlerverwaltungsschaltung 24 eine Darstellung des Stroms, der der Last bereitgestellt wird, zum Beispiel von der Last 12, der Fehlerschaltung 22 oder der Schaltersteuerschaltung 26, und die Ausgabe der Fehlerverwaltungsschaltung 24 wird basierend auf dem Strom, der von der Last entnommen oder an sie geliefert wird, und einer Darstellung der Spannung am Knoten Vout bestimmt.
  • Zumindest ein Teil der Fehlermanagementschaltung 24 kann auf dem ersten Halbleiterchip oder -rohchip integriert sein, auf dem die Last 12 oder zumindest ein Teil der Last 12 ebenfalls integriert ist. In einigen Ausführungsformen ist die gesamte Fehlermanagementschaltung 24 auf dem ersten Halbleiterchip oder -rohchip integriert. In einigen Ausführungsformen ist zumindest ein Teil der Fehlermanagementschaltung 24 auf dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip integriert. In einigen Ausführungsformen ist mindestens ein Teil der Fehlermanagementschaltung 24 auf dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip mit einem oder mehreren anderen Teilen der Leistungslieferschaltung 20 integriert. In einigen Ausführungsformen ist die gesamte Fehlermanagementschaltung 24 auf dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip integriert.
  • Die Schaltersteuerschaltung 26 ist dazu konfiguriert, die Ausgabe der Fehlermanagementschaltung 24 zu empfangen und ein oder mehrere Signale auf Grundlage der empfangenen Ausgabe der Fehlermanagementschaltung 24 zu erzeugen. Das eine oder die mehreren Ausgangssignale, die von der Schaltersteuerschaltung 26 erzeugt werden, beispielsweise mit Leistungs-FET-Treibern, beeinflussen die Spannung am Knoten Vout, um die Differenz zwischen der Spannung am Knoten Vout und der Referenzspannung zu minimieren, wie es der Fachmann versteht.
  • In einigen Ausführungsformen basiert die Ausgabe der Schaltersteuerschaltung 26 auf der Differenz zwischen der Spannung am Knoten Vout und der Referenzspannung. In einigen Ausführungsformen basiert die Ausgabe der Schaltersteuerschaltung 26 zusätzlich oder alternativ auf einem an die Last 12 gelieferten Strom.
  • Der Ausgang der Schaltersteuerschaltung 26 kann Signale von Leistungs-FET-Treibern beinhalten, die die Leitfähigkeitszustände der Leistungsschalter 28 steuern. Zum Beispiel kann in einigen Ausführungsformen die Ausgabe der Schaltersteuerschaltung 26 mehrere Serien digitaler Impulse umfassen, wobei die Frequenz und die zeitliche Beziehung zwischen den mehreren Serien mindestens der Differenz zwischen der Spannung am Knoten Vout und der Referenzspannung entsprechen. In alternativen Ausführungsformen werden andere Signalmechanismen, die beispielsweise der Differenz zwischen der Spannung am Knoten Vout und der Referenzspannung entsprechen, durch die Schaltersteuerschaltung 26 erzeugt.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst die Schaltersteuerschaltung 26 eine Stromerfassungsschaltung, die den Strom durch die Leistungsschalter 28 erfasst. Wie vom Fachmann verstanden wird, kann der erfasste Strom verwendet werden, um zu beeinflussen, wann die Leistungsschalter 28 schalten sollten.
  • In einigen Ausführungsformen erzeugt die Schaltersteuerschaltung 26 Signale, die den an die Last gelieferten Strom für eine oder beide der Fehlerschaltung 22 und der Fehlerverwaltungsschaltung 24 darstellen.
  • Zumindest ein Teil der Schaltersteuerschaltung 26 kann auf dem ersten Halbleiterchip oder -rohchip integriert sein, auf dem auch die Last 12 oder zumindest ein Teil der Last 12 integriert ist. In einigen Ausführungsformen ist die gesamte Schaltersteuerschaltung 26 auf dem ersten Halbleiterchip oder -rohchip integriert. In einigen Ausführungsformen ist zumindest ein Teil der Schaltersteuerschaltung 26 auf dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip integriert. In einigen Ausführungsformen ist mindestens ein Teil der Schaltersteuerschaltung 26 auf dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip mit einem oder mehreren anderen Teilen der Leistungslieferschaltung 20 integriert. In einigen Ausführungsformen ist die gesamte Schaltersteuerschaltung 26 auf dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip integriert.
  • Leistungsschalter 28 sind dazu konfiguriert, die Ausgabe der Schaltersteuerschaltung 26 zu empfangen und die Spannung am Knoten Vout mit Induktivität(en) 30 und Kondensator 32 zusammenwirkend zu erzeugen, wobei die erzeugte Spannung auf der empfangenen Ausgabe der Schaltersteuerschaltung 26 basiert. Dementsprechend bilden die Leistungsschalter 28, die Induktivität(en) 30 und der Kondensator 32 gemeinsam einen Spannungsgenerator, der von der Ausgabe der Schaltersteuerschaltung 26 angesteuert und gesteuert wird. Daher bewirkt die Ausgabe der Schaltersteuerschaltung 26, dass die Leistungsschalter 28, Induktivität(en) 30 und Kondensator 32 die Spannung am Knoten Vout beeinflussen, um die Differenz zwischen der Spannung am Knoten Vout und der Referenzspannung zu minimieren, wie vom Fachmann verstanden wird.
  • In einigen Ausführungsformen sind die Leistungsschalter 28 konfiguriert, um selektiv, abwechselnd und wiederholt Induktivität(en) 30 mit einer positiven Stromversorgung und einer negativen Stromversorgung zu verbinden. In einigen Ausführungsformen sind Schaltersteuerschaltung 26, Leistungsschalter 28, Induktivität(en) 30 und Kondensator 32 angeordnet, um eine synchrone Abwärtswandlertopologie, eine Vollbrückenwandlertopologie, eine Aufwärtstopologie, eine Abwärtswandlertopologie oder eine andere Art von Leistungsreglerschaltungstopologie zu bilden.
  • Leistungsschalter 28 können auf dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip integriert sein. In einigen Ausführungsformen sind die Leistungsschalter 28 diskrete Leistungsbauelemente oder sind auf einem anderen Halbleiterrohchip integriert.
  • Die Induktoren 38 und der Kondensator 32 bilden zusammen einen LC-Filter, wie vom Fachmann verstanden wird. In einigen Ausführungsformen ist der Kondensator 32 als mehrere parallel geschaltete physikalische Kondensatoren implementiert. Die Induktoren 38 und der Kondensator 32 oder Teile der Induktoren 38 und des Kondensators 32 können entweder auf dem ersten oder zweiten Halbleiterchip oder - rohchip ausgebildet sein. In einigen Ausführungsformen befindet sich der Ausgangskondensator 32 nur auf dem ersten Halbleiterrohchip. In einigen Ausführungsformen ist der Ausgangskondensator 32 eine Kombination von Kondensatoren, einige auf dem ersten Halbleiterrohchip und andere außerhalb des ersten Halbleiterrohchips. In einigen Ausführungsformen sind einer oder beide der Induktivitäten 38 und des Kondensators 32 in einem Multi-rohchip- oder Multi-Rohchip-Paket platziert, das den ersten und zweiten Halbleiterchip oder -rohchip trägt, und sind weder auf dem ersten noch dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip integriert. In einigen Ausführungsformen sind einer oder beide der Induktoren 38 und des Kondensators 32 außerhalb eines Multi-rohchip- oder Multi-Rohchip-Pakets platziert, das den ersten und den zweiten Halbleiterchip oder -rohchip trägt.
  • In einigen Ausführungsformen ist das Leistungsliefersystem 20 mehrphasig. In solchen Ausführungsformen umfasst der Induktor/die Induktoren 30 mehrere Induktoren, die jeweils mit dem Kondensator 32 und einem unterschiedlichen Paar von Leistungsschaltern der Leistungsschalter 28 verbunden sind. Jedes einzelne Paar von Leistungsschaltern der Leistungsschalter 28 wird separat durch die Schaltersteuerschaltung 26 gesteuert, so dass mehrphasiger Strom von den Leistungsschaltern 28, der/den Induktivität(en) 30 und dem Kondensator 32 an die Last 12 geliefert wird.
  • In einigen Ausführungsformen sind die Fehlermanagementschaltung 24 und die Schaltersteuerschaltung 26 in eine Schleifensteuerschaltung integriert, die die Eingangsfunktionalität der Fehlermanagementschaltung 24 und die Ausgangsfunktionalität der Schaltersteuerschaltung 26 aufweist.
  • In solchen Ausführungsformen kann zumindest ein Teil der Schleifensteuerschaltung auf dem ersten Halbleiterchip oder -rohchip integriert sein, auf dem auch die Last 12 oder zumindest ein Teil der Last 12 integriert ist. In einigen Ausführungsformen ist die gesamte Schleifensteuerschaltung auf dem ersten Halbleiterchip oder -rohchip integriert. In einigen Ausführungsformen ist zumindest ein Teil der Schleifensteuerschaltung auf dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip integriert. In einigen Ausführungsformen ist mindestens ein Teil der Schleifensteuerschaltung auf dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip mit einem oder mehreren anderen Teilen der Leistungslieferschaltung 20 integriert.
  • Wie oben erörtert, empfängt die Fehlerschaltung 22 zumindest in einigen Ausführungsformen analoge Spannungen an den Knoten Vout und Vref, und die Schaltersteuerschaltung 26 erzeugt Steuersignale an für Leistungsschalter 28. Dementsprechend können die Fehlerschaltung 22, die Fehlerverwaltungsschaltung 24 und die Schaltersteuerschaltung 26 als gemeinsam die Steuersignale erzeugend betrachtet werden. Dementsprechend können die Fehlerschaltung 22, die Fehlerverwaltungsschaltung 24 und die Schaltersteuerschaltung 26 gemeinsam als Steuersignalgenerator betrachtet werden.
  • In solchen Ausführungsformen kann zumindest ein Teil des Steuersignalgenerators des kollektiven Steuersignalgenerators auf dem ersten Halbleiterchip oder -rohchip integriert sein, auf dem auch die Last 12 oder zumindest ein Teil der Last 12 integriert ist. In einigen Ausführungsformen ist der gesamte kollektive Steuersignalgenerator auf dem ersten Halbleiterchip oder -rohchip integriert. In einigen Ausführungsformen ist zumindest ein Teil des kollektiven Steuersignalgenerators auf dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip integriert. In einigen Ausführungsformen ist mindestens ein Teil des kollektiven Steuersignalgenerators auf dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip mit einem oder mehreren anderen Teilen der Leistungslieferschaltung 20 integriert.
  • Wie vom Fachmann verstanden wird, kann der Wandler des Generators des kollektiven Steuersignals in einen analogen Schaltungsabschnitt und einen digitalen Schaltungsabschnitt aufgeteilt werden. Zumindest ein Teil des analogen Schaltungsteils kann auf dem ersten Halbleiterchip oder -rohchip integriert sein, auf dem auch die Last 12 oder zumindest ein Teil der Last 12 integriert ist. In einigen Ausführungsformen ist der gesamte analoge Schaltungsabschnitt auf dem ersten Halbleiterchip oder -rohchip integriert, beispielsweise derart, dass ein digitales Signal von dem ersten Halbleiterchip oder -rohchip an den zweiten Halbleiterchip oder -rohchip gesendet wird. In einigen Ausführungsformen ist zumindest ein Teil des analogen Schaltungsteils auf dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip integriert. In einigen Ausführungsformen ist mindestens ein Teil des analogen Schaltungsteils auf dem zweiten Halbleiterchip oder - rohchip mit einem oder mehreren anderen Teilen der Leistungslieferschaltung 20 integriert.
  • In einigen Ausführungsformen zeigt das Signal vom ersten Rohchip zum zweiten Rohchip an, wann eine Phase einen neuen Puls starten sollte. Der zweite Rohchip kann dieses Signal nehmen und entscheiden, welche Phase als nächstes schalten soll, um die Spannungswelligkeit an der Ausgangsspannung an der Last 12 zu minimieren.
  • In einigen Ausführungsformen umfasst das System 10 auch eine (nicht gezeigte) Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung, die konfiguriert ist, um die Referenzspannung am Knoten Vref zu erzeugen.
  • In solchen Ausführungsformen kann zumindest ein Teil der Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung auf dem ersten Halbleiterchip oder -rohchip integriert sein, auf dem auch die Last 12 oder zumindest ein Teil der Last 12 integriert ist. In einigen Ausführungsformen ist die gesamte Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung auf dem ersten Halbleiterchip oder -rohchip integriert. In einigen Ausführungsformen ist zumindest ein Teil des gemeinsamen Analog-Digital-Wandlers auf dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip integriert. In einigen Ausführungsformen ist mindestens ein Teil der Referenzspannungs-Erzeugungsschaltung auf dem zweiten Halbleiterchip oder -rohchip mit einem oder mehreren anderen Teilen der Leistungslieferschaltung 20 integriert.
  • In einigen Ausführungsformen kann der der Last 12 bereitgestellte Strom zusätzlich oder alternativ in einer der Fehlerschaltung 22, der Fehlerverwaltungsschaltung 24 und der Schaltersteuerschaltung 26 verwendet werden, um die Steuersignale für die Leistungsschalter 28 zu erzeugen. Das Erfassen des der Last 12 zugeführten Stroms kann entweder im ersten oder zweiten Rohchip erfolgen. Der der Last 12 bereitgestellte Strom kann auch durch Erfassen der Spannung an der/den Induktivität(en) 30 erfasst werden.
  • 2 ist eine schematische Querschnittsansicht eines IC-Gehäuses 50 mit einem Leistungsversorgungssystem 20 und einer Last 12. Wie gezeigt, beinhaltet das IC-Gehäuse 50 einen ersten und einen zweiten Rohchip 51 und 52 auf dem Substrat 55. Wie vom Fachmann verstanden wird, können der erste und der zweite Rohchip 51 und 52 beispielsweise durch Verbinder auf dem ersten und zweiten Rohchip und Metall in einem Gehäuse oder einer gedruckten Leiterplatte elektrisch miteinander verbunden sein. Außerdem können der erste und der zweite Rohchip 51 und 52 mit einem oder mehreren Bonddrähten oder anderen Leitern elektrisch mit leitfähigen Stiften oder Leitungen verbunden sein, die sich so erstrecken, dass sie Komponenten außerhalb des Gehäuses 50 ausgesetzt sind. Zum Beispiel können der erste und der zweite Rohchip 51 und 52 elektrisch mit einem Kommunikationsbus verbunden sein.
  • Die Last 12 oder zumindest ein Teil der Last 12 kann auf dem ersten Rohchip 51 integriert sein. Außerdem können die Leistungsschalter 28 auf dem zweiten Rohchip 52 integriert sein. In einigen Ausführungsformen ist ein erster Teil der Fehlerschaltung 22 auf dem ersten Rohchip 51 integriert, wobei ein zweiter Teil der Fehlerschaltung 22 auf dem zweiten Rohchip 52 zusammen mit der Fehlerverwaltungsschaltung 24 und der Schaltersteuerschaltung 26 integriert ist.
  • In einigen Ausführungsformen ist die Fehlerschaltung 22 vollständig auf dem ersten Rohchip 51 integriert, und die Fehlerverwaltungsschaltung 24 und die Schaltersteuerschaltung 26 sind auf dem zweiten Rohchip 52 integriert. In einigen Ausführungsformen ist ein erster Teil der Fehlerverwaltungsschaltung 24 auf dem ersten Rohchip 51 zusammen mit der Fehlerschaltung 22 integriert, wobei ein zweiter Teil der Fehlerverwaltungsschaltung 24 auf dem zweiten Rohchip 52 zusammen mit der Schaltersteuerschaltung 26 integriert ist.
  • In einigen Ausführungsformen sind die Fehlerschaltung 22 und die Fehlerverwaltungsschaltung 24 vollständig auf dem ersten Rohchip 51 integriert, und die Schaltersteuerschaltung 26 ist auf dem zweiten Rohchip 52 integriert.
  • In einigen Ausführungsformen ist ein erster Teil der Schaltersteuerschaltung 26 auf dem ersten Rohchip 51 zusammen mit der Fehlerverwaltung 24 und der Fehlerschaltung 22 integriert, wobei ein zweiter Teil der Schaltersteuerschaltung 26 auf dem zweiten Rohchip 52 integriert ist.
  • In einigen Ausführungsformen sind die Schaltersteuerschaltung 26, die Fehlerschaltung 22 und die Fehlerverwaltungsschaltung 24 vollständig auf dem ersten Rohchip 51 integriert.
  • In einigen Ausführungsformen sind die Induktoren 30 auf dem zweiten Rohchip 52 integriert.
  • In einigen Ausführungsformen befinden sich die Induktoren 30 außerhalb sowohl des ersten als auch des zweiten Rohchips 51 und 52. Zum Beispiel können die Induktoren 30 durch ein Metall auf dem Substrat 55 außerhalb sowohl des ersten als auch des zweiten Rohchips 51 und 52 gebildet und elektrisch mit einem oder beiden von dem ersten und zweiten Rohchip 51 und 52 verbunden sein. Alternativ können die Induktoren 30 extern mit dem Gehäuse 50 verbunden sein und elektrisch mit entweder dem ersten und dem zweiten Rohchip 51 und 52 oder beiden verbunden sein.
  • In einigen Ausführungsformen ist der Kondensator 32 auf dem zweiten Rohchip 52 integriert.
  • In einigen Ausführungsformen befindet sich der Kondensator 32 außerhalb sowohl des ersten als auch des zweiten Rohchips 51 und 52. Zum Beispiel kann der Kondensator 32 mit dem Substrat 55 außerhalb sowohl des ersten als auch des zweiten Rohchips 51 und 52 verbunden sein und elektrisch mit einem oder beiden von dem ersten und zweiten Rohchip 51 und 52 verbunden sein.
    Alternativ kann der Kondensator 32 extern mit dem Gehäuse 50 verbunden und elektrisch mit dem ersten Rohchip 51 und/oder dem zweiten Rohchip 52 verbunden sein.
  • In einigen Ausführungsformen ist der Kondensator 32 ausschließlich auf dem zweiten Rohchip 52 integriert.
  • In einigen Ausführungsformen sind die Leistungsschalter 28 auf dem zweiten Rohchip 52 integriert. In einigen Ausführungsformen, beispielsweise in Ausführungsformen, die eine Aufwärtsreglerkonfiguration verwenden, sind die Leistungsschalter 28 teilweise auf dem zweiten Rohchip 52 integriert und sind teilweise auf dem ersten Rohchip 51 integriert.
  • In einigen Ausführungsformen sind nur die Leistungsschalter des Leistungsversorgungssystems 20 auf dem zweiten Rohchip 52 integriert, und der Rest des Leistungsversorgungssystems 20 ist auf dem ersten Rohchip 51 integriert.
  • Ein separater Herstellungsprozess kann verwendet werden, um den ersten und zweiten Rohchip 51 und 52 auszubilden, wobei der Herstellungsprozess des ersten Rohchips zum Bilden von Leistungshalbleitern optimiert ist. Dies ist einer der Vorteile der offenbarten Schaltungszuordnungen auf dem ersten und zweiten Die 51 und 52. Schaltungen, die vorzugsweise schnell sind, können auf dem zweiten Rohchip 52 integriert werden, wo der Prozess für einen schnellen Betrieb besser sein kann. Der erste Rohchip 51 kann sich in einem Prozess befinden, der zum Erzeugen von Leistungsschaltern optimiert ist.
  • In einigen Ausführungsformen sind der erste und der zweite Rohchip innerhalb von 200-500 Mikrometer voneinander positioniert. In einigen Ausführungsformen sind der erste und der zweite Rohchip nahe genug, dass der erste und der zweite Die Hochgeschwindigkeitskommunikation verwenden, die es der Leistungslieferschaltung 20 ermöglicht, Leistung an die Last 12 ohne einen Kondensator 32 außerhalb des ersten und zweiten Rohchips oder ohne einen Kondensator 32 außerhalb des Gehäuses 50 zu liefern. Zum Beispiel kann der Kondensator 32 auf dem ersten Rohchip, auf dem zweiten Rohchip oder innerhalb des Gehäuses 50 außerhalb des ersten und zweiten Rohchips gebildet werden. In einigen Ausführungsformen kann der Kondensator 32 innerhalb des elektronischen Gehäuses in Form von einem oder mehreren diskreten Kondensatoren vorliegen, die innerhalb des elektronischen Gehäuses positioniert sind.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Induktor, der Leistung an die Last koppelt, ein Luftkern-Induktor sein, das heißt ein Induktor ohne Magnetkern. Verschiedene Ausführungsformen können im Vergleich zu herkömmlichen Architekturen einen verringerten Bedarf an Kapazität des Kondensators 32 aufweisen. Einige Ausführungsformen weisen im Vergleich zu herkömmlichen Architekturen wesentlich reduzierte Parasiten und Verzögerungen auf, was es der Leistungslieferschaltung 20 ermöglicht, viel schneller auf transiente Leistungsanforderungen der Last 12 zu reagieren.
  • Die Last 12 und/oder der auf dem ersten Rohchip integrierte Teil der Stromlieferschaltung 20 können über einen Kommunikationsbus mit dem Teil der Stromlieferschaltung 20, der auf dem zweiten Rohchip integriert ist, kommunizieren und diesen steuern. In einigen Ausführungsformen ist der Kommunikationsbus analog, während er in anderen Ausführungsformen digital ist, einschließlich, aber nicht beschränkt auf einen I2C-Bus. In einigen Konfigurationen ist es ein digitaler Hochgeschwindigkeitsbus. In verschiedenen Ausführungsformen kann der Kommunikationsbus bidirektional sein, so dass die Last 12 und/oder der auf dem ersten Rohchip integrierte Teil der Leistungslieferschaltung 20 Signale an den auf dem zweiten Rohchip integrierten Teil der Leistungslieferschaltung 20 senden können und der auf dem zweiten Rohchip integrierte Teil der Stromlieferschaltung 20 Signale an die Last 12 und/oder den Teil der Stromlieferschaltung 20, der auf dem ersten Rohchip integriert ist, senden kann. In einigen Ausführungsformen weist der Kommunikationsbus einen, zwei, drei, vier oder mehr separate Leiter auf. In einigen Ausführungsformen weist der Kommunikationsbus eine oder mehrere der folgenden Architekturen und/oder Merkmale auf:
    • In einigen mehrphasigen Ausführungsformen wird die Anzahl von Phasen der Stromlieferschaltung 20 nicht an die Last 12 und/oder den Teil der Stromlieferschaltung 20 kommuniziert, die auf dem ersten Rohchip integriert sind.
  • In einigen Ausführungsformen sendet die Last 12 und/oder der auf dem ersten Rohchip integrierte Teil der Leistungsversorgungsschaltung 20 jedes Mal, wenn ein Impuls gestartet werden sollte (z.B. PWM-Signal, aus auf High-Side ein oder Low-Side auf auf High-Side ein, High-Side auf auf Low-Side oder einen Resonanzimpuls starten).
  • In einigen Ausführungsformen sendet die Last 12 und/oder der auf dem ersten Rohchip integrierte Abschnitt der Leistungsversorgungsschaltung 20 ein Signal an den auf dem zweiten Rohchip integrierten Abschnitt der Leistungsversorgungsschaltung 20, das angibt, welche Phase als nächstes ausgelöst werden soll.
  • In einigen Ausführungsformen sendet die Last 12 und/oder der auf dem ersten Rohchip integrierte Abschnitt der Leistungslieferschaltung 20 ein Signal an den auf dem zweiten Rohchip integrierten Abschnitt der Leistungslieferschaltung 20, das Informationen bezüglich der Ausgangsspannung anzeigt. Diese Informationen können eine oder mehrere der folgenden enthalten: eine Fehlerspannung, eine absolute Spannung, einen Laststrom, eine digitale Darstellung der Ausgangsspannung, eine digitale Darstellung der Fehlerspannung, eine verarbeitete (d.h. kompensierte Version) des Fehlers Spannung, die ein Ausgang der Kompensationsschaltung ist, oder andere Informationen.
  • In einigen Ausführungsformen sendet die Last 12 und/oder der auf dem ersten Rohchip integrierte Abschnitt der Leistungslieferschaltung 20 ein Signal an den Abschnitt der Leistungslieferschaltung 20 oder empfängt ein Signal von diesem, der auf dem zweiten Rohchip integriert ist, das den Wert der Referenzspannung am Knoten Vref anzeigt. In einigen Ausführungsformen sendet die Last 12 und/oder der auf dem ersten Rohchip integrierte Teil der Stromlieferschaltung 20 ein Signal an den Teil der Stromlieferschaltung 20, der auf dem zweiten Rohchip integriert ist, das Statusinformationen anzeigt (z.B. wie viel Strom geliefert wird, Temperatur usw.).
  • In einigen Ausführungsformen sendet die Last 12 und/oder der auf dem ersten Rohchip integrierte Abschnitt der Leistungsversorgungsschaltung 20 ein Signal an den auf dem zweiten Rohchip integrierten Abschnitt der Leistungsversorgungsschaltung 20, das Konfigurationsinformationen anzeigt (z.B. gewünschte Spannung, Kompensation) anzeigt Einstellungen, Energiespareinstellungen).
  • In einigen Ausführungsformen sendet die Last 12 und/oder der auf dem ersten Rohchip integrierte Abschnitt der Leistungslieferschaltung 20 ein Signal an den auf der zweiten Rohchip integrierten Abschnitt der Leistungslieferschaltung 20 oder empfängt ein Signal von diesem mit Informationen, enthaltend:
    • Einen gewünschten Leistungszustand des Abschnitts der Leistungslieferschaltung 20, der auf dem ersten Rohchip integriert ist (z.B. ausgeschaltet, niedrige Leistung, hohe Leistung, Spannung des integrierten Abschnitts der Leistungslieferschaltung).
  • Ein- und Ausschaltsignale für jede Phase und/oder jeden einzelnen Leistungsschalter, der auf dem zweiten Rohchip integriert ist.
  • Den Zustand von einem oder mehreren Abschnitten der Leistungslieferschaltung 20 (z.B. Strom, Temperatur, Spannung, Strom, Fehlerzustand usw.).
  • 3 ist eine schematische Darstellung eines Systems, das eine Leistungslieferschaltung 100 und eine Last 175 enthält. Das System von 3 ist eine beispielhafte Ausführungsform des Systems 10 von 1. Andere Ausführungsformen können verwendet werden.
  • 3 zeigt ein veranschaulichendes vereinfachtes Schema einer Leistungsliefersteuerschaltung 100, die in einer Vielzahl von elektronischen Systemen verwendet werden kann. Wie in 1 gezeigt ist, umfasst die Leistungsliefersteuerschaltung drei Phasen 110, 120 und 130 , jedoch kann die Leistungsliefersteuerschaltung in anderen Ausführungsformen eine bis eine beliebige Anzahl von Phasen aufweisen. Die Phasen 110, 120 und 130 sind zusammen eine Ausführungsform der Leistungsschalter 28 oder der Leistungsschalter 28 und der Schaltersteuerung 26 des Systems 10. In einigen Ausführungsformen kann jede Phase einen oder mehrere Festkörperschalter umfassen, die die von einer Stromquelle an eine Last gelieferte Leistung regulieren. In verschiedenen Ausführungsformen kann jede Phase eine Anordnung von sequentiell gekoppelten Festkörperschaltern beinhalten, während in weiteren Ausführungsformen jede Phase ein Paar Festkörperschalter beinhalten kann, die in einer synchronen Abwärtswandlertopologie angeordnet sind, während in noch weiteren Ausführungsformen jede Phase eine Vollbrückenschaltung oder eine andere Art von Leistungsreglerschaltung sein kann.
  • Wie in 3 weiter dargestellt ist, ist jede Phase mit einer Steuerschaltung 150 gekoppelt und wird von dieser gesteuert. Die Steuerschaltung 150 enthält Vout- und Vref-Knoten als Eingänge in einen Fehlerverstärker 152. Der Fehlerverstärker 152 ist eine Ausführungsform der Fehlerschaltung 22 des Systems 10. Der Fehlerverstärker 152 erzeugt eine Fehlerspannung am Knoten Verr basierend auf der Differenz zwischen den Vout- und Vref-Eingängen. Die Fehlerspannung kann als Eingang in eine Spannungs-Zeit-Schaltung 154 verwendet werden, die eine Ausführungsform der Fehlerverwaltungsschaltung 24 des Systems 10 ist. In einigen Ausführungsformen kann anstelle der Verwendung der Fehlerspannung als Eingabe in die Spannungs-Zeit-Schaltung 154 ein Signal, das von der Fehlerspannung abgeleitet wird, als Eingabe verwendet werden. In einem Beispiel kann das Signal von einem Typ-2-Kompensationsnetzwerk abgeleitet werden. Die Spannungs-Zeit-Schaltung 154 ist konfiguriert, um die Fehlerspannung oder das von der Fehlerspannung abgeleitete Signal in eine gesteuerte Zeit (Tc) umzuwandeln. In einigen Ausführungsformen sendet die Spannungs-Zeit-Schaltung 154 eine Reihe von Taktimpulsen an eine Phasenstellerschaltung 156, wobei die Zeit zwischen dem Beginn der Impulse gleich oder im Wesentlichen gleich der gesteuerten Zeit (Tc) ist. Die Phasenschaltung 156 ist eine Ausführungsform der Schaltersteuerschaltung 26.
  • Wenn die Phasenstellerschaltung 156 jedes Taktimpulssignal empfängt, bestimmt sie, welche der Phasen 110, 120 und 130 als nächstes zu triggern ist, und sendet ein Triggersignal an die bestimmte Phase. Beispielsweise kann bei sehr geringen Lasten nur die Phase 110 wiederholt getriggert werden, so dass die Phasenstellerschaltung 156 nur jedes Mal Triggerspannungen an die Phase 110 sendet, wenn sie ein Taktimpulssignal empfängt. Bei großen Lasten muss jedoch möglicherweise die Phase 120 getriggert werden, bevor der gesamte Strom oder die gesamte Energie in Phase 110 an die Last geliefert wird, so dass die Phasenstellerschaltung 156 ein erstes Triggersignal an Phase 110 und ein zweites Triggersignal an Phase 120 sendet, wie hier ausführlicher dargestellt ist.
  • In einigen Ausführungsformen weisen relativ große Fehlerspannungen (z. B. wenn Vout niedriger als Vref ist) darauf hin, dass an der Last mehr Leistung erforderlich ist, um Vout zu erhöhen, so dass die Spannungs-Zeit-Schaltung Tc verringert, so dass zwischen dem Auslösen der Phasen 110, 120 und 130 weniger Zeit vergeht. In ähnlicher Weise gibt es, wenn Vout nahe Vref liegt, eine relativ kleinere Fehlerspannung, die einem Anstieg von Tc und einer längeren Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Phasen entspricht, wie unten ausführlicher beschrieben wird.
  • In einigen Konfigurationen sind die Logik- und Steuerschaltungen für eine oder mehrere der Spannungs-Zeit-Schaltungen 154, der Phasenstellerschaltung 156 und der Phasen 110, 120 und 130 physikalisch miteinander kombiniert oder miteinander vermischt oder nahe beieinander.
  • 4 ist ein Wellenformdiagramm, das Wellenformen für Signale der in 3 veranschaulichten Leistungsliefersteuerschaltung 100 veranschaulicht. Nun auf 5 Bezug nehmend, sind die Wellenformen für die in 3 dargestellte Leistungsliefersteuerschaltung für einen leichten Lastzustand dargestellt. Die erste Wellenform ist der Induktorstrom (Lres Strom), die zweite Wellenform ist die Spannung, die dritte Wellenform ist der Taktimpuls und die vierte, fünfte und sechste sind die Triggersignale zum Triggern von Phase 1, Phase 2 bzw. Phase 3.
  • Wie in 4 gezeigt, hat die Spannungs-Zeit-Schaltung für den gegebenen Lastzustand die Zeit zwischen den Starts der Phasenladezeiten als Tc festgelegt. Die Phasenstellerschaltung triggert die Phase 110, um einen Zyklus auszuführen, der bewirkt, dass eine Ladungs- oder Strom- oder Energiemenge an den Induktor des dargestellten LC-Filters geliefert wird. Nachdem die Zeit Tc abgelaufen ist, sendet die Spannungs-Zeit-Schaltung 154 einen zweiten Impuls an die Phasenstellerschaltung 156.
  • In diesem Fall löst die Phasenstellerschaltung 156 die Phase 120 aus, um einen Zyklus auszuführen, der bewirkt, dass eine Ladungs- oder Strom- oder Energiemenge an den Induktor des dargestellten LC-Filters geliefert wird. Nachdem die Zeit Tc abgelaufen ist, sendet die Spannungs-Zeit-Schaltung 154 einen dritten Impuls an die Phasenstellerschaltung 156. In diesem Fall löst die Phasenstellerschaltung 156 die Phase 130 aus, um einen Zyklus auszuführen, der bewirkt, dass eine Ladungs- oder Strom- oder Energiemenge an den Induktor des dargestellten LC-Filters geliefert wird.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Ladungs- oder Strommenge oder Energiemenge, die von jeder der Phasen 110, 120 und 130 an den Induktor geliefert wird, gesteuert werden. Zum Beispiel kann die Ladungs- oder Strom- oder Energiemenge durch das Design der Komponenten der Leistungslieferungs-Steuerschaltung 100 gesteuert werden oder kann durch Steuern von Signalen der Leistungslieferungs-Steuerschaltung 100 gesteuert werden. Zum Beispiel kann die Phasenstellerschaltung 156 konfiguriert sein, um die Phasen 110, 120 und 130 auszulösen, indem sie Pulse variabler Breiten liefert, wobei die Pulsbreite von einer Steuerung gesteuert wird. Alternativ kann jede der Phasen 110, 120 und 130 dazu konfiguriert sein, eine variable Ladungs- oder Strom- oder Energiemenge zu liefern, wobei die Menge durch die Steuerung gesteuert wird. Andere Mechanismen zum Steuern der Ladung oder des Stroms oder der Energie, die von jeder der Phasen 110 , 120 , 130 an den Induktor geliefert werden, können zusätzlich oder alternativ verwendet werden.
  • Nachdem die Zeit Tc abgelaufen ist, sendet die Spannungs-Zeit-Schaltung 154 einen vierten Impuls an die Phasenstellerschaltung 156. In diesem Fall löst die Phasenstellerschaltung 156 die Phase 110 aus, um einen Zyklus auszuführen, der im Wesentlichen eine kontrollierte Energiemenge an den angeschlossenen Induktor und aus der Last sendet. Nachdem die Zeit Tc abgelaufen ist, sendet die Spannungs-Zeit-Schaltung 154 einen fünften Impuls an die Phasenstellerschaltung 156. In diesem Fall entscheidet die Phasenstellerschaltung 156, die Phase 120 auszulösen, um einen Zyklus auszuführen, der im Wesentlichen eine kontrollierte Energiemenge an die angeschlossene Induktivität und aus der Last sendet.
  • In einigen Ausführungsformen können die Leistungsliefersteuerschaltung 100 und/oder die Phasenstellerschaltung 156 eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
    • Lademodussteuerung, wobei die Phasenstellerschaltung 156 konfiguriert ist, um zu entscheiden, welche Phase als nächstes gezündet wird. In einigen Ausführungsformen wird die während jedes Zyklus an den Induktor gelieferte Ladung gesteuert. In einigen Ausführungsformen beginnt der an den Ausgangskondensator und die Last gelieferte Strom bei Null und kehrt als Reaktion auf jeden Impuls von der Spannungs-Zeit-Schaltung 154 auf Null zurück.
  • Bei leichten Lasten kann die Zeit zwischen dem erneuten Zünden einer Phase groß sein. Während einer „Aus“-Zeit zwischen dem Zünden von Phasen liefert die Phase keinen Strom an die Induktivität und kann als solche als „aus“ oder „abgelöst“ betrachtet werden. Mit anderen Worten, die Phasenablösung kann ein automatisches Nebenprodukt dieses Steuerschemas sein.
  • Diese automatische Phasenablösung kann auch ermöglichen, dass Teile der Phase abgeschaltet werden, während die Phase abgelöst wird. Zum Beispiel kann ein Vorspannungsstrom zur Phase herunter- oder abgeschaltet werden, um den Stromverbrauch und die Wärme zu reduzieren.
  • In einigen Ausführungsformen sind einige der Merkmale der Leistungsliefersteuerschaltung 100:
    • Zeitbasierte Regelkreisarchitektur. Jedes Mal, wenn eine Phase „gezündet“ oder „getriggert“ wird, liefert sie eine „Ladungsmenge“ an den Ausgang.
  • Der Regelkreis bestimmt „Tc“, die Zeit zwischen aufeinanderfolgenden Phasentriggern. Je kleiner „Tc“, desto schneller wird die nächste Phase gefeuert. Mit anderen Worten, „Tc“ bestimmt die Rate, mit der „Mengen“ an Ladung an den Ausgang geliefert werden.
  • Eine Steuer-Zeitgeber-Schaltung kann konfiguriert werden, um die Ausgangsspannung und die befohlene/gewünschte Spannung (DAC-Spannung) zu überwachen, um die genaue erforderliche „Tc“ zu berechnen.
  • Die Steuerzeitgeberschaltung kann digital, analog oder eine Kombination davon sein.
  • Die Leistungsliefersteuerschaltung kann digitale Technologie, analoge Technologie oder eine Kombination von digitalen und analogen Technologien verwenden. Genauer gesagt können in einigen Ausführungsformen Signale, wie beispielsweise, aber nicht beschränkt auf, die Fehlerspannung und die Ausgangsspannung analoge Signale oder digitalisierte Signale sein. Der Zeitgeber kann ein digitaler programmierter Zeitgeber oder ein analoger Zeitgeber sein, der einen Kondensator lädt. Analoge Logikfunktionen können mit digitalen Daten oder analogen Komparatoren ausgeführt werden. Jede Kombination von Technologien kann verwendet werden und diese Offenbarung ist in keiner Weise auf eine bestimmte digitale oder analoge Technologie beschränkt, um eine bestimmte Funktion auszuführen.
  • 5 ist ein Wellenformdiagramm, das Wellenformen für Signale der in 3 veranschaulichten Leistungsliefersteuerschaltung 100 veranschaulicht. Unter Bezugnahme auf 5 werden nun Hochlast-Wellenformen für die in 3 gezeigte Leistungsversorgungsschaltung dargestellt. Wie in 5 gezeigt, liegen die Triggerimpulse von Phase 110, Phase 120 und Phase 130 viel näher beieinander, so dass eine viel höhere durchschnittliche Ladung oder Strom oder Energie an die Last übertragen wird als für den in 4 dargestellten Niedriglastfall. Genauer gesagt überlappt die Ladung oder der Strom oder die Energie, die von jeder Phase geliefert wird, zeitlich mit der Ladung oder dem Strom oder der Energie, die von jeder benachbarten Phase geliefert wird, wie durch die Lres-Stromwellenform gezeigt.
  • 6 ist ein Diagramm, das eine beispielhafte Ausführungsform der Abhängigkeit von Tc und Verr vom Laststrom darstellt. In alternativen Ausführungsformen weist die Abhängigkeit von Tc und Verr vom Laststrom Charakteristiken auf, die in 6 nicht dargestellt sind. Beispielsweise ist in einigen Ausführungsformen die Tc- und/oder Verr-Abhängigkeit vom Laststrom nicht linear. Wie in 6 gezeigt, nimmt mit steigendem Laststrom Verr zu und Tc ab. Außerdem treten, wie in 5 dargestellt, mit steigendem Laststrom CLK-Impulse häufiger auf. Bei ausreichend hohen Laststrombedingungen überlappen sich die Ausgänge der Phasen, um einen erhöhten Ausgangsstrom bereitzustellen, und können nahtlos in den kontinuierlichen Leitungsmodus (CCM) übergehen, um noch höheren Strom zu liefern. In einigen Ausführungsformen kann eine CCM-Schaltung, wie diejenigen, die in der US-Patentanmeldung Nr. 15/640,335 , eingereicht am 30. Juni 2017, offenbart sind, die hierin durch Bezugnahme vollständig für alle Zwecke aufgenommen ist, mit der Leistungsliefersteuerschaltung 100 verwendet werden.
  • 7A ist eine schematische Darstellung eines Leistungsliefermotors 500. In dieser Ausführungsform umfasst der Leistungsliefermotor 500 eine Leistungsreglerschaltung. Unter Bezugnahme auf 7A wird nun ein nicht einschränkendes beispielhaftes Schema eines Leistungsliefermotors 500 gezeigt, der für jede Phase der in 3 veranschaulichten Leistungsliefersteuerschaltung 100 verwendet werden kann. In diesem Beispiel beinhaltet der Leistungsliefermotor 500 eine Vielzahl von sequentiell gekoppelten Leistungsschaltern M1, M2, M3 und M4.
  • 7B veranschaulicht ein Beispiel der Wellenformen für den in 7A veranschaulichten Leistungsliefermotor 500. Diese Schaltungen und andere werden ausführlicher im US-Patent Nr. 9.300.210 beschrieben, das am 29. März 2016 erteilt wurde und das hierin in seiner Gesamtheit für alle Zwecke durch Bezugnahme aufgenommen ist.
  • Die Spur 805 stellt eine an den ersten Festkörperschalter 130 angelegte Steuerspannung dar. In der bestimmten dargestellten Ausführungsform werden Schalter eingeschaltet, wenn ungefähr 1 Volt angelegt wird. Zum Zeitpunkt t1 liegt die Spur 805 auf ungefähr 0 Volt, daher ist der erste Halbleiterschalter 130 ausgeschaltet. Die Spur 810 veranschaulicht eine an den zweiten Halbleiterschalter 140 angelegte Steueranschlussspannung. Zum Zeitpunkt t1 liegt die Spur 810 auf ungefähr 1 Volt, daher ist der zweite Halbleiterschalter eingeschaltet. Spur 815 veranschaulicht eine an den dritten Halbleiterschalter 150 angelegte Steueranschlussspannung. Zum Zeitpunkt t1 geht die Spur 815 auf ungefähr 1 Volt über, somit geht der dritte Festkörperschalter 150 von Aus auf Ein über. Die Spur 820 stellt eine an den vierten Festkörperschalter 160 angelegte Steueranschlussspannung dar. Zum Zeitpunkt t1 liegt die Spur 820 auf ungefähr 0 Volt, somit ist der vierte Festkörperschalter ausgeschaltet.
  • Die Spur 825 veranschaulicht eine Spannung an der zweiten Verbindung 145. Zum Zeitpunkt t1 wird der Kondensator 170 kurzgeschlossen. Die Spur 830 stellt den Strom durch die Induktivität 173 dar. Zum Zeitpunkt t1 ist die Induktivität 173 vom Rest der geschalteten Regelschaltung 125 entkoppelt, so dass der Strom in der Induktivität 173 null ist. Die Spur 835 stellt eine Komparatorausgabe dar, die einem Nullstromzustand im Induktor 173 entspricht, wie unten ausführlicher erörtert wird. Die Spur 840 stellt die Spannung am Kondensator 170 dar. Zum Zeitpunkt t1 wird der Kondensator 170 kurzgeschlossen, wodurch die Spannung am Kondensator 173 abnimmt, wenn der Kondensator entladen wird.
  • Unter Bezugnahme auf 8 wird nun ein nicht einschränkendes beispielhaftes Schema eines Leistungsliefermotors 600 gezeigt, der in jeder Phase der in 3 veranschaulichten Schaltung 100 verwendet werden kann. In diesem Beispiel beinhaltet der Leistungsliefermotor 600 zwei gekoppelte Leistungsschalter 610 und 620, die in einer synchronen Abwärtswandlerkonfiguration angeordnet sind, wie im Stand der Technik bekannt ist. Andere Ausführungsformen können unterschiedliche Leistungsliefermaschinen aufweisen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf Vollbrücken-, Abwärts-, Aufwärts-, Abwärts-Boost- und andere Arten von Leistungssteuerschaltungen, die dem Fachmann bekannt sind.
  • Unter Bezugnahme auf 9 ist nun eine Übergangsleistungs-Boost-Schaltung 700 gezeigt, die anstelle der Steuerschaltung 150 in der in 3 veranschaulichten Leistungsliefersteuerschaltung 100 verwendet werden kann. In einigen Ausführungsformen kann die transiente Leistungssteigerungsschaltung 700 eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten:
    • Für ein schnelles Einschwingverhalten kann die Fehlerspannungserzeugung 710 mehrere Verbesserungsschemata beinhalten.
  • Ein solches Schema erhöht vorübergehend den GM eines Fehlerverstärkers in der Fehlerspannungserzeugung 710. Der Anstieg von GM hilft der Steuerspannung „Ve“ als Reaktion auf die am Eingang gesehene Fehlerspannung (Vout-Vdac) schnell hoch- oder herunterzufahren.
  • Ein anderes Schema verwendet ein Vorwärtskopplungssignal (le), das von dem Fehlerverstärker geliefert und an den Zeitgeber geliefert wird, so dass während eines Übergangs ein Fehlerstrom das Kompensationsnetzwerk 720 umgeht und die Ausgabe der Zeitgeberschaltung 730 schnell ändert (erhöht oder verringert die Frequenz der Phasenzündung).
  • Ein anderes Schema verwendet einen festen Versatz in der Zeitgeberschaltung 730. Beim Erfassen eines Übergangs kann der Versatz entweder sofort erhöht oder verringert werden, so dass die Frequenzänderung sofort erfolgt, was eine schnelle Reaktion ergibt. Ein anderes Schema verwendet mehrere Betriebsfrequenzbänder. Die Zeitgeberschaltung 730 ist konfiguriert, um einen Bereich von Ausgangsfrequenzen entsprechend dem Funktionsbereich der Steuerspannung (Ve) zu erzeugen. In einem Schema mit mehreren Frequenzbändern ist die Zeitgeberschaltung 730 programmierbar, um einen anderen Bereich von Ausgangsfrequenzen für jedes Frequenzband zu erzeugen. Dementsprechend wird bei Verwendung eines Mehrfrequenzbandschemas die von der Zeitgeberschaltung 730 erzeugte Frequenz basierend sowohl auf der Steuerspannung (Ve) als auch auf dem programmierten Frequenzband bestimmt. Die Steuerung der Ausgangsfrequenz wird durch eine Kombination aus der Reaktion auf die Fehlerspannung für die Feinsteuerung und der Frequenzbandauswahl für die Grobsteuerung erreicht.
  • Unter Übergangsbedingungen können Bänder nach oben oder unten gesprungen (Band-Hopping) werden, um schnell die gewünschte Betriebsfrequenz zu erreichen. Als Reaktion auf die Sättigung der Steuerspannung (Ve) kann die Zeitgeberschaltung 730 beispielsweise durch Ansteuern außerhalb ihres Funktionsbereichs durch eine Steuerung programmiert werden, um in einem geeigneten benachbarten höheren oder niedrigeren Frequenzband zu arbeiten. Alternativ oder zusätzlich kann die Zeitgeberschaltung 730 von einer Steuerung programmiert werden, um in Reaktion darauf, dass die Steuerspannung (Ve) mit einer Rate größer als ein Schwellenwert zu- oder abnimmt, in einem höheren oder niedrigeren Frequenzband zu arbeiten.
  • In einigen Ausführungsformen kann eine Sequenzierung vom Bump-Typ jeder Phase verwendet werden, wenn mehrere seriell gekoppelte Leistungsbauelemente verwendet werden, z.B. wie in der Anmeldung 15/640,335, eingereicht am 30. Juni 2017, und dem US-Patent Nr. 9,300,210 , erteilt am 29. März 2016, beschrieben, die hier in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • Die Sequenzierung des Bump-Typs kann eine oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:
    • Jede Phase kann zwei Arten von „Bumps“ oder Ladungsabgabesequenzen liefern, die als VDD-Bump und GND-Bump bezeichnet werden, einen VDD-Bump, der durch Strom verursacht wird, der von der VDD-Stromversorgung bezogen oder von der angeschlossenen Induktivität abgeleitet wird, und eine GND Stoß, der durch Strom verursacht wird, der von der angeschlossenen Induktivität stammt oder von der GND-Stromversorgung abgeleitet wird.
  • Die Phasen können diese beiden Höcker kollektiv streng in abwechselnder Reihenfolge liefern. VDD => GND => VDD => GND usw. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass jede der Phasen abwechselnde Bumps liefert (VDD => GND => VDD => GND usw.). In einigen Ausführungsformen kann eine alternative Bumpsequenz bevorzugt werden.
  • Beispielsweise kann ein VDD-Bump das Versorgungsnetz stärker erregen als ein GND-Bump. Daher können die Phasen in einem Mehrphasensystem zusammen mehr GND-Bumps als VDD-Bumps liefern.
  • In einigen Systemen kann eine Frequenz der VDD-Bumps und/oder der GND-Bumps durch Auswahl einer VDD/GND-Bump-Sequenz gesteuert werden.
  • In einigen Ausführungsformen können die Phasenzündungen sequenziert werden, um eine beliebige Bumpsequenz zu erreichen. Zum Beispiel kann ein 3-Phasen-System eine VDD=>VDD=>VDD=>GND=>GND=>GND-Sequenz liefern. Oder es kann auch VDD=>GND=>VDD=>GND=>VDD=>GND Sequenz liefern. Die verwendete Bump-Sequenz kann die Frequenz beeinflussen, mit der das Eingangsnetzwerk erregt wird.
  • Abhängig vom Eingangsimpedanznetzwerk kann eine optimale Wahl der Bump-Sequenz programmiert werden, um die optimalen Versorgungsrauscheigenschaften zu erreichen.
  • Die Schaltfrequenz der Stromversorgung kann von der Resonanzfrequenz des Eingangsnetzwerks (oder bei einer großen Eingangsimpedanz) ferngehalten werden.
  • Diese Funktion kann auch beim Einschwingverhalten helfen, zumindest weil die Strombelastung der Netzteile zeitlich verteilt wird. Als Ergebnis reichen die Bypass-Kapazität und die niedrige Strombus-Impedanz aus, um inakzeptable Stromversorgungstransienten zu verhindern. Daher bleibt die Spannungsdifferenz zwischen der positiven und der negativen Stromversorgung im Wesentlichen fest.
  • In einigen Ausführungsformen wird die Bump-Sequenz jeder der Phasen unter Verwendung von Verfahren gesteuert, die in der Anmeldung 15/640,335, eingereicht am 30. Juni 2017, und dem US-Patent Nr. 9,300,210 , erteilt am 29. März 2016, auf die oben Bezug genommen wurde, beschrieben sind. Um eine kollektive Stoßfolge zu koordinieren, die kollektiv von den mehreren Phasen erzeugt wird, empfängt oder bestimmt eine Steuerung eine kollektive Stoßfolge zum Ziel und bestimmt eine Stoßfolge für jede der Phasen. Die Steuerung stellt Signale für jede der einzelnen Phasen bereit, um zu bewirken, dass jede der einzelnen Phasen mit der dafür von der Steuerung bestimmten Stoßfolge arbeitet. Dementsprechend arbeitet jede der einzelnen Phasen mit der dafür bestimmten Stoßfolge, und die durch die mehreren Phasen erzeugte kollektive Stoßfolge entspricht der kollektiven Zielstoßfolge.
  • Nun bezugnehmend auf 10, eine Komparatormodus-Steuerschaltung 800 kann anstelle der Steuerschaltung 150 in der in 3 veranschaulichten Leistungsliefersteuerschaltung 100 verwendet werden. Die Komparatormodus-Steuerschaltung 800 kann die Ausgabe des Zeitgebers 810 mit der Ausgabe eines Komparators 820 kombinieren, so dass die Entscheidung, die nächste Phase auszulösen, die folgenden Bedingungen umfasst: 1) Ist der Zeitgeber abgelaufen? und 2) liegt die Ausgangsspannung unter einer Schwellenspannung? Beide Bedingungen müssen erfüllt sein, damit die nächste Phase ausgelöst wird. Diese Funktion kann besonders für Halbleiterprozesse nützlich sein, bei denen es schwierig ist, einen Zeitgeber mit einem breiten Zeitbereich herzustellen, sodass bei geringer Last auf den Komparator vertraut werden kann, so dass die nächste Phase nur ausgelöst wird, wenn die Ausgangsspannung unter eine Schwellenspannung fällt. In einigen Ausführungsformen kann die Komparatormodussteuerung eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
    • Die Komparatormodus-Steuerschaltung 800 kann zusätzlich zu einem oder mehreren anderen Steuerschemata verwendet werden. Beispielsweise können die Vergleichsmodus-Steuerschaltung 800 und die Steuerschaltung 150 beide verwendet werden. Welcher Regelkreis aktiv ist, soll beispielsweise anhand von Lastzuständen bestimmt werden. Beispielsweise kann die Steuerschaltung 800 für den Steuermodus des Komparators mehr verwendet werden, wenn die Last kleiner als ein Schwellenwert ist.
  • Bandspringen zusammen mit einem Komparator kann verwendet werden, um ein schnelles Einschwingverhalten bereitzustellen.
  • Die Komparatormodussteuerung ist auch während des Hochfahrens, der dynamischen Spannungsskalierung (DVS) nach oben und der DVS nach unten nützlich. Im Komparatormodus wird Überschwingen und Unterschwingen basierend auf dem Zustand des Komparatorausgangs minimiert.
  • In einigen Ausführungsformen ist der Komparator 820 hysteretisch.
  • In einigen Ausführungsformen kann eine Komparatorsteuerschaltung als Teil der Phasenstellerschaltung enthalten sein. Genauer gesagt kann eine Komparatorsteuerschaltung Vout und das Taktsignal verwenden, um dem Phaser nur zu erlauben, eine Phase auszuführen, wenn Vout unter einer vorbestimmten Spannung liegt und ein Taktsignal von der Spannungs-Zeit-Schaltung empfangen wird. Dieses Merkmal kann davor schützen, dass der Phaser Triggersignale an eine oder mehrere Phasen sendet, wenn Vout über der vorbestimmten Spannung liegt, aber aufgrund von Transienten oder Bandbreitenbeschränkungen der Steuerschaltung ein oder mehrere Taktsignale gesendet werden. Da Vout über der vorgegebenen Spannung liegt, werden keine Phasen ausgelöst.
  • In einigen Ausführungsformen kann jede logische Kombination von Vout und dem Zeitgeber-Ausgang als Eingang für den Phaser verwendet werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann die Komparatorsteuerschaltung über eine analoge Schaltung, eine digitale Schaltung oder eine Kombination davon implementiert werden. In einem Beispiel kann die Ausgangsspannung digitalisiert werden, der Zeitgeber kann digital sein und ein digitaler Prozessor kann verwendet werden, um eine logische Entscheidung zu treffen, ob ein Impuls an den Phasensteller gesendet werden soll oder nicht.
  • Unter Bezugnahme auf die 11 und 12 wird nun eine Ausführungsform einer Spannungs-Zeit-Schaltung 900 veranschaulicht. Die Spannungs-Zeit-Schaltung 900 kann mit der in 3 gezeigten Leistungsliefersteuerschaltung verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Spannungs-Zeit-Schaltung 900 eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
    • Die Auslösespannung kann dynamisch geändert werden, um während eines Transienten eine schnellere Reaktion zu erzielen. Zum Beispiel kann die Auslösespannung während eines Ladeübergangs verringert werden.
  • Für einen DVS-Aufwärtsübergang kann die Auslösespannung verringert werden, während für einen DVS-Abwärtsübergang die Auslösespannung erhöht werden kann.
  • Die Kapazität des Kondensators C kann geändert werden, um die Taktausgangsfrequenz zu erhöhen oder zu verringern.
  • 13 und 14 veranschaulichen eine Ausführungsform einer Spannungs-Zeit-Schaltung. Unter Bezugnahme auf die 13 und 14 wird nun eine Ausführungsform einer Spannungs-Zeit-Schaltung 1100 veranschaulicht. Die Spannungs-Zeit-Schaltung 1100 kann mit der in 3 gezeigten Stromversorgungsschaltung verwendet werden. In einigen Ausführungsformen kann die Spannungs-Zeit-Schaltung eines oder mehrere der folgenden Merkmale aufweisen:
    • Der Zeitgeberstrom kann programmierbar sein, um den Taktfrequenzbereich zu steuern. Der Zeitgeberstrom kann dynamisch geändert werden, um das Einschwingverhalten zu verbessern, zum Beispiel kann der Zeitgeberstrom während des Ladeübergangs erhöht werden, um eine schnellere Taktfrequenz zu erzeugen.
  • Während DVS up kann der Zeitgeberstrom erhöht werden.
  • Die Kapazität des Kondensators C kann geändert werden, um die Taktausgangsfrequenz zu erhöhen oder zu verringern.
  • 15 und 16 veranschaulichen eine Ausführungsform der Induktorkurzschlussschaltung Lshort. In dieser Ausführungsform ist die Induktivitätskurzschlussschaltung Lshort ein Schalter. Unter Bezugnahme auf die 15 und 16 kann in einigen Ausführungsformen ein Induktorkurzschluss verwendet werden, um die Linearität des in 3 gezeigten Stromlieferschaltkreises zu verbessern. Der Induktorkurzschluss kann eines oder mehrere der folgenden Merkmale umfassen:
    • Während des Betriebs im diskontinuierlichen Strommodus (DCM) präsentiert die Phasenschaltung von 15 dem Schaltknoten Vx eine hohe Impedanz. Als Ergebnis werden die Spannung am Schaltknoten Vx und der Strom durch den Induktorring basierend auf den Kapazitäten, Widerständen und Induktivitäten der Schaltung gemäß den dem Fachmann verständlichen Prinzipien. Das Klingeln kann in manchen Ausführungsformen unerwünscht sein, da es den Startstrom in der Induktivität zu Beginn des nächsten Zyklus, wenn der Schaltknoten Vx wieder von der Phase angesteuert wird, in einem ungesteuerten Zustand belässt. Der unkontrollierte Zustand wird zumindest teilweise durch vorherige Daten beeinflusst, so dass der unkontrollierte Zustand eine Nichtlinearität verursacht.
  • Eine Induktorkurzschlussschaltung Lshort kann verwendet werden, so dass, während der Induktor nicht durch die Phase angesteuert wird, der Schaltknoten Vx und der Ausgang Vout kurzgeschlossen werden.
  • Der Kurzschluss bewirkt, dass der Induktorstrom gleich oder im Wesentlichen gleich Null ist. Dies ermöglicht, dass der nächste Zyklus dieser Phase, wenn der Schaltknoten Vx wieder von der Phase angesteuert wird, mit einem gesteuerten und/oder konsistenten Null- oder im Wesentlichen Null- oder nahezu Null-Strom beginnt, anstatt im ungesteuerten Zustand zu starten, der entweder ein positiver oder ein negativer Strom sein kann. Um den Induktor kurzzuschließen, wird der Induktorkurzschlusskreis Lshort leitend, während sich die damit verbundene Phase in einem hochohmigen Zustand befindet (wie beispielsweise bei mehreren parallel gekoppelten FETS- und Buck-Architekturen üblich). Die Induktorkurzschlussschaltung Lshort kann für eine kleine vorbestimmte Zeitdauer eingeschaltet bleiben oder kann eingeschaltet bleiben, bis die Phase erneut gezündet wird.
  • Die Induktorkurzschlussschaltung Lshort schließt den Ausgangsinduktor kurz und stellt einen Pfad mit niedriger Impedanz zum Laden der parasitären Kapazität am Schaltknoten Vx auf die Spannung am Knoten Vout bereit.
  • Da Lout und Cout einen LC-Oszillator bilden, kann der parasitäre Knoten ohne die Induktorkurzschlussschaltung Lshort unerwünscht klingeln.
  • In einer anderen Ausführungsform kann der Induktor-Kurzschlussschaltkreis Lshort den Schaltknoten Vx mit einer anderen Spannungsquelle (z.B. Versorgung) für eine kurze Zeit elektrisch kurzschließen, um den Schaltknoten Vx auf die Versorgungsspannung aufzuladen, wonach der Induktor-Kurzschlussschaltkreis Lshort geöffnet werden. Durch Aufladen des Schaltknotens Vx auf die Versorgungsspannung kann das Klingeln stark reduziert und/oder kontrolliert werden, so dass der nächste Zyklus der Phase, wenn der Schaltknoten Vx wieder von der Phase angesteuert wird, mit einem konstanten Strom beginnt, anstatt im ungesteuerten Zustand zu starten.
  • Unter Bezugnahme auf 9 ist nun eine Übergangsleistungs-Boost-Schaltung 700 gezeigt, die anstelle der Steuerschaltung 150 in der in 1 veranschaulichten Leistungsliefersteuerschaltung 100 verwendet werden kann. In einigen Ausführungsformen kann die transiente Leistungssteigerungsschaltung 700 eines oder mehrere der folgenden Merkmale beinhalten:
    • 17 ist eine schematische Darstellung einer Steuerzeitgeberschaltung 1500. Nun Bezug nehmend auf 17 ist ein Steuerzeitgeber 1500 gezeigt, der anstelle der Steuerschaltung 150 in der in 3 veranschaulichten Leistungsliefersteuerschaltung 100 verwendet werden kann. In dieser Ausführungsform ist ein Kompensationsnetzwerk 1520 zwischen dem Fehlerverstärker 1510 und der Spannungs-Zeit-Schaltung 1530 gekoppelt. In verschiedenen Ausführungsformen wird das Kompensationsnetzwerk 1520 verwendet, um die Stabilität des Verr-Signals zu verbessern, um die Rückkopplungsschleife stabiler und zuverlässiger zu machen. In einer beispielhaften Ausführungsform kann das Kompensationsnetzwerk 1520 einen Kondensator gegen Masse umfassen, wie gezeigt. In weiteren Ausführungsformen, die in den 18, 19 und 20 dargestellt sind, kann das Kompensationsnetzwerk eine Kompensationsschaltung vom Typ 3, Typ 2 bzw. Typ 1 umfassen, wie dem Fachmann bekannt ist. Andere Kompensationsnetzwerke können ebenfalls verwendet werden, und diese Offenbarung ist in keiner Weise auf die offenbarten beispielhaften Kompensationsnetzwerke beschränkt. Zum Beispiel, wie in 17 dargestellt, verwendet ein anderes Schema ein Vorwärtskopplungssignal (le) vom Fehlerverstärker 1510 zum Zeitgeber 1530, so dass während eines Übergangs ein Fehlerstrom das Kompensationsnetzwerk umgeht und die Zeitgeberausgabe schnell ändert (z.B. die Frequenz der Phasenzündung erhöht oder verringert).
  • In einigen Ausführungsformen können ein oder mehrere Telemetriemerkmale für die in 3 veranschaulichte Leistungsliefersteuerschaltung 100 implementiert werden. Beispielsweise kann die Telemetrieschaltung in einer Ausführungsform konfiguriert sein, um digitale oder analoge Daten von der Stromliefer- und Steuerschaltung aufzuzeichnen, die der Stromausgabe, der Spannungsausgabe oder anderen Eigenschaften der Stromliefer- und Steuerschaltung entsprechen. In einigen Ausführungsformen kann die Leistungsliefer- und Steuerschaltung 100 in Verbindung mit einer integrierten Schaltung verwendet werden, die einen Prozessor beinhaltet, wobei dem Prozessor befohlen werden kann, die Telemetriedaten aufzuzeichnen und die Telemetriedaten in einem zugeordneten Speicher zu speichern. In verschiedenen Ausführungsformen können die Telemetriedaten nur auf Befehl aufgezeichnet werden, oder in anderen Ausführungsformen können sie kontinuierlich aufgezeichnet werden, beispielsweise wenn sie in Verbindung mit einem FIFO-Speicher verwendet werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann die Telemetrieschaltung Daten erfassen, die mit der Stromausgabe der Leistungsliefer- und Steuerschaltung 100 verbunden sind, indem sie Daten aufzeichnen, die das vom Fehlerverstärker 152 erzeugte Verr-Signal darstellen, da das Verr-Signal mit dem Ausgangsstrom korreliert werden kann. In anderen Ausführungsformen kann die Telemetrieschaltung Daten erfassen, die der Frequenz der Taktimpulse entsprechen, die von der Spannung-Zeit-(Tc)-Schaltung 154 gesendet werden, die auch mit dem Ausgangsstrom korreliert werden können. Die Genauigkeit der Telemetriedaten und wie genau sie mit dem tatsächlich von der Leistungsversorgungs- und Steuerschaltung gelieferten Strom korreliert sind, kann davon beeinflusst werden, wie gut gesteuert und/oder bekannt die Eigenschaften der Komponenten der Leistungsversorgungs- und Steuerschaltung sind. Zum Beispiel können die spezifischen Werte der Kondensatoren, Induktivitäten und Widerstände die Genauigkeit der Daten beeinflussen. Um die Genauigkeit zu verbessern, kann die Toleranz solcher Komponenten entweder stark kontrolliert und/oder die Komponenten charakterisiert und das System getrimmt werden, um die Eigenschaften zu kompensieren, wodurch die Genauigkeit verbessert wird.
  • Der Einfachheit halber sind verschiedene periphere elektrische Komponenten in den Figuren nicht gezeigt.
  • REGLER MIT DAUERSTROM
  • In einigen Ausführungsformen kann die Leistungsliefersteuerschaltung 100 (siehe 3) konfiguriert sein, um der Last einen kontinuierlichen Strom und/oder eine Stromerhöhung durch kontinuierliches Halten des Stroms in der Induktivität von mindestens einer der Phasen 110, 120, 130 über Null, wie unten ausführlicher beschrieben, bereitzustellen.
  • Unter gleichzeitiger Bezugnahme auf 7A und 19 bis 26 wird nun eine beispielhafte Schaltsequenz und ein beispielhaftes Zeitdiagramm für eine Ausführungsform der geschalteten Regelschaltung 125 (siehe 7A) mit kontinuierlichem und/oder erhöhtem Strom veranschaulicht. Insbesondere veranschaulicht 7A ein vereinfachtes Schema der geschalteten Regelschaltung 125; 21 veranschaulicht eine beispielhafte Schaltsequenz 1900 mit aufeinanderfolgenden Schritten 1905 bis 1940 für die vier Schalter in der geschalteten Regelschaltung 125; 22 veranschaulicht ein beispielhaftes Zeitdiagramm, das die an jeden der vier Festkörperschalter gelieferten Steuersignale sowie den Strom innerhalb der Induktivität 173 (IL) und die Spannung am zweiten Knoten 145 (V145) während der Schaltsequenz 1900 zeigt;
    und 23-28 veranschaulichen vereinfachte Schaltpläne jeder der sechs verschiedenen Halbleiterschalterkonfigurationen, die in der Schaltsequenz 1900 beschrieben sind. In den 23-28 sind Halbleiterschalter im eingeschalteten Zustand mit durchgezogenen Linien und Halbleiterschalter im ausgeschalteten Zustand mit gestrichelten Linien dargestellt. Die in den 21 dargestellte Schaltfolge ist nur beispielhaft, und andere Schaltsequenzen, Timings und Konfigurationen liegen im Umfang dieser Offenbarung.
  • Nun bezugnehmend auf 21, eine Schaltsequenz 1900 mit aufeinanderfolgenden Schritten 1905 bis 1940 ist dargestellt. In Schritt 1905 werden der erste, der zweite und der dritte Halbleiterschalter M1, M2 bzw. M3 in einen Ein-Zustand gesteuert, und der vierte Halbleiterschalter M4 wird in einen Aus-Zustand gesteuert. Ein vereinfachtes Schema der geschalteten Regelschaltung 125 in Schritt 1905 ist in 23 dargestellt.
  • Schritt 1905 ist ein erster Induktor-Vorflusszustand, in dem der Strom in dem Induktor 173 (siehe 7A) durch das Anlegen der Eingangsspannung am ersten Anschluss 120 (Vin) über den Induktor mit einer im Wesentlichen linearen Rate erhöht wird, zu einem Zeitpunkt, bevor der Kondensator 170 geladen wird.
  • Beispielströme und Spannungen innerhalb der geschalteten Regelschaltung 125 für Schritt 1905 sind im Zeitdiagramm 2000 (siehe 22) dargestellt. Die Logikpegel für die Steuersignale M1, M2, M3, M4 des Halbleiterschalters sind durch die Spuren 2005, 2010, 2015 bzw. 2020 angegeben. Ein hoher Logikpegel (manchmal als 1 bezeichnet) zeigt an, dass sich der Schalter (oder zusammengesetzter Schalter) in einem Ein-Zustand befindet, und ein niedriger Logikpegel (manchmal als 0 bezeichnet) zeigt an, dass sich der Schalter in einem Aus-Zustand befindet.
  • Das Zeitdiagramm 2000 veranschaulicht, dass der erste Schritt 1905 zum Zeitpunkt t1 auftritt. Zum Zeitpunkt t1 zeigt die Ablaufverfolgung 2005, dass ein Steuersignal mit hohem Logikpegel an den ersten Halbleiterschalter 130 angelegt wird, wodurch dieser in einen eingeschalteten Zustand versetzt wird. Die Spur 2010 veranschaulicht, dass zum Zeitpunkt t1 ein Steuersignal mit hohem Logikpegel an den zweiten Halbleiterschalter 140 angelegt wird, wodurch dieser in einen eingeschalteten Zustand versetzt wird. Spur 2015 veranschaulicht, dass zum Zeitpunkt t1 ein Steuersignal mit hohem Logikpegel an den dritten Halbleiterschalter 150 angelegt wird, wodurch dieser in einen eingeschalteten Zustand versetzt wird. Die Spur 2020 veranschaulicht, dass zum Zeitpunkt t1 ein Steuersignal mit niedrigem Logikpegel an den vierten Halbleiterschalter 160 angelegt wird, wodurch dieser in einen Aus-Zustand versetzt wird.
  • Unter weiterer Bezugnahme auf das Zeitdiagramm 2000 wird bei t1 eine Spannung am zweiten Knoten 145 (siehe 7A) durch die Spur 2025 veranschaulicht und ist im Wesentlichen äquivalent zu der Spannung Vin (abzüglich eines relativ kleinen Spannungsabfalls über M 1 und M2) am ersten Knoten 120.
  • Der Strom im Induktor 170 (IL-Spur 2030) steigt entsprechend der angelegten Spannung und den Eigenschaften des Induktors 173 schnell an. Bei einigen Ausführungsformen kann sich die Spannung am Knoten 176 (siehe 7A) im Vergleich zu der Spannung über dem Induktor um einen relativ kleinen Betrag ändern, und somit kann der Strom im Wesentlichen linear mit einer Rate ansteigen, die durch (Vin - Vout)/L angenähert ist, wobei Vout die Spannung am Knoten 176 ist. Der Strom im Induktor 173 nimmt in diesem Schaltzustand weiter zu, dessen Dauer durch einen Zeitgeber gesteuert werden kann, der in Schritt 1910 als Verzögerung gezeigt wird.
  • In einigen Ausführungsformen kann der Zeitgeber in Schritt 1910 fest sein, während er in anderen Ausführungsformen ein variabler Zeitgeber sein kann. In einem Beispiel kann der variable Zeitgeber eine Nachschlagetabelle verwenden, um sich gemäß unterschiedlicher Lastbedingungen und Anforderungen an die geschaltete Regelschaltung 125 anzupassen. Genauer gesagt kann der Zeitgeber in einigen Ausführungsformen proportional zu einem „Tastverhältnis“ (z. B. Vout/Vin) eingestellt werden, so dass eine längere Zeitdauer ausgewählt wird, wenn ein höherer Vout erforderlich ist. In weiteren Ausführungsformen kann der Zeitgeber in Schritt 1910 durch eine Rückkopplungsschleife basierend auf einer oder mehreren Eigenschaften der geschalteten Regelschaltung 125 gesteuert werden. In einigen Ausführungsformen kann der Zeitgeber durch die Rückkopplungsschleife angepasst werden, um die Induktivität 173 mit einer geeigneten Strommenge zu erregen, so dass der Induktorstrom mit einem vorbestimmten Strom resoniert, wenn der erste Resonanzzustand aktiviert ist (besprochen im nächsten Schritt 1915). In weiteren Ausführungsformen kann der Zeitgeber einen Komparator verwenden, der den Strom in der Induktivität mit einem programmierbaren Stromschwellenwert vergleicht.
  • In anderen Ausführungsformen kann der Zeitgeber unter Verwendung eines Stroms auf einem Kondensator hergestellt werden, wobei der Strom zu Beginn des Vorflusszyklus zu laden beginnt und mit einer vorbestimmten Spannung verglichen werden kann. Wenn die Spannung am Kondensator eine bestimmte Spannung erreicht, zeigt der Zeitgeber an, dass der Vorflusszyklus enden soll. In anderen Ausführungsformen kann die Zeitgeberfunktion unter Verwendung von Logikgattern ausgeführt werden.
  • In einigen Ausführungsformen kann anstelle eines Zeitgebers zum Einstellen des Vorflussbetrags der Strom in der Induktivität während des Vorflusses überwacht werden (z.B. Schritt 1905) und der Vorflusszyklus kann so eingestellt werden, dass er endet, wenn der Strom ein bestimmtes Niveau erreicht. Dieser spezifizierte Strompegel kann von Zyklus zu Zyklus angepasst werden, um die Leistung zu optimieren. Andere Zeitgebertechniken und Zeitgeberarchitekturen können verwendet werden und liegen im Umfang dieser Offenbarung.
  • Nun bezugnehmend auf 21, nach der Verzögerung in Schritt 1910 geht die Steuerung zu Schritt 1915, wo der erste und der dritte Halbleiterschalter M 1 und M3 eingeschaltet bleiben, während der zweite Halbleiterschalter M2 ausgeschaltet ist und der vierte Halbleiterschalter M4 ausgeschaltet bleibt. Somit sind der erste und der dritte Festkörperschalter M1, M3 jeweils eingeschaltet, während der zweite und der vierte Festkörperschalter M2 bzw. M4 ausgeschaltet sind. Ein vereinfachtes Schema der geschalteten Regelschaltung 125 in Schritt 1915 ist in 24 dargestellt. Dieser Zustand koppelt den Kondensator 170 in Reihe mit der Induktivität 173 und die Spannung am ersten Anschluss 120 (Vin) wird direkt an den zweiten Anschluss 145 angelegt. Der Kondensator 170 beginnt nun zu laden. Der Kondensator 170 lädt mit einer Zeitkonstante, die durch die Werte des Kondensators 170 und des Induktors 173 eingestellt wird. Wenn der Kondensator 170 zu laden beginnt, nimmt der Stromfluss in der Induktivität 173 weiter zu, da die Spannung zwischen der zweiten Verbindung 145 und dem Ausgang positiv ist. Aufgrund des Vorfluss-Vorgangs in Schritt 1905 steigt der Strom, der bereits in der Induktivität 173 floss, weiter an, wie unten ausführlicher erörtert wird.
  • Schritt 1915 ist im Zeitdiagramm 2000 (siehe 22) zum Zeitpunkt t2 dargestellt. Nun gleichzeitig auf 7A und 20 Bezug nehmend, schaltet sich zum Zeitpunkt t2 der zweite Halbleiterschalter 140 (d.h. Spur 2010) aus. Die Spannung am zweiten Knoten 145 (d.h. Spur 2025) beginnt abzunehmen. Der Strom im Induktor 173 (Spur 2030) baut sich weiter auf, während sich der Kondensator 170 auflädt. Die Spannung im Kondensator 170 steigt in Richtung Vin an. Wenn der Kondensator 170 geladen wird, erreicht der Strom im Induktor 173 (Spur 2030) Spitzenwerte, beginnt dann abzunehmen, wenn die Spannung am Knoten 145 gleich der Spannung am Knoten 176 ist, und nimmt zum Zeitpunkt t3 weiter ab. Somit lädt sich in Schritt 1915 der Kondensator 170 auf, was bewirkt, dass ein Strom in der Induktivität 173 fließt und die Spannung am Ausgangsknoten 176 (Vout) erhöht wird. Wenn der Kondensator 170 vollständig auf die Spannung bei (Vin) 120 aufgeladen ist, geht die Steuerung zu Schritt 1920 (siehe 21), bei dem es sich um eine erste „Weichebrems“-Konfiguration (Soft Brake Configuration) handelt, die verwendet werden kann, um den in dem Induktor 173 verbleibenden Strom umzuwandeln. Weiches Bremsen kann einen höheren Strom pro Phase und/oder einen kleineren Kondensator 170 pro Phase im Vergleich zu den oben erörterten und unten ausführlicher erläuterten Methoden ermöglichen.
  • In der ersten Weichbremskonfiguration (Schritt 1920) sind der erste, dritte und vierte Halbleiterschalter M1, M3 bzw. M4 eingeschaltet, während der zweite Halbleiterschalter M2 ausgeschaltet ist. Ein vereinfachtes Schema der geschalteten Regelschaltung 125 in Schritt 1920 ist in 25 dargestellt. In diesem Zustand ist die Induktivität 173 über den Kondensator 170 mit Vin (Knoten 120) und über den dritten und vierten Halbleiterschalter M3 bzw. M4 mit Masse 165 verbunden, wodurch der Reststrom in der Induktivität ermöglicht wird, um weiter bis auf einen von Null verschiedenen Mindeststrom (Imin) abzunehmen.
  • Schritt 1920 ist im Zeitdiagramm 2000 (siehe 22) zum Zeitpunkt t3 dargestellt. Nun gleichzeitig auf die 7 A und 20 Bezug nehmend, zum Zeitpunkt t3 schaltet sich der vierte Halbleiterschalter 160 (d.h. Spur 2020) ein und fügt einen Pfad zwischen der Induktivität 173 und Masse 165 hinzu. Die Spannung an der zweiten Verbindung 145 (d.h. Spur 2025) bleibt auf dem Massepotential und der Strom in dem Induktor 173 (Spur 2030) nimmt weiter ab, wenn der Induktor seine gespeicherte Energie abgibt. Der Strom im Induktor 173 nimmt weiter auf einen vorbestimmten minimalen Strom (Imin) ab, der in dieser speziellen Ausführungsform von Null verschieden ist. In einigen Ausführungsformen kann der minimale Strom (Imin) zwischen 10 Milliampere und 50 Ampere liegen, während er in anderen Ausführungsformen zwischen 100 Milliampere und 1 Ampere liegen kann und in einer anderen Ausführungsform zwischen 200 Milliampere und 400 Milliampere liegen kann. Die Steuerung geht dann zu Schritt 1925 (siehe 21), das ist ein zweiter Vorflusszustand, der verwendet werden kann, um den durch die Induktivität 173 fließenden Strom zu erhöhen.
  • Unter Bezugnahme auf 21 bleiben in Schritt 1925 die ersten vierten Halbleiterschalter M1 und M4 eingeschaltet, der zweite Halbleiterschalter M2 schaltet ein und der dritte Halbleiterschalter M3 bleibt ausgeschaltet. Ein vereinfachtes Schema der geschalteten Regelschaltung 125 in Schritt 1925 ist in 26 dargestellt. Dies ist die zweite Induktor-Vorflussstufe, in der der Strom im Induktor 173 mit einer im Wesentlichen linearen Rate durch Anlegen einer Spannung am ersten Ausgangsanschluss 120 (Vin) an den Induktor erhöht wird. In diesem Zustand wird die Spannung am ersten Anschluss 120 (Vin) direkt an die Induktivität 173 angelegt.
  • Unter Bezugnahme auf das Zeitdiagramm 2000 wird der zweite Vorflusszustand (Schritt 1925) bei t4 gezeigt. Die Spannung am zweiten Knoten 145 steigt schnell auf die Spannung Vin am ersten Knoten 120 an, die durch die Spur 2025 gezeigt wird. Der Strom im Induktor 170 (Spur 2030) steigt schnell an, entsprechend der angelegten Spannung und den Eigenschaften des Induktors 173. In einigen Ausführungsformen kann die Stromanstiegsrate im Wesentlichen ähnlich der Stromanstiegsrate in der Zeit zwischen t1 und t2 sein. Der Strom im Induktor 173 steigt weiter an, bis der Schaltzustand geändert wird, was in einer Ausführungsform durch eine in Schritt 1930 gezeigte Verzögerung gesteuert werden kann, die durch einen Zeitgeber gesteuert werden kann, wie oben erörtert ist.
  • Unter Bezugnahme auf 21 bleibt in Schritt 1935 der vierte Halbleiterschalter M4 eingeschaltet und der zweite Halbleiterschalter M2 wird eingeschaltet, während der erste und der dritte Halbleiterschalter M1, M3 jeweils ausgeschaltet bleiben. Ein vereinfachtes Schema der geschalteten Regelschaltung 125 in Schritt 1935 ist in 27 dargestellt. Der Kondensator 170 ist zwischen die Induktivität 173 und Masse 165 geschaltet, wodurch die im Kondensator gespeicherte Ladung durch die Induktivität zur Last 115 (siehe 1) entladen werden kann. Wenn sich der Kondensator 170 zu entladen beginnt (mit einer Zeitkonstante, die durch den Kondensator 170 und den Induktor 173 eingestellt wird), steigt der Strom im Induktor 173 an. Dieser Zustand ist im Zeitdiagramm 2000 in 22 zum Zeitpunkt t5 dargestellt, das die Spannung am zweiten Knoten 145 (d.h. Spur 2025) bei einer Spannung zeigt, die nahe der Spannung bei Vin (120) liegt, da dies mit dem vollständig geladenen Kondensator 170 verbunden ist. Wenn der Kondensator 170 mit dem Induktor 173 in Resonanz ist, entlädt er sich, wodurch der Strom in dem Induktor 173 (d.h. Spur 2030) ansteigt. Der Stromanstieg bewirkt, dass die Spannung an Vout (Knoten 176) ansteigt. Wenn die im Kondensator 170 gespeicherte Ladung reduziert wird, erreicht der Strom in der Induktivität 173 seinen Spitzenwert (Ipeak) und beginnt dann abzunehmen (Spur 2030).
  • Die Steuerung geht dann zu Schritt 1940 (siehe 21), der eine zweite „weiche Bremsung“-Konfiguration ist, die verwendet werden kann, um den verbleibenden Strom in der Induktivität 173 umzuwandeln. Weiches Bremsen kann einen höheren Strom pro Phase und/oder einen kleineren Kondensator 170 pro Phase ermöglichen, wie oben erörtert ist.
  • Genauer gesagt sind in Schritt 1940 der zweite, dritte und vierte Halbleiterschalter M2, M3 bzw. M4 eingeschaltet, während der erste Halbleiterschalter M1 ausgeschaltet ist. Ein vereinfachtes Schema der geschalteten Regelschaltung 125 in Schritt 1935 ist in 28 dargestellt. In diesem Zustand ist der Induktor 173 über dritte und vierte Festkörperschalter M3 bzw. M4 mit Masse 165 verbunden, wodurch der Reststrom in dem Induktor bis auf einen von Null verschiedenen Mindeststrom (Imin) weiter absinken kann.
  • Schritt 1940 ist im Zeitdiagramm 2000 (siehe 22) zum Zeitpunkt t6 dargestellt. Nun gleichzeitig auf die 7A und 20 Bezug nehmend, schaltet sich zum Zeitpunkt t6 der dritte Halbleiterschalter 150 (d.h. Spur 2015) ein und fügt einen Pfad zwischen der Induktivität 173 und Masse 165 hinzu. Die Spannung an der zweiten Verbindung 145 (d.h. Spur 2025) bleibt auf dem Massepotential und der Strom in dem Induktor 173 (Spur 2030) nimmt weiter ab, wenn der Induktor seine gespeicherte Energie abgibt. Der Strom im Induktor 173 nimmt weiter auf einen vorbestimmten minimalen Strom (Imin) ab, der in dieser speziellen Ausführungsform von Null verschieden ist. Die Steuerung kehrt dann zu Schritt 1905 (siehe 21) zurück, der der erste Vorflusszustand ist, der verwendet werden kann, um den durch die Induktivität 173 fließenden Strom zu erhöhen.
  • Das Zeitdiagramm 2000 in 22 dient nur zur Veranschaulichung und ist ein Beispiel für die Funktion der Schaltung 125 (siehe 7A), die mit einem Induktorstrom ungleich Null arbeitet. Andere Schaltalgorithmen, Steuerfunktionen und Merkmale können implementiert werden, ohne von dieser Offenbarung abzuweichen. Um die Dauer eines der Schritte 1905-1940, die in 21 dargestellt sind, zu steuern, kann jede Art von Zeitgeber oder Steuerschaltung verwendet werden, einschließlich der hierin offenbarten. Beispielsweise kann in einigen Ausführungsformen ein Komparator verwendet werden, um die Ausgangsspannung (Vout) mit einer befohlenen Spannung zu vergleichen. Wenn die Ausgangsspannung zu niedrig ist, kann die Steuerung die Dauer des Weichbremsens verkürzen und den nächsten Preflux-Schritt vorzeitig starten, was zu einer höheren Ausgangsspannung und einem höheren durchschnittlichen Ausgangsstrom führt, der an die Last geliefert wird (siehe 7A). Dieser Steueralgorithmus kann auch eine relativ schnelle Reaktionszeit für Lasten mit hohen Anforderungen an transiente Spannungen bereitstellen. In weiteren Ausführungsformen kann eine mehrphasige Architektur verwendet werden, bei der mehrere geschaltete Regelkreise 125 (siehe 2) zusammen verwendet werden, um der Last 115 Leistung bereitzustellen.
  • In weiteren Ausführungsformen können alternative Schaltsequenzen 1900 verwendet werden, um zusätzliche Merkmale und Funktionen der geschalteten Regelschaltung 125 bereitzustellen (siehe 7A). Zum Beispiel können Wartezustände nach den ersten und zweiten Weichbremsschritten (Schritte 1920 bzw. 1940) hinzugefügt werden, um eine Leistung bei geringer Last bereitzustellen. Genauer gesagt, wenn die Last 115 (siehe 7A) eine reduzierte Strom- und/oder Spannungsmenge erfordert, kann nach der ersten Softbremse (Schritt 1920) ein Wartezustand befohlen werden, wobei erste und vierte Halbleiterschalter M1 bzw. M4 eingeschaltet sind und zweite und dritte Halbleiterschalter M2 und M3 ausgeschaltet sind. Dies stoppt im Wesentlichen den Stromfluss durch die Schaltung 125 zur Last 115 (siehe 7A), bis der nachfolgende Vorflussschritt 1925 befohlen wird. In ähnlicher Weise kann nach der zweiten sanften Bremsung (Schritt 1940) ein zweiter Wartezustand befohlen werden, in dem der zweite und der dritte Halbleiterschalter M2 bzw. M3 eingeschaltet sind und der erste und der vierte Halbleiterschalter M1 bzw. M4 ausgeschaltet sind. Dieser Zustand hält im Wesentlichen den Stromfluss durch die Schaltung 125 an, bis der nachfolgende Vorflussschritt 1905 befohlen wird.
  • In einigen Ausführungsformen kann eine Komparatorsteuerschaltung als Teil der Phasenstellerschaltung enthalten sein. Genauer gesagt kann eine Komparatorsteuerschaltung Vout und das Taktsignal verwenden, um dem Phaser nur zu erlauben, eine Phase auszuführen, wenn Vout unter einer vorbestimmten Spannung liegt und ein Taktsignal von der Spannungs-Zeit-Schaltung empfangen wird. Dieses Merkmal kann davor schützen, dass der Phaser Triggersignale an eine oder mehrere Phasen sendet, wenn Vout über der vorbestimmten Spannung liegt, aber aufgrund von Transienten oder Bandbreitenbeschränkungen der Steuerschaltung ein oder mehrere Taktsignale gesendet werden. Da Vout über der vorgegebenen Spannung liegt, werden keine Phasen ausgelöst.
  • In der vorstehenden Beschreibung wurden Ausführungsformen der Offenbarung unter Bezugnahme auf zahlreiche spezifische Details beschrieben, die von Implementierung zu Implementierung variieren können. Die Beschreibung und die Zeichnungen sind dementsprechend eher illustrativ als einschränkend zu betrachten. Der einzige und ausschließliche Indikator für den Umfang der Offenbarung und was von den Anmeldern als Umfang der Offenbarung beabsichtigt wird, ist der wörtliche und äquivalente Umfang des Anspruchssatzes, der sich aus dieser Anmeldung ergibt, in der spezifischen Form, in der dieser Anspruchsausgabe, einschließlich einer späteren Korrektur. Die spezifischen Details bestimmter Ausführungsformen können auf jede geeignete Weise kombiniert werden, ohne vom Geist und Umfang der Ausführungsformen der Offenbarung abzuweichen.
  • Darüber hinaus können räumlich relative Begriffe wie „unten oder „oben“ und dergleichen verwendet werden, um die Beziehung eines Elements und/oder Merkmals zu einem anderen Element(en) und/oder Merkmal(en) zu beschreiben, wie beispielsweise in den Figuren dargestellt sind. Es versteht sich, dass die räumlich relativen Begriffe zusätzlich zu der in den Figuren dargestellten Ausrichtung verschiedene Ausrichtungen der Vorrichtung im Gebrauch und/oder Betrieb umfassen sollen. Wenn beispielsweise die Vorrichtung in den Figuren umgedreht wird, können Elemente, die als „untere“ Oberfläche beschrieben sind, dann „über“ anderen Elementen oder Merkmalen ausgerichtet werden. Die Vorrichtung kann anders ausgerichtet sein (z.B. um 90 Grad gedreht oder in anderen Ausrichtungen) und die hier verwendeten räumlich relativen Deskriptoren entsprechend interpretiert werden.
  • Hierin werden verschiedene Details dargelegt, die sich auf bestimmte Ausführungsformen beziehen. Die Erfindung kann jedoch auch auf andere Weise als hier beschrieben implementiert werden. Von Fachleuten können Modifikationen an den diskutierten Ausführungsformen vorgenommen werden, ohne von der Erfindung abzuweichen. Daher ist die Erfindung nicht auf bestimmte hierin offenbarte Ausführungsformen beschränkt.
  • Obwohl die vorliegende Erfindung anhand spezifischer Ausführungsformen wie oben beschrieben offenbart wird, sollen diese Ausführungsformen die vorliegende Erfindung nicht einschränken. Basierend auf den hierin offenbarten Verfahren und den technischen Aspekten können Variationen und Änderungen an den präsentierten Ausführungsformen durch den Fachmann vorgenommen werden, ohne vom Geist und Umfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
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    • US 15640335 [0089]
    • US 9300210 [0091, 0100, 0109]

Claims (24)

  1. System umfassend: ein Substrat; einen ersten Chip auf dem Substrat, wobei eine Lastschaltung auf dem ersten Chip integriert ist; und einen zweiten Chip auf dem Substrat, wobei eine Leistungslieferschaltung dazu konfiguriert ist, Strom gemäß einer geregelten Spannung an einem Knoten an die Lastschaltung zu liefern, wobei die Leistungslieferschaltung Folgendes umfasst: eine erste Schaltung, die dazu konfiguriert ist, ein Fehlersignal zumindest teilweise basierend auf der geregelten Spannung zu erzeugen, und einen Spannungsgenerator, der Leistungsschalter umfasst, die dazu konfiguriert sind, die geregelte Spannung gemäß dem Fehlersignal zu modifizieren, wobei die erste Schaltung der Leistungslieferschaltung auf dem ersten Chip integriert ist, und wobei mindestens ein Teil der Leistungsschalter der Leistungslieferschaltung auf dem zweiten Chip integriert ist.
  2. System nach Anspruch 1, wobei das Fehlersignal eine Differenz zwischen der geregelten Spannung am Knoten und einer Referenzspannung darstellt.
  3. System nach Anspruch 1, wobei das Fehlersignal eine analoge Spannung ist.
  4. System nach Anspruch 1, wobei das Fehlersignal ein digitaler Wert ist.
  5. System nach Anspruch 1, wobei das Fehlersignal eine Differenz zwischen der geregelten Spannung am Knoten und einer mit einem weiteren Faktor multiplizierten Referenzspannung darstellt.
  6. System nach Anspruch 1, wobei die erste Schaltung einen Analog-Digital-Wandler umfasst, der konfiguriert ist, um das Fehlersignal zu erzeugen.
  7. System nach Anspruch 1, wobei die Leistungslieferschaltung einen Kondensator umfasst, der mit der Lastschaltung verbunden ist, wobei der Kondensator auf dem ersten Chip integriert ist.
  8. System nach Anspruch 1, wobei die Leistungslieferschaltung eine oder mehrere Induktivitäten umfasst, die mit der Lastschaltung verbunden sind, wobei die Induktivitäten auf dem Substrat getrennt von den ersten und zweiten Chips ausgebildet sind.
  9. System nach Anspruch 1, wobei alle Leistungsschalter der Leistungslieferschaltung auf dem zweiten Chip integriert sind.
  10. System nach Anspruch 1, das ferner einen Referenzspannungsgenerator umfasst, der konfiguriert ist, um eine Referenzspannung zu erzeugen. wobei das Fehlersignal eine Differenz zwischen der geregelten Spannung am Knoten und der Referenzspannung darstellt, und wobei die Referenzspannungsgeneratoren auf dem ersten Chip integriert sind.
  11. System nach Anspruch 1, wobei die Leistungslieferschaltung Folgendes umfasst: einen Kondensator, der mit der Lastschaltung verbunden ist; und eine oder mehrere Induktivitäten, die mit dem Lastkreis verbunden sind, wobei die Leistungsschalter, der Kondensator und der eine oder die mehreren Induktivitäten gemeinsam einen Spannungsregler bilden.
  12. System nach Anspruch 11, wobei der Spannungsregler mehrphasig ist.
  13. Verfahren zum Bilden eines Systems, wobei das Verfahren Folgendes umfasst: Anbringen eines ersten Chips an einem Substrat, wobei eine Lastschaltung auf dem ersten Chip integriert ist; und Anbringen eines zweiten Chips auf dem Substrat, wobei eine Leistungslieferschaltung dazu konfiguriert ist, Strom gemäß einer geregelten Spannung an einem Knoten an die Lastschaltung zu liefern, wobei die Leistungslieferschaltung Folgendes umfasst: eine erste Schaltung, die dazu konfiguriert ist, ein Fehlersignal zumindest teilweise basierend auf der geregelten Spannung zu erzeugen, und einen Spannungsgenerator, der Leistungsschalter umfasst, die dazu konfiguriert sind, die geregelte Spannung gemäß dem Fehlersignal zu modifizieren, wobei die erste Schaltung der Leistungslieferschaltung auf dem ersten Chip integriert ist und wobei mindestens ein Teil der Leistungsschalter der Leistungslieferschaltung auf dem zweiten Chip integriert ist.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Fehlersignal eine Differenz zwischen der geregelten Spannung am Knoten und einer Referenzspannung darstellt.
  15. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Fehlersignal eine analoge Spannung ist.
  16. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Fehlersignal ein digitaler Wert ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Fehlersignal eine Differenz zwischen der geregelten Spannung am Knoten und einer mit einem weiteren Faktor multiplizierten Referenzspannung darstellt.
  18. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die erste Schaltung einen Analog-Digital-Wandler umfasst, der konfiguriert ist, um das Fehlersignal zu erzeugen.
  19. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Leistungslieferschaltung einen Kondensator umfasst, der mit der Last verbunden ist, wobei der Kondensator auf dem ersten Chip integriert ist.
  20. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Leistungslieferschaltung eine oder mehrere Induktivitäten umfasst, die mit der Last verbunden sind, wobei die Induktivitäten auf dem Substrat getrennt von dem ersten und zweiten Chip gebildet werden.
  21. Verfahren nach Anspruch 13, wobei alle Leistungsschalter der Leistungslieferschaltung auf dem zweiten Chip integriert sind.
  22. Verfahren nach Anspruch 13, das ferner einen Referenzspannungsgenerator umfasst, der konfiguriert ist, um eine Referenzspannung zu erzeugen, wobei das Fehlersignal eine Differenz zwischen der geregelten Spannung am Knoten und der Referenzspannung darstellt, und wobei die Referenzspannungsgeneratoren auf dem ersten Chip integriert sind.
  23. Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Leistungslieferschaltung umfasst: einen Kondensator, der mit der Last verbunden ist; und eine oder mehrere Induktivitäten, die mit der Last verbunden sind, wobei die Leistungsschalter, der Kondensator und die eine oder mehreren Induktivitäten gemeinsam einen Spannungsregler bilden.
  24. Verfahren nach Anspruch 23, wobei der Spannungsregler mehrphasig ist.
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