DE112020001014T5

DE112020001014T5 - Niederspannungs-hochpräzisions-leistungserfassungsschaltung mit verbessertem leistungsversorgungs-abweisungsverhältnis

Info

Publication number: DE112020001014T5
Application number: DE112020001014.7T
Authority: DE
Inventors: Seyedeh Sedigheh Hashemi; Vahid MAJIDZADEH BAFAR; Ali Mesgarani; Mansour Keramat
Original assignee: Apple Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2020-02-24
Publication date: 2022-01-20
Also published as: US20240168508A1; CN113508353A; CN113508353B; US20200278713A1; WO2020176399A1; US20210247793A1; US11841726B2; US10928846B2

Abstract

Es wird eine Leistungserfassungsschaltung offenbart. Eine Leistungserfassungsschaltung schließt einen Spannungsvervielfacher ein, der eine externe Versorgungsspannung empfängt und eine zweite Versorgungsspannung erzeugt, die größer ist als erstere. Ein Spannungsregler ist gekoppelt, um die zweite Versorgungsspannung zu empfangen und eine geregelte Versorgungsspannung auszugeben. Eine Bandlückenschaltung ist gekoppelt, um die zweite Versorgungsspannung zu empfangen, wenn ein erster Schalter geschlossen ist, und die geregelte Versorgungsspannung zu empfangen, wenn ein zweiter Schalter geschlossen ist. Die Bandlückenschaltung erzeugt eine Referenzspannung für den Spannungsregler sowie eine oder mehrere Ausgangsspannungen. Eine Komparatorschaltung ist gekoppelt, um die eine oder die mehreren Ausgangsspannungen von der Bandlückenschaltung zu empfangen, und kann diese eine oder diese mehreren Ausgangsspannungen mit der geregelten Versorgungsspannung vergleichen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich auf elektronische Schaltungen und insbesondere auf Schaltungen zur Leistungserfassung.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Hochpräzise Niederspannungs-Leistungserfassungsschaltung sind wichtige Komponenten in vielen Anwendungen, einschließlich einer Power-On-Reset-Schaltung (POR-Schaltung) für verschiedene Arten integrierter Schaltungen (ICs), wie beispielsweise ein System-on-Chip (SoCs) oder eingebettete Prozessoren, und Spannungswächter für Sicherheitsanwendungen. In fortgeschrittenen CMOS-Prozessen (Complementary Metal Oxide Semiconductor) müssen solche Leistungserfassungsschaltungen möglicherweise unter extrem niedrigen Versorgungsspannungen arbeiten. Bei der Entwicklung von Schaltungen zur Erfassung von Niederspannung können diese niedrigen Versorgungsspannungen daher berücksichtigt werden.
Leistungseffizienz ist eine weitere wichtige Kennzahl bei der Entwicklung von ICs, wie z. B. den bereits erwähnten SoCs. Das Ausgleichen von Energieeffizienz und Leistung kann somit die Verwendung von hochpräzisen Niederspannungs-Leistungserfassungsschaltungen erfordern. Dementsprechend können Leistungserfassungsschaltungen in moderner Technologie so ausgelegt sein, dass sie unter sehr niedrigen Versorgungsspannungen und mit einem hohen Versorgungsspannungsunterdrückungsverhältnis (PSRR) arbeiten.
KURZDARSTELLUNG
Es wird eine Leistungserfassungsschaltung offenbart. In einer Ausführungsform schließt eine Leistungserfassungsschaltung einen Spannungsvervielfacher ein, der eine externe Versorgungsspannung empfängt und eine zweite Versorgungsspannung erzeugt, die größer ist als erstere. Ein Spannungsregler ist gekoppelt, um die zweite Versorgungsspannung zu empfangen und eine geregelte Versorgungsspannung auszugeben. Eine Bandlückenschaltung ist gekoppelt, um die zweite Versorgungsspannung zu empfangen, wenn ein erster Schalter geschlossen ist, und die geregelte Versorgungsspannung zu empfangen, wenn ein zweiter Schalter geschlossen ist. Die Bandlückenschaltung erzeugt eine Referenzspannung für den Spannungsregler sowie eine oder mehrere Ausgangsspannungen. Eine Komparatorschaltung ist gekoppelt, um die eine oder die mehreren Ausgangsspannungen von der Bandlückenschaltung zu empfangen, und kann diese eine oder diese mehreren Ausgangsspannungen mit der geregelten Versorgungsspannung vergleichen.
In einer Ausführungsform kann ein in der Leistungserfassungsschaltung implementierter Spannungswächter während einer Inbetriebnahme oder bei der Wiederherstellung nach einem Spannungsabfall das Schließen des ersten Schalters veranlassen, wenn die externe Versorgungsspannung kleiner ist als ein vorbestimmter Pegel. Wenn die externe Versorgungsspannung den vorbestimmten Pegel erreicht/wieder erreicht, kann die Spannungsüberwachungsschaltung bewirken, dass der erste Schalter öffnet und ein zweiter Schalter schließt, wodurch die Bandlückenschaltung so gekoppelt wird, dass sie die geregelte Versorgungsspannung empfängt.
In verschiedenen Ausführungsformen kann die Bandlückenschaltung eine Stromspiegelschaltung mit einer Reihe von Zweigen und eine Zerhackerschaltlogik einschließen. Die Zerhackerschaltlogik kann einen Zerhackervorgang durchführen, wobei die verschiedenen Zweige in einer Sequenz gemäß einem damit gekoppelten Sequenzgenerator ausgewählt werden. Die Bandlückenschaltung kann in verschiedenen Ausführungsformen auch eine Anlaufschaltung einschließen, um ein schnelleres Anlaufen bei der Erzeugung der verschiedenen Spannungen durch die Bandlückenschaltung zu ermöglichen.
Figurenliste
Die folgende detaillierte Beschreibung nimmt Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, die nun kurz beschrieben werden.

1 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Leistungserfassungsschaltung.
2 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Spannungsüberwachungsschaltung, die in einer Ausführungsform einer Leistungserfassungsschaltung implementiert ist.
3 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Bandlückenschaltung, die in einer Ausführungsform einer Leistungserfassungsschaltung implementiert ist.
4 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Anlaufschaltung, die in einer Ausführungsform einer Bandlückenschaltung implementiert ist, und ein Zeitdiagramm, das ihren Betrieb veranschaulicht.
5 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Filters mit geschalteten Kondensatoren, das in einer Ausführungsform einer Bandlückenschaltung implementiert ist, und eines Zeitdiagramms, das seinen Betrieb veranschaulicht.
6 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer integrierten Schaltung mit einer Leistungsverwaltungsschaltung und einer Leistungserfassungsschaltung.
7 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Leistungserfassungsschaltung veranschaulicht.
8 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Spannungsüberwachungsschaltung veranschaulicht.
9 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Bandlückenschaltung veranschaulicht.
10 ist ein Flussdiagramm, das die Funktionsweise einer Ausführungsform einer Anlaufschaltung veranschaulicht.
11 ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Beispielsystems.

Obwohl die hierin offenbarten Ausführungsformen vielfältigen Modifikationen und alternativen Formen zugänglich sind, werden spezifische Ausführungsformen in beispielhafter Weise in den Zeichnungen gezeigt und hierin detailliert beschrieben. Es versteht sich jedoch, dass Zeichnungen und eine dazugehörige detaillierte Beschreibung nicht dazu gedacht sind, den Schutzumfang der Ansprüche auf die speziellen offenbarten Formen zu beschränken. Im Gegenteil, diese Anmeldung soll alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die innerhalb des Wesens und Schutzumfang der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung liegen, wie durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
Diese Offenbarung schließt Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform“, „eine bestimmte Ausführungsform“, „einige Ausführungsformen“ oder „verschiedene Ausführungsformen“ ein. Wenn die Wendungen „in einer Ausführungsform“, „in einer bestimmten Ausführungsform“, „in einigen Ausführungsformen“ oder „in verschiedenen Ausführungsformen“ vorkommen, nehmen sie nicht unbedingt auf dieselbe Ausführungsform Bezug. Besondere Merkmale, Strukturen oder Eigenschaften können auf jegliche geeignete Weise kombiniert werden, die mit dieser Offenbarung im Einklang steht.
Innerhalb dieser Offenbarung können verschiedene Entitäten (die verschiedentlich als „Einheiten“, „Schaltungen“, andere Komponenten usw. bezeichnet werden können) als „konfiguriert“, um eine oder mehrere Aufgaben oder Operationen durchzuführen, beschrieben oder beansprucht werden. Diese Formulierung - [Entität], die konfiguriert ist, [um eine oder mehrere Aufgaben durchzuführen] - wird hierin verwendet, um sich auf eine Struktur (d. h. etwas Physisches, wie eine elektronische Schaltung) zu beziehen. Insbesondere wird diese Formulierung verwendet, um anzugeben, dass diese Struktur angeordnet ist, um die eine oder die mehreren Aufgaben während des Betriebs durchzuführen. Eine Struktur kann als „konfiguriert, um“ eine Aufgabe durchzuführen, bezeichnet werden, selbst wenn die Struktur aktuell nicht betrieben wird. Eine „Punkteverteilungsschaltung, die konfiguriert ist, um Punkte auf eine Vielzahl von Prozessorkernen zu verteilen“ soll zum Beispiel eine integrierte Schaltung abdecken, die eine Schaltlogik aufweist, die diese Funktion während des Betriebs durchführt, selbst wenn die betreffende integrierte Schaltung aktuell nicht verwendet wird (z. B. ist keine Stromversorgung daran angeschlossen). Somit bezieht sich eine Entität, die als „konfiguriert, um“ eine Aufgabe durchzuführen, beschrieben oder angegeben wird, auf etwas Physisches, wie eine Vorrichtung, eine Schaltung, einen Speicher, der Programmanweisungen speichert, die ausführbar sind, um die Aufgabe zu implementieren, usw. Diese Wendung wird hierin nicht verwendet, um auf etwas nicht Greifbares Bezug zu nehmen.
Das Angeben in den beiliegenden Ansprüchen, dass eine Struktur „konfiguriert ist, um“ eine oder mehrere Aufgaben durchzuführen, ist ausdrücklich nicht dazu gedacht, sich auf 35 U.S.C. § 112(f) für dieses Anspruchselement zu berufen. Dementsprechend soll keiner der Ansprüche in dieser Anmeldung in der eingereichten Fassung so ausgelegt werden, dass er Mittel-plus-Funktion-Elemente aufweist. Wenn sich der Anmelder während des Erteilungsverfahrens auf die Anwendung von Abschnitt 112(f) berufen möchte, gibt er Anspruchselemente unter Verwendung des Konstrukts „Mittel zum“ [Durchführen einer Funktion] an.
Wie hierin verwendet, wird der Begriff "basierend auf verwendet, um einen oder mehrere Faktoren zu beschreiben, die eine Bestimmung beeinflussen. Dieser Begriff schließt nicht die Möglichkeit aus, dass zusätzliche Faktoren die Bestimmung beeinflussen können. Das heißt, eine Bestimmung kann ausschließlich auf angegebenen Faktoren basieren oder auf den angegebenen Faktoren sowie anderen, nicht angegebenen Faktoren basieren. Man betrachte die Wendung „A basierend auf B bestimmen“. Diese Wendung gibt an, dass B ein Faktor ist, der verwendet wird, um A zu bestimmen, oder der die Bestimmung von A beeinflusst. Diese Wendung schließt nicht aus, dass die Bestimmung von A auch auf einem anderen Faktor, wie C, basieren kann. Diese Wendung soll auch eine Ausführungsform abdecken, in der A ausschließlich basierend auf B bestimmt wird. Wie hierin verwendet, ist die Wendung „basierend auf gleichbedeutend mit der Wendung "basierend mindestens teilweise auf.
Wie hierin verwendet, beschreibt die Wendung „als Reaktion auf einen oder mehrere Faktoren, die eine Wirkung auslösen. Diese Wendung schließt nicht die Möglichkeit aus, dass zusätzliche Faktoren die Wirkung beeinflussen oder anderweitig auslösen können. Das heißt, eine Wirkung kann ausschließlich als Reaktion auf diese Faktoren erfolgen oder kann als Reaktion auf die angegebenen Faktoren sowie andere, nicht angegebene Faktoren erfolgen. Man betrachte die Wendung „A als Reaktion auf B durchführen“. Diese Wendung gibt an, dass B ein Faktor ist, der die Durchführung von A auslöst. Diese Wendung schließt nicht aus, dass ein Durchführen von A auch als Reaktion auf einen anderen Faktor, wie C, erfolgen kann. Diese Wendung soll auch eine Ausführungsform abdecken, in der A ausschließlich als Reaktion auf B durchgeführt wird.
Wie hierin verwendet, werden die Begriffe „erster“, „zweiter“ usw. als Bezeichnungen für nachgestellte Nomina verwendet, und sie implizieren keine Art von Reihenfolge (z. B. räumlich, zeitlich, logisch usw.), sofern nicht anders angegeben. So können zum Beispiel in einer Registerdatei mit acht Registern die Begriffe „erstes Register“ und „zweites Register“ verwendet werden, um auf zwei beliebige der acht Register Bezug zu nehmen, und nicht zum Beispiel nur auf die logischen Register 0 und 1.
Bei Verwendung in den Ansprüchen wird der Begriff „oder“ als inklusives „oder“ und nicht als exklusives „oder“ verwendet. So bedeutet zum Beispiel die Wendung „mindestens eines von x, y oder z“ ein beliebiges von x, y und z sowie eine beliebige Kombination davon.
In der folgenden Beschreibung sind zahlreiche spezifische Details dargelegt, um ein umfassendes Verständnis der offenbarten Ausführungsformen bereitzustellen. Der Durchschnittsfachmann sollte jedoch erkennen, dass Gesichtspunkte von offenbarten Ausführungsformen ohne diese spezifischen Details ausgeführt werden könnten. In einigen Fällen wurden allgemein bekannte Schaltungen, Strukturen, Signale, Computerprogrammanweisungen und Techniken nicht im Detail dargestellt, um ein Verunklaren der offenbarten Ausführungsformen zu vermeiden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf eine Leistungserfassungsschaltung sowie verschiedene darin implementierte Schaltungen. In verschiedenen Ausführungsformen schließt eine Leistungserfassungsschaltung einen Spannungsvervielfacher ein, der gekoppelt ist, um eine Versorgungsspannung von einer Quelle außerhalb der Schaltung zu empfangen. Der Spannungsvervielfacher kann eine zweite Versorgungsspannung erzeugen, die größer ist als die externe Versorgungsspannung (z. B. doppelt so groß). Die zweite Versorgungsspannung ist mit einem Spannungsregler innerhalb der Leistungserfassungsschaltung gekoppelt und erzeugt eine geregelte Versorgungsspannung. Eine Bandlückenschaltung ist gekoppelt, um abhängig von einem Pegel der externen Versorgungsspannung entweder die zweite Versorgungsspannung oder die geregelte Versorgungsspannung zu empfangen. Die Bandlückenschaltung kann eine Referenzspannung für den Spannungsregler erzeugen und kann ferner eine oder mehrere zusätzliche Ausgangsspannungen erzeugen, die an einen Komparator der Leistungserfassungsschaltung bereitgestellt werden. Die Komparatorschaltung wiederum kann die von der Bandlückenschaltung empfangene(n) Spannung(en) mit der externen Versorgungsspannung vergleichen.
In einigen Ausführungsformen ist der Spannungsvervielfacher der Leistungserfassungsschaltung ein Schaltkondensator-Spannungsvervielfacher. Die Leistungserfassungsschaltung kann ferner einen Ringoszillator zum Erzeugen eines periodischen Signals einschließen, das dem Schaltkondensatorvervielfacher bereitgestellt wird, um das Öffnen und Schließen der verschiedenen Schalter darin zu steuern.
Manche Ausführungsformen der Leistungserfassungsschaltung schließen eine Spannungsüberwachungsschaltung ein, die selbst eine Schaltung zur Erfassung niedriger Spannung (LV-Erfassungsschaltung) und eine Schaltung zur Erfassung sehr niedriger Spannung (VLV-Erfassungsschaltung) einschließt, die zusammen mit der VLV-Erfassungsschaltung, welche die Ausgabe bereitstellt, kaskadiert sein können. Die Spannungsüberwachungsschaltung kann gekoppelt sein, um die externe Versorgungsspannung zu empfangen. Während des Betriebs der Leistungserfassungsschaltung kann, z. B. während der Inbetriebnahme, die VLV-Erfassungsschaltung ein Signal in einem ersten Zustand ausgeben, um zu bewirken, dass ein erster Schalter geschlossen und ein zweiter Schalter geöffnet wird. Der erste Schalter koppelt, wenn er geschlossen ist, die zweite Versorgungsspannung an die Bandlückenschaltung. Wenn sich das Ausgangssignal von der VLV-Erfassungsschaltung in einem zweiten Zustand befindet, ist der erste Schalter offen und der zweite Schalter geschlossen. Wenn er geschlossen ist, koppelt der zweite Schalter die geregelte Versorgungsspannung an die Bandlückenschaltung.
In einer Ausführungsform schließt die Bandlückenschaltung eine Stromspiegelschaltlogik mit einer Reihe von Zweigen, einschließlich eines Referenzstromzweigs und zusätzlicher Zweige, ein. Die Bandlückenschaltung schließt ferner eine Zerhackerschaltlogik ein, die konfiguriert ist, um ein Zerhacken an den verschiedenen Zweigen der Stromspiegelschaltlogik, einschließlich des Referenzstromzweigs, durchzuführen. Ein Sequenzgenerator, der gemäß einem empfangenen Taktsignal arbeitet, kann eine Sequenz erzeugen, für die verschiedenen Zweige der Stromspiegelschaltlogik ausgewählt werden. In einigen Ausführungsformen kann das vom Sequenzgenerator empfangene Taktsignal ein mehrphasiges Taktsignal sein. Unter Verwendung dieser Zerhackertechnik kann die Bandlückenschaltung eine Reihe von Spannungen erzeugen, einschließlich einer Referenzspannung, die dem Spannungsregler bereitgestellt wird. Ferner kann mindestens eine von der Bandlückenschaltung erzeugte Spannung über ein Filter (z. B. ein Kerbfilter) ausgegeben werden, das verwendet wird, um eine Welligkeit, die durch den Zerhackervorgang eingeführt werden kann, zu glätten.
Die Bandlückenschaltung schließt eine Anlaufschaltung ein, die implementiert ist, um sowohl die Anlauf- als auch die Wiederherstellungszeit zu reduzieren. Die Anlaufschaltung kann erste und zweite Stromzweige einschließen. Der erste Stromzweig kann jederzeit aktiv sein, wenn die zweite (verstärkte) Versorgungsspannung kleiner ist als ein bestimmter Wert. Der zweite Stromzweig kann während des Anlaufens oder Wiederherstellens für eine begrenzte Zeit aktiviert werden, wenn die externe Versorgungsspannung anfänglich eine Schwellenspannung eines Transistors in der Schaltung überschreitet. Die begrenzte Zeit wird teilweise durch ein Verzögerungsglied erzwungen, das bestimmt, wie lange der zweite Zweig aktiv ist.
Die Leistungserfassungsschaltung, wie hierin offenbart, kann in Anwendungen nützlich sein, in denen die Versorgungsspannungen sehr niedrig sind (z. B. 0,4 Volt und im Allgemeinen weniger als 1,0 Volt), in denen eine hohe Genauigkeit und ein hohes Versorgungsspannungsunterdrückungsverhältnis (PSRR) gewünscht ist. Einige Anwendungen für die Schaltung können Power-On-Reset-Schaltungen, Spannungswächter zum Hardware-Sicherheitsschutz und allgemeine Spannungswächter, die mit einer Leistungsverwaltungsschaltlogik verwendet werden können, einschließen (sind jedoch nicht darauf beschränkt). Verschiedene Ausführungsformen der Leistungserfassungsschaltung und der verschiedenen Teilschaltungen, die darin implementiert sind, werden nun ausführlicher erörtert.
Leistungserfassungsschaltung.
Als nächstes wird auf 1 Bezug genommen, die ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Leistungserfassungsschaltung zeigt. Leistungserfassungsschaltung 11 von 1 ist gekoppelt, um eine Versorgungsspannung Vdd von einer externen Quelle zu empfangen. Die Quelle der Vdd kann sich auf einem integrierten Schaltungschip befinden, auf dem die Leistungserfassungsschaltung implementiert ist, oder kann extern davon liegen. Solche Quellen können einen anderen Spannungsregler (getrennt von dem in der Leistungserfassungsschaltung 11 enthaltenen), andere Leistungserfassungsschaltlogik oder z. B. eine Batterie oder eine andere Quelle einschließen.
In der gezeigten Ausführungsform wird Vdd drei verschiedenen Teilschaltungen der Leistungserfassungsschaltung 11 bereitgestellt, und zwar einem Ringoszillator 111, einem Spannungsvervielfacher 117 und einem Komparator 119. Ringoszillator 111 in der gezeigten Ausführungsform ist konfiguriert, um ein periodisches Signal (z. B. ein Taktsignal) zu erzeugen, das dem Spannungsvervielfacher 117 bereitgestellt wird. In dieser Ausführungsform ist der Spannungsvervielfacher 117 ein Schaltkondensator-Spannungsvervielfacher, dessen Schalter unter der Steuerung des vom Spannungsvervielfacher 117 bereitgestellten Taktsignals arbeiten. Mit Hilfe des Spannungsvervielfachers 117 wird eine zweite Versorgungsspannung VddH erzeugt. Die zweite Versorgungsspannung ist größer als die erste. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform die Spannung VddH doppelt so groß sein wie die von Vdd. Das Aufbauen der zweiten Versorgungsspannung kann eine größere Spannungsreserve für den Betrieb anderer Schaltungen, von denen sie empfangen wird, bereitstellen.
Leistungserfassungsschaltung 11 in der gezeigten Ausführungsform schließt eine Spannungsreglerschaltung ein. Wie hier gezeigt, ist der Spannungsregler ein Low-Dropout-Regler (LDO-Regler) und schließt einen Verstärker A1 (der gekoppelt ist, um VddH zu empfangen), einen Durchlasstransistor M1 (der gekoppelt ist, um VddH an seinem Source-Anschluss zu empfangen) und einen Spannungsteiler, der die Widerstände R1 und R2 einschließt, ein. Der Spannungsteiler in der gezeigten Ausführungsform erzeugt eine Rückführungsspannung („Rückführung“), die dem nichtinvertierenden Eingang des Verstärkers A1 zugeführt wird. Von der Bandlückenschaltung 113 wird dem Verstärker A1 eine Referenzspannung bereitgestellt, auf die weiter unten noch näher eingegangen wird. Verstärker A1 erzeugt ein Fehlersignal basierend auf einer Differenz zwischen der Rückführungsspannung und der Referenzspannung. Dieses Fehlersignal wird an den Gate-Anschluss von M1 geleitet, der in dieser speziellen Ausführungsform eine PMOS-Vorrichtung ist, aber in anderen Ausführungsformen, die innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung in Betracht gezogen werden, auch ein NMOS sein kann. Der Ausgang des Spannungsreglers ist eine geregelte Versorgungsspannung, Vreg, die für die Ausführungsform von 1 von dem Drain-Anschluss von M1 bereitgestellt wird. Diese geregelte Versorgungsspannung wird mindestens einer Komparatorschaltung 119 zugeführt und kann auch der Bandlückenschaltung 113 zugeführt werden.
Bandlückenschaltung 113 in der gezeigten Ausführungsform kann während des Betriebs eine von zwei verschiedenen Versorgungsspannungen empfangen, abhängig von den jeweiligen Positionen (offen oder geschlossen) der Schalter S1 und S2. Wenn Schalter S1 geschlossen ist (und Schalter S2 offen ist), empfängt die Bandlückenschaltung 113 VddH vom Spannungsvervielfacher 117. Wenn Schalter S2 geschlossen ist (und Schalter S1 offen ist), empfängt die Bandlückenschaltung 113 die geregelte Versorgungsspannung, Vreg. Die Steuerung dieser Schalter erfolgt durch die Spannungsüberwachungsschaltung 114 und insbesondere ein von dieser erzeugtes und ausgegebenes Steuersignal.
Spannungsüberwachungsschaltung 114 in der gezeigten Ausführungsform ist gekoppelt, um die externe Versorgungsspannung Vdd zu empfangen, und kann ein Schaltsteuersignal Sw_Ctrl basierend auf einem Strompegel davon erzeugen. In der gezeigten Ausführungsform kann, wenn die externe Versorgungsspannung Vdd kleiner ist als ein bestimmter Wert, Spannungsüberwachungsschaltung 114 das Schaltsteuersignal in einem ersten Zustand ausgeben, der bewirkt, dass sich Schalter S1 schließt, während Schalter S2 offen gehalten wird. In dieser Konfiguration mit offenem Regelkreis ist die Bandlückenschaltung 113 gekoppelt, um die zweite Versorgungsspannung, VddH, zu empfangen. Wenn die externe Versorgungsspannung Vdd eine bestimmte Spannung überschreitet, kann Spannungsüberwachungsschaltung 114 das Schaltsteuersignal in einem zweiten Zustand ausgeben, der bewirkt, dass sich Schalter S2 schließt, während Schalter S1 offen gehalten wird. Dementsprechend arbeitet die Bandlückenschaltung 113, wenn S2 geschlossen und S1 offen ist, in einer Konfiguration mit geschlossenem Regelkreis und empfängt die geregelte Versorgungsspannung, Vreg. Wenn Bandlückenschaltung 113 unter einer geregelten Versorgungsspannung betrieben wird, kann die Genauigkeit der dadurch erzeugten Spannungen verbessert werden. Außerdem kann diese Anordnung eine verbesserte PSRR in Bezug auf den Betrieb von Schaltungen wie der Bandlückenschaltung 113 und dem Komparator 119 ermöglichen.
Bandlückenschaltung 113 in der gezeigten Ausführungsform ist angeordnet, um mindestens eine Ausgangsspannung zu erzeugen, und kann auch zusätzliche Spannungen erzeugen. Wie in 1 gezeigt, wird eine Referenzspannung, Vref, von der Bandlückenschaltung 113 an den invertierenden Eingang des Verstärkers A1 bereitgestellt. Bandlückenschaltung 113 ist ferner gekoppelt, um eine oder mehrere Ausgangsspannungen an die Vergleichsschaltlogik, Komparator 119, zur Verwendung im Vergleichsbetrieb bereitzustellen. In dieser Ausführungsform ist der Komparator 119 ferner gekoppelt, um die externe Versorgungsspannung Vdd zu empfangen, und empfängt auch die geregelte Versorgungsspannung Vreg als eine Stromquelle. Der Komparator 119 kann Vergleiche der von Bandlückenschaltung 113 empfangenen Spannung(en) mit der externen Versorgungsspannung Vdd durchführen und kann Vergleichsergebnisse erzeugen, die an z. B. eine Leistungsverwaltungseinheit oder eine andere Schaltlogik weitergeleitet werden. Es wird darauf hingewiesen, dass, obwohl hier nur eine Instanz eines Komparators 119 gezeigt ist, in einigen Ausführungsformen mehrere Instanzen implementiert werden können. Alternativ können in einigen Ausführungsformen die Komparatoren 119 mehrere darin implementierte Schaltungen zum Durchführen von Spannungsvergleichen und Erzeugen von darauf basierenden Signale einschließen, um verschiedene Leistungssteueraktionen durchzuführen oder anderweitig Informationen bezüglich des Betriebs der verschiedenen Leistungsversorgungen bereitzustellen.
Während eines Anlaufvorgangs kann die Spannungsüberwachungsschaltung zunächst bewirken, dass sich Schalter S1 schließt, während Schalter S2 offen gehalten wird, während die externe Versorgungsspannung, Vdd, ansteigt. Wenn Vdd einen ausreichenden Pegel erreicht, wie von Spannungsüberwachungsschaltung 114 bestimmt wird, kann sich der Zustand des Ausgangssignals davon ändern, um zu bewirken, dass Schalter S2 sich schließt und Schalter S1 sich öffnet. Ein ähnlicher Vorgang kann nach einem signifikanten Abfall der Versorgungsspannung oder als Reaktion auf bestimmte Änderungen der Versorgungsspannung erfolgen. In einigen Anwendungen kann die Leistungserfassungsschaltung 11 beispielsweise mit einer variablen Spannungsschiene gekoppelt sein, auf der die Versorgungsspannung während des Systembetriebs geändert werden kann (z. B. für erhöhte Leistung, für Leistungseinsparungen usw.). Einige Spannungsänderungen können daher vorhersehbar sein, während bei anderen Anwendungen (z. B. Sicherheit) solche Spannungsänderungen nicht vorhersehbar sind. Dementsprechend kann die Auslegung der Leistungserfassungsschaltung 11 diese Faktoren berücksichtigen, um einen stabilen Betrieb über mehrere Spannungen sowie über Änderungen der Versorgungsspannungen hinweg sicherzustellen.
Spannungsüberwachungsschaltung:
Als nächstes wird auf 2 Bezug genommen, die ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Spannungsüberwachungsschaltung 114 gezeigt. In der gezeigten Ausführungsform schließt der Spannungswächter 114 zwei Schaltungen, einen Detektor für niedrige Spannung 21 (LV-Detektor) und einen Detektor für sehr niedrige Spannung 22 (VLV-Detektor) ein. Diese beiden Schaltungen sind in einer kaskadierten Konfiguration angeordnet, wobei VLV-Detektor 22 das Ausgangssignal CV_detect des Spannungswächters 114 bereitstellt.
VLV-Detektor 22 in der gezeigten Ausführungsform schließt eine Inverterschaltung ein, die unter Verwendung der PMOS-Vorrichtung M2 und der NMOS-Vorrichtung M3 implementiert ist. Der Ausgangsknoten der Schaltung ist mit einem Pull-Down-Widerstand Rpd gekoppelt. Währenddessen implementiert Transistor M2 einen schwachen Pull-Up. Während einer ersten Inbetriebnahme (oder nach einem signifikanten Spannungsabfall) kann nicht garantiert werden, dass sich der Ausgang des LV-Detektors 21 und somit der Eingang des VLV-Detektors 22 in einem bestimmten Zustand befindet (genauer gesagt kann der Ausgang des Komparators, Cmp1, nicht garantiert werden). Wenn also die externe Versorgungsspannung Vdd sehr niedrig ist (z. B. kleiner als eine Source-Gate-Schwellenspannung von M2), zieht der Pulldown-Widerstand Rpd CV detect herunter. Der Widerstand des Widerstands Rpd kann ferner so ausgewählt werden, dass der CV_detect niedrig gezogen werden kann, selbst wenn Transistor M2 in den unter dem Schwellenwert liegenden Betriebsbereich eintritt. Diese Anordnung kann gewährleisten, dass der Spannungswächter 114 eine logische 0 ausgibt, wenn die externe Versorgungsspannung kleiner ist als ein bestimmter Wert.
Wie in 2 gezeigt, schließt LV-Detektor 21 Komparator Cmp1, einen Spannungsteiler, der die Widerstände R3 und R4 einschließt, um eine erste Vergleichsspannung V1 zu erzeugen, und einen weiteren Schaltungszweig, der Transistor M2 und Widerstand R5 zur Erzeugung der zweiten Vergleichsspannung V2 einschließt, ein. Es wird darauf hingewiesen, dass R4 hier als ein variabler Widerstand gezeigt ist, obwohl dieser Widerstand auch getrimmt werden kann, um die gewünschte Spannung an V1 bereitzustellen.
LV-Detektor 21 in der gezeigten Ausführungsform ist konfiguriert, um die zwei unterschiedlichen Spannungen, V1 (bereitgestellt an den invertierenden Eingang des Komparators Cmp1) und V2 (bereitgestellt an den nicht invertierenden Eingang des Komparators Cmp1), zu vergleichen. Diese Spannungen steigen beide mit steigender Vdd an, obwohl die Eigenschaften dieser Spannungsanstiege unterschiedlich sind. Insbesondere kann V1 als lineare Funktion des Anstiegs von Vdd ansteigen, während V2 als nichtlineare Funktion von Vdd ansteigt. Wenn V2 > V1 ist, gibt Cmp1 eine hohe Spannung aus, welche die Schwellenspannung des Transistors M3 im VLV-Detektor 22 übersteigt. Dementsprechend wird M3 aktiviert, um den CV detect-Knoten auf Low zu ziehen. Wenn Vdd ansteigt, neigt die Spannungskurve von V2 (grafisch ausgedrückt) dazu, sich abzuflachen. Währenddessen steigt V1 weiterhin linear mit Vdd an. Dementsprechend gibt Cmp1 an dem Punkt, an dem der Pegel von V1 den von V2 erreicht oder überschreitet, einen Spannungspegel aus, der einer logischen 0 entspricht. Dies wiederum bewirkt die Aktivierung des Transistors M2, der CVDdetect auf High zieht. Wenn also Spannungswächter 114 in einer Ausführungsform der in 1 gezeigten Schaltung implementiert ist, dient der Logik-1-Ausgang von CV detect als Steuersignal, um die geregelte Versorgungsspannung mit der Bandlückenschaltung zu koppeln, während das Abtrennen der verstärkte Versorgungsspannung (z. B. VddH) bewirkt wird.
Bandlückenschaltung, Anlaufschaltung und Ausgangsfilter:
3 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Bandlückenschaltung, die in verschiedenen Ausführungsformen der in 1 veranschaulichten Leistungserfassungsschaltung verwendbar ist. Bandlückenschaltung 113 in der gezeigten Ausführungsform nutzt die Zerhackerstabilisierung in Kombination mit einer passiven Degeneration bei der Erzeugung von Spannungen und der Minimierung der Welligkeit am Ausgang.
In der gezeigten Ausführungsform schließt Bandlückenschaltung 113 eine Stromspiegelschaltlogik 33 ein, welche die Transistoren M31, M32 und M33 einschließt, die mit den Widerständen R31, R32 bzw. R33 gekoppelt sind. In dieser besonderen Ausführungsform stellt der Schaltungszweig mit M33 den Referenzstrom bereit, der in den anderen Schaltungszweigen gespiegelt wird. In einem der Schaltungszweige sind jeweils auch die Transistoren M35, M36 und M37 implementiert. Ein Verstärker A31 schließt Eingänge ein, die mit zwei der drei Zweigen gekoppelt sind. Zusätzlich sind auch die Bipolartransistoren Q31 und Q32 in der Bandlückenschaltung 113 eingeschlossen. Der Emitter von Q32 ist in der gezeigten Ausführungsform direkt mit dem invertierenden Eingang von A31 gekoppelt. Der nichtinvertierende Eingang von A31 ist mit dem Widerstand R35 gekoppelt, der mit dem Emitter von Q31 gekoppelt ist. Bandlückenschaltung 113 schließt auch Widerstände R34, R36 und R37 ein, wobei R34 und R36 in einer bestimmten Ausführungsform im Wesentlichen den gleichen Wert aufweisen. Obwohl hier als ein einzelner Widerstand dargestellt, kann R37 in einigen Ausführungsformen als eine Widerstandsleiter implementiert sein und kann ferner abstimmbar sein. In einer solchen Ausführungsform kann diese Widerstandsleiter als Quelle für zusätzliche Spannungen verwendet werden, die von der Bandlückenschaltung ausgegeben werden, einschließlich verschiedener Schwellenspannungen, die als Vergleichsgrundlage verwendet werden.
Zerhackerschaltung 31 ist in der gezeigten Ausführungsform über die drei Zweige der Stromspiegelschaltlogik gekoppelt. Die Auswahl der Zweige erfolgt gesteuert durch den Sequenzgenerator 34. In einer Ausführungsform ist Sequenzgenerator 34 ein Null-Durchschnitts-Sequenzgenerator, der eine gleiche Wahrscheinlichkeit über die Zeit bereitstellt, dass Transistoren jedes gezeigten Transistorpaars (z. B., M31 und M35 usw.) für im Wesentlichen gleiche Zeitmengen miteinander verbunden sind. Dies kann eine gleichmäßige Verteilung von Fehlern ermöglichen, die aufgrund von Fehlanpassungen zwischen den Vorrichtungen vorhanden sein können. Sequenzgenerator 34 arbeitet mit einem Mehrphasentaktsignal, das von Mehrphasentaktschaltung 39 empfangen wird. Im Betrieb werden die verschiedenen Zweige entsprechend der vom Sequenzgenerator 34 erzeugten Sequenz ausgewählt. Infolgedessen kann die am Knoten VBG erzeugte Bandlückenspannung eine gewisse unerwünschte Welligkeit aufweisen. Dementsprechend wird diese Bandlückenspannung in Filter 36 eingegeben, der die Welligkeit herausfiltert und die endgültige Ausgangsspannung an VBG out bereitstellt. Zusätzlich dazu, dass es sich um die endgültige Ausgangsspannung handelt, kann die an VBG out anliegende Spannung auch als die Referenzspannung, Vref, an den in 1 gezeigten Spannungsregler geliefert werden. Etwaige verbleibende Wechselstromkomponenten in dieser endgültigen Ausgangsspannung können durch den Kondensator C31 auf Masse nebengeschlossen werden. In einer Ausführungsform ist Filter 36 ein Filter mit geschalteten Kondensatoren, obwohl in anderen Ausführungsformen auch andere Arten von Filtern verwendet werden können. Im Folgenden wird eine Ausführungsform eines Filters mit geschalteten Kondensatoren beschrieben.
Während des Betriebs können Schwankungen der Versorgungsspannungen Störimpulse in den von der Bandlückenschaltung erzeugten Spannungen verursachen und sogar zu einer vollständigen Abschaltung führen, wenn eine Versorgungsspannung unter einen bestimmten Grenzwert fällt. Somit kann die Wiederherstellungszeit in vielen Anwendungen der hierin beschriebenen Schaltlogik ein wichtiger Faktor sein. Bandlückenschaltung 113 schließt somit eine Hybrid-Anlaufschaltung 310 ein (oder im Folgenden: „Anlaufschaltung“). Diese Schaltung kann die Wiederherstellungszeit im Fall von Störimpulsen und anderen Spannungsschwankungen, die in die Bandlückenschaltung 113 eingeführt werden können, verringern. Eine Ausführungsform einer Anlaufschaltung wird nun näher erläutert.
4 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Anlaufschaltung, die in einer Ausführungsform einer Bandlückenschaltung implementiert ist, und ein Zeitdiagramm, das ihren Betrieb veranschaulicht. Anlaufschaltung 310, wie hierin gezeigt, kann in der vorstehend erörterten Bandlückenschaltung sowie in anderen Schaltungen, in denen eine solche Anlaufschaltung nützlich ist, verwendet werden.
Die Anlaufschaltung in der gezeigten Ausführungsform schließt zwei Stromzweige ein, einen ersten, der den Transistor M43 einschließt, und einen zweiten, der den Transistor M44 einschließt. Ein dritter Schaltungszweig schließt die Widerstände R41 und R42 sowie die Transistoren M41 und M42 ein. In dieser gezeigten Ausführungsform ist der Gate-Anschluss von M41 mit dem Vg-Knoten der vorstehend erörterten Bandlückenschaltung gekoppelt, während der Gate-Anschluss von M42 mit dem Vcp-Knoten derselben Schaltung gekoppelt ist. Obwohl hier nicht gezeigt, ist der Vcp-Knoten mit einer Vorspannungserzeugungsschaltung gekoppelt, welche die Spannung für diesen Knoten erzeugt. Widerstand R42 ist parallel zu einem Kondensator C41 zwischen dem Vbg-Knoten und Masse gekoppelt. Der Gate-Anschluss von M42 ist mit einem Ausgang des Inverters Invl gekoppelt, der wiederum gekoppelt ist, um den Gate-Anschluss von M43 anzusteuern.
Die Steuerung des zweiten Stromzweiges (von M44) erfolgt durch die Schaltlogik auf der rechten Seite des Schaltbildes. Dieser Teil enthält einen Schaltungszweig, der die Transistoren M45, M46 und M47 sowie den Widerstand R43 einschließt. Die Gate-Anschlüsse von M46 und M47 sind in dieser Ausführungsform gekoppelt, um jeweils die Freigabesignale en1 und en2 zu empfangen, die von einer hier nicht gezeigten Steuerschaltung bereitgestellt werden können. Ein invertierendes Verzögerungsglied 41 und ein UND-Gatter Und1 sind ebenfalls Teil der Schaltlogik, die den Stromzweig von M44 steuert.
M45 in der gezeigten Ausführungsform ist ein PMOS-Transistor mit einem Gate-Anschluss, der mit einem Masseknoten gekoppelt ist, und einem Source-Anschluss, der mit Vdd (die in den Schaltungen der 1-3 die externe Versorgungsspannung ist) gekoppelt ist. Wenn Vdd über die Source-Gate-Schwellenspannung ansteigt, wird M45 aktiviert und der Knoten, der mit dessen Drain-Anschluss/Anschlüssen gekoppelt ist, wird hochgezogen. Dies liefert eine logische 1 direkt an einen Anschluss von Und1. Währenddessen ist der andere Anschluss, der mit dem Knoten sb gekoppelt ist, zu diesem Zeitpunkt ebenfalls eine logische 1 und bewirkt somit, dass Und1 das Startsignal ausgibt. Wenn das Startsignal ausgegeben wird, wird M44 aktiviert. Solange Vbg auf einer Spannung liegt, die einer logischen 0 entspricht, aktiviert der Ausgang von Invl den Schalter M43. Wenn sowohl M43 als auch M44 aktiv sind, wird Strom durch diese Vorrichtungen vom Knoten Vg gezogen. Nach Ablauf der Verzögerungszeit springt der Knoten sb von einer logischen 1 auf eine logische 0 (da das Verzögerungsglied 41 ein invertierendes Verzögerungsglied ist). Da also der Ausgang von Und1 zu diesem Zeitpunkt auf einen Spannungspegel abfällt, der einer logischen 0 entspricht, wird M44 deaktiviert und dieser Zweig nimmt keinen Strom mehr auf. Der kurze Zeitraum, in der Strom durch M44 gezogen wird, kann jedoch die Zeitdauer zum Anlaufen lassen der Bandlückenschaltung, in welche die Anlaufschaltung 310 in einer Ausführungsform integriert ist, erheblich verkürzen. Ein ähnlicher Einsatz in anderen Anwendungen ist möglich und wird in Erwägung gezogen.
Der im vorhergehenden Absatz beschriebene Vorgang ist im Zeitdiagramm von 4 im Zusammenhang mit einem Spannungsabfall grafisch veranschaulicht. Nachdem Vdd abgefallen ist und wieder anzusteigen beginnt, erreichen die Knoten s und sb beide einen Punkt, an dem sie logisch gleichwertig sind. Dies führt zur Aktivierung des Startsignals, das bis zum Ablauf der Verzögerungszeit anhält. Danach fällt sb ebenso wie das Startsignal ab.
Der Betrieb des anderen Stromzweiges setzt voraus, dass die Spannung am Knoten Vbg so weit angestiegen ist, dass sie einer logischen 1 entspricht. Danach gibt der Inverter Invl eine Spannung aus, die einer logischen 0 entspricht, was eine Deaktivierung von M43 bewirkt, wodurch der von der Anlaufschaltung 310 durchgeführte Anlaufvorgang abgeschlossen wird.
5 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform eines Filters mit geschalteten Kondensatoren, das in einer Ausführungsform einer Bandlückenschaltung implementiert ist, und eines Zeitdiagramms, das seinen Betrieb veranschaulicht. In der gezeigten Ausführungsform schließt das Filter mit geschalteten Kondensatoren 36 zwei Kondensatoren, C51 und C52, die jeweils zwischen dem Hauptteil des Filters und einem Masseknoten gekoppelt sind, ein. Das Filter mit geschalteten Kondensatoren schließt ferner die Schalter S51, S52, S53 und S54, die in den Signalpfaden zwischen dem Eingangsknoten In und dem Ausgangsknoten Out implementiert sind, ein. Die Schalter werden gemäß einem Taktsignal Clk_Chop betrieben. Die Schalter S51 und S53 sind während der ersten Phase des Signals Φ1 (z. B. aktiver Teil) geschlossen, während die Schalter S52 und S54 während einer zweiten Phase des Signals Φ1 (z. B. inaktiver Teil) geschlossen sind.
Die Wirkung des Filters mit geschalteten Kondensatoren 36 ist im Zeitdiagramm am unteren Rand von 5 dargestellt. Das Schaltsteuersignal Φ1 schaltet bei jedem Hoch-Zyklus des Taktsignals Clk_Chop. Die Welligkeit der Eingangsspannung ist hier als Sägezahnwelle dargestellt, während der Ausgang als stabil und ohne Welligkeit dargestellt ist.
IC mit Leistungserfassungsschaltung:
6 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform einer IC mit einer Leistungserfassungsschaltung gemäß der Offenbarung. Es wird darauf hingewiesen, dass es sich bei der in 6 gezeigten IC 60 um ein vereinfachtes Beispiel handelt, das der Veranschaulichung dient und nicht als einschränkend verstanden werden soll.
IC 60 in der gezeigten Ausführungsform schließt eine Leistungserfassungsschaltung 11 ein, die mit einer Leistungsverwaltungseinheit (PMU) 63 gekoppelt ist. Wiederum ist PMU 63 mit zwei Funktionsschaltungsblöcken 65 gekoppelt, die Schaltlogiken praktisch beliebiger Art implementieren. PMU 63 in der gezeigten Ausführungsform umfasst Schaltlogik, die verschiedene Leistungsverwaltungsfunktionen ausführen kann. Zu diesen Funktionen gehören z. B. Clock-Gating, Power-Gating, Änderungen der Versorgungsspannung in Abhängigkeit von Änderungen des Leistungszustands, Power-On-Resets und so weiter. Ferner kann PMU 63 die von der Leistungserfassungsschaltung 11 bereitgestellten Informationen verwenden, um zu bestimmen, ob bestimmte Leistungssteuerungsaktionen ausgeführt werden sollen oder nicht.
Betriebsverfahren:
7 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Leistungserfassungsschaltung veranschaulicht. Verfahren 700, wie hierin erörtert, kann unter Verwendung der in 1 gezeigten Leistungserfassungsschaltung und verschiedener Ausführungsformen davon durchgeführt werden. Leistungserfassungsschaltungen, die hierin nicht explizit erörtert werden, aber in der Lage sind, das Verfahren 70 durchzuführen, können in den Schutzumfang dieser Offenbarung fallen.
Verfahren 70 beginnt damit, dass eine Spannungsvervielfacherschaltung eine erste Versorgungsspannung empfängt und basierend auf der ersten Versorgungsspannung eine zweite Versorgungsspannung erzeugt, wobei die zweite Versorgungsspannung größer ist als die erste Versorgungsspannung (Block 705). Verfahren 700 schließt ferner eine Spannungsreglerschaltung ein, welche die zweite Versorgungsspannung empfängt und eine geregelte Ausgangsspannung erzeugt (Block 710). Das Verfahren wird fortgesetzt durch Bereitstellen der zweiten Versorgungsspannung an eine Bandlückenschaltung als Reaktion darauf, dass die erste Versorgungsspannung unter einem ersten Schwellenwert liegt, und danach als Reaktion darauf, dass die erste Versorgungsspannung den ersten Schwellenwert überschreitet, durch Bereitstellen der geregelten Versorgungsspannung an die Bandlückenschaltung und Unterbrechen des Bereitstellens der zweiten Versorgungsspannung an die Bandlückenschaltung (Block 715). Verfahren 700 schließt ferner das Vergleichen, unter Verwendung einer Komparatorschaltung, der geregelten Versorgungsspannung mit mindestens einer von der Bandlückenschaltung bereitgestellten Ausgangsspannung ein (Block 720).
Verfahren 70, wie vorstehend erörtert, ist ein verallgemeinertes Verfahren zum Betreiben einer Leistungserfassungsschaltung gemäß dieser Offenbarung. Das vollständige Verfahren kann während einer Inbetriebnahme eines Systems oder einer IC durchgeführt werden, das/die eine Ausführungsform der vorstehend erörterten Leistungserfassungsschaltung einschließt, oder als Reaktion auf einen Spannungsabfall, der ein Umschalten der Bandlückenleistungsquelle von der geregelten Versorgungsspannung zurück auf die zweite (verstärkte) Versorgungsspannung bewirkt. Darüber hinaus können zusätzliche Verfahren zum Betreiben einzelner Schaltungen innerhalb einer Ausführungsform einer Leistungserfassungsschaltung auch innerhalb oder in Verbindung mit dem Verfahren 700, wie hierin beschrieben, durchgeführt werden. Einige dieser Verfahren werden nachstehend erläutert.
8 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Spannungsüberwachungsschaltung veranschaulicht. Verfahren 80 kann unter Verwendung verschiedener Ausführungsformen einer Spannungsschaltung, wie hierin erörtert, sowie mit Ausführungsformen, die hierin nicht explizit erörtert sind, aber dennoch in den Schutzumfang dieser Offenbarung fallen, durchgeführt werden. Während das Verfahren 800 in Verbindung mit dem Betrieb einer Leistungserfassungsschaltung, wie hierin erörtert, durchgeführt werden kann, ist es ferner möglich und wird in Betracht gezogen, dass das Verfahren 800 auch in anderen Anwendungen durchgeführt werden kann.
Verfahren 80 beginnt mit der Bereitstellung einer ersten (externen) Versorgungsspannung an eine Spannungsüberwachungsschaltung, die eine Schaltung zur Erfassung niedriger Spannung (LV) und eine Schaltung zur Erfassung sehr niedriger Spannung (VLV) einschließt (Block 805). Das Verfahren schließt ferner das Halten des Ausgangssignals der Spannungsüberwachungsschaltung (bereitgestellt durch die VLV-Schaltung) in einem deaktivierten Zustand ein, unabhängig von einer Ausgabe der LV-Erfassungsschaltung, wenn die erste Versorgungsspannung kleiner ist als ein erster Schwellenwert (Block 810). Es wird darauf hingewiesen, dass in einer Ausführungsform die LV-Erfassungsschaltung und die VLV-Erfassungsschaltung in einer kaskadierten Konfiguration angeordnet sind, wobei die LV-Erfassungsschaltung ihr Ausgangssignal an die VLV-Erfassungsschaltung bereitstellt. Wenn die erste Versorgungsspannung unter einem bestimmten Pegel liegt, kann nicht garantiert werden, dass sich das von der LV-Erfassungsschaltung bereitgestellte Ausgangssignal in einem korrekten Zustand befindet. Dementsprechend ist die VLV-Erfassungsschaltung so angeordnet, dass sich ihr Ausgangssignal aufgrund einer niedrigen Versorgungsspannung auch dann im korrekten Zustand befindet wird, wenn das der LV-Erfassungsschaltung es nicht ist.
Wenn die Spannung den ersten Schwellenwert überschreitet, wird ein Ausgangssignal von der VLV-Erfassungsschaltung basierend auf einer Eingabe bereitgestellt, die von der LV-Erfassungsschaltung empfangen wird (Block 815). Wenn die Spannung ansteigt, kann sie schließlich einen zweiten Schwellenwert überschreiten. Wenn die Spannung den zweiten Schwellenwert überschreitet, wird ein Ausgangssignal von der VLV-Erfassungsschaltung basierend auf einer von der LV-Erfassungsschaltung empfangenen Eingabe aktiviert (Block 820).
Bei Verwendung in einer Ausführungsform einer Leistungserfassungsschaltung, wie der in 1 gezeigten, kann die Spannungsüberwachungsschaltung Schalter steuern, die verwendet werden, um zu bestimmen, welche Leistungsversorgung (z. B., eine verstärkte Versorgung und eine geregelte Versorgung) einer Bandlückenschaltung bereitgestellt werden. Dementsprechend sind Verfahrensausführungsformen möglich und werden in Betracht gezogen, die eine Spannungsüberwachungsschaltung einschließen, die Schalter steuert, um Leistungsversorgungen mit einer Bandlückenschaltung zu koppeln/zu entkoppeln.
9 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Bandlückenschaltung veranschaulicht. Verfahren 90, wie hier gezeigt, kann mit verschiedenen Ausführungsformen der vorstehend erörterten Bandlückenschaltung verwendet werden. Während das Betriebsverfahren innerhalb des Kontexts der hierin offenbarten Leistungserfassungsschaltung durchgeführt werden kann, sind Verfahren 90 (und die Bandlückenschaltung selbst) nicht auf solche Anwendungen beschränkt. Ferner können Ausführungsformen einer Bandlückenschaltung, die hierin nicht explizit erörtert werden, aber dennoch in der Lage sind, das Verfahren 90 durchzuführen, in den Schutzumfang dieser Offenbarung fallen.
Das Verfahren 90 beginnt damit, in einer Bandlückenschaltung jeweils eine Anzahl von Strömen in einer entsprechenden Anzahl von Schaltungszweigen zu erzeugen (Block 905). Mit Hilfe einer Zerhackerschaltung, die von einem Sequenzgenerator gesteuert wird, fährt das Verfahren 90 mit der Auswahl der verschiedenen Schaltkreiszweige in einer Sequenz fort (Block 910). Die verschiedenen Schaltungszweige können eine Stromspiegelschaltlogik bilden, wobei ein Zweig den Referenzstrom festlegt. Während des Betriebs kann der Zerhackungsvorgang das Zerhacken des Referenzstromzweigs einschließen.
Basierend auf dem vorstehend beschriebenen Zerhackungsvorgang schließt das Verfahren 90 ferner das Erzeugen einer oder mehrerer Spannungen in der Bandlückenschaltung ein (Block 915). Das Verfahren schließt ferner das Filtern mindestens einer Spannung, die von der Bandlückenschaltung erzeugt wird, um Welligkeit zu eliminieren, die von der Zerhackerschaltung induziert wird, und das Ausgeben dieser Spannung von der Bandlückenschaltung ein (Block 920).
10 ist ein Flussdiagramm, das die Funktionsweise einer Ausführungsform einer Anlaufschaltung veranschaulicht. Verfahren 100 kann mit verschiedenen Ausführungsformen der vorstehend beschriebenen Anlaufschaltung durchgeführt werden. Obwohl das Betriebsverfahren innerhalb des Kontexts der hierin offenbarten Leistungserfassungsschaltung durchgeführt werden kann, ist das Verfahren (sowie die Schaltung selbst) nicht auf eine solche Anwendung beschränkt. Darüber hinaus können Anlaufschaltungen, die das Verfahren 100 durchführen können, aber hierin nicht explizit erörtert werden, in den Schutzumfang dieser Offenbarung fallen.
Verfahren 100 schließt die Erzeugung eines ersten Stroms in einem ersten Zweig einer Anlaufschaltung ein (Block 105). Das Verfahren schließt ferner das Erzeugen eines zweiten Stroms in einem zweiten Zweig einer Anlaufschaltung als Reaktion darauf, dass eine externe Versorgungsspannung eine Transistorschwellenspannung überschreitet, ein (Block 110). Das Bereitstellen von Strom von zwei Stromzweigen kann der Schaltung, mit der die Anlaufschaltung gekoppelt ist, zusätzlichen Strom bereitstellen, wodurch der Anlaufprozess beschleunigt wird. Verfahren 100 schließt ferner das Unterbrechen der Erzeugung des zweiten Stroms ein, nachdem eine Verzögerungszeit abgelaufen ist. Die Erzeugung des ersten Stroms kann unterbrochen werden, nachdem mindestens eine der Anlaufschaltung bereitgestellte Bandlückenschaltungsspannung einen Schwellenwert überschritten hat.
Beispielsystem:
Als nächstes wird auf 11 Bezug genommen, in der ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Systems 150 gezeigt ist. In der veranschaulichten Ausführungsform schließt das System 150 mindestens eine Instanz einer integrierten Schaltung 10 ein, die mit einem externen Speicher 158 gekoppelt ist. Die integrierte Schaltung 10 kann eine Speichersteuerung einschließen, die mit dem externen Speicher 158 gekoppelt ist. Die integrierte Schaltung 10 ist mit einem oder mehreren Peripheriegeräten 154 und dem externen Speicher 158 gekoppelt. Es wird zudem eine Stromversorgung 156 bereitgestellt, die der integrierten Schaltung 10 die Versorgungsspannungen sowie dem Speicher 158 und/oder den Peripheriegeräten 154 eine oder mehrere Versorgungsspannungen zuführt. In einigen Ausführungsformen kann mehr als eine Instanz der integrierten Schaltung 10 eingeschlossen sein (und es kann auch mehr als ein externer Speicher 158 eingeschlossen sein).
Die Peripheriegeräte 154 können jede gewünschte Schaltlogik einschließen, abhängig von der Art des Systems 150. Zum Beispiel kann in einer Ausführungsform das System 150 eine mobile Vorrichtung (z. B. ein persönlicher digitaler Assistent (PDA), ein Smartphone usw.) sein, und die Peripheriegeräte 154 können Vorrichtungen für verschiedene Arten von drahtloser Kommunikation einschließen, wie WiFi, Bluetooth, Mobilfunk, globales Positionsbestimmungssystem usw. Die Peripheriegeräte 154 können auch zusätzlichen Speicher einschließen, einschließlich RAM-Speicher, Halbleiterspeicher oder Plattenspeicher. Die Peripheriegeräte 154 können Benutzerschnittstellenvorrichtungen, wie einen Anzeigebildschirm, einschließlich Touchscreens oder Multitouch-Bildschirme, Tastatur- oder anderen Eingabevorrichtungen, Mikrofonen, Lautsprechern usw., einschließen. In anderen Ausführungsformen kann das System 150 eine beliebige Art von Rechensystem sein (z. B. Desktop-Personal-Computer, Laptop, Workstation, Tablet usw.).
Verschiedene Ausführungsformen der IC 10 und/oder Peripheriegeräte 154 können eine Leistungserfassungsschaltlogik einschließen, wie vorstehend erörtert. Ferner können mehrere Instanzen der vorstehend erörterten Leistungserfassungsschaltlogik (und verschiedene Ausführungsformen davon) innerhalb des Systems 150 implementiert sein.
Der externe Speicher 158 kann jeden beliebigen Speichertyp einschließen. Zum Beispiel kann der externe Speicher 158 SRAM, dynamischer RAM (DRAM), wie synchroner DRAM (SDRAM), SDRAM mit doppelter Datenübertragungsrate (DDR, DDR2, DDR3, LPDDR1, LPDDR2 usw.), RAMBUS DRAM etc. sein. Der externe Speicher 158 kann ein oder mehrere Speichermodule einschließen, an denen die Speichervorrichtungen angebracht sind, wie Speichermodule mit einer Kontaktreihe (SIMMs), Speichermodule mit zwei Kontaktreihen (DIMMs) usw.
Zahlreiche Variationen und Modifikationen werden für den Fachmann ersichtlich, sobald die vorstehende Offenbarung vollständig verstanden ist. Es ist beabsichtigt, dass die folgenden Ansprüche derart interpretiert werden, dass alle solchen Variationen und Modifikationen eingeschlossen sind.

Claims

Schaltung, umfassend: eine Spannungsvervielfacherschaltung, die gekoppelt ist, um eine erste Versorgungsspannung zu empfangen, und konfiguriert ist, um eine zweite Versorgungsspannung zu erzeugen, die größer ist als die erste; eine Spannungsreglerschaltung, die gekoppelt ist, um die zweite Versorgungsspannung zu empfangen, und konfiguriert ist, um eine geregelte Ausgangsspannung bereitzustellen; eine Bandlückenschaltung, die gekoppelt ist, um die zweite Versorgungsspannung zu empfangen, wenn ein erster Schalter geschlossen ist, und gekoppelt ist, um die geregelte Versorgungsspannung zu empfangen, wenn ein zweiter Schalter geschlossen ist, wobei die Bandlückenschaltung konfiguriert ist, um eine Referenzspannung zu erzeugen, die der Spannungsreglerschaltung bereitgestellt wird; und einen Komparator, der konfiguriert ist, um die geregelte Versorgungsspannung mit einer oder mehreren Ausgangsspannungen zu vergleichen, die von der Bandlückenschaltung erzeugt werden.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der Spannungsvervielfacher ein Schaltkondensator-Spannungsvervielfacher ist und wobei die Schaltung ferner einen Ringoszillator umfasst, der konfiguriert ist, um ein Taktsignal zu erzeugen und das Taktsignal an den Spannungsvervielfacher bereitzustellen.
Schaltung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Spannungsüberwachungsschaltung, die gekoppelt ist, um die erste Versorgungsspannung zu empfangen, und konfiguriert ist, um zu bewirken, dass einer der ersten oder zweiten Schalter basierend auf einem Spannungspegel der ersten Versorgungsspannung geschlossen wird.
Schaltung nach Anspruch 3, wobei die Spannungsüberwachungsschaltung konfiguriert ist, um ein Schaltsteuersignals als Reaktion darauf, dass die erste Versorgungsspannung unter einem ersten Schwellenpegel liegt, in einem ersten Zustand auszugeben und ferner konfiguriert ist, um das Steuersignals als Reaktion darauf, dass die erste Versorgungsspannung über dem ersten Schwellenpegel liegt, in einem zweiten Zustand auszugeben, wobei der erste Schalter konfiguriert ist, um als Reaktion auf den ersten Zustand des Schaltsteuersignals zu schließen, und wobei der zweite Schalter konfiguriert ist, um als Reaktion auf den zweiten Zustand des Schaltsteuersignals zu schließen.
Schaltung nach Anspruch 4, wobei die Spannungsüberwachungsschaltung eine erste Spannungserfassungsschaltung und eine zweite Spannungserfassungsschaltung, die gekoppelt ist, um ein Ausgangssignal von der ersten Spannungserfassungsschaltung zu empfangen, einschließt.
Schaltung nach Anspruch 5, wobei die zweite Spannungserfassungsschaltung konfiguriert ist, um das Schaltsteuersignal im ersten Zustand auszugeben, wenn die erste Versorgungsspannung unter einem zweiten Schwellenwert liegt, unabhängig von dem Ausgangssignal, das von der ersten Spannungserfassungsschaltung empfangen wird, und ferner konfiguriert ist, um das Schaltsteuersignal in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal der ersten Spannungserfassungsschaltung entweder im ersten oder im zweiten Zustand auszugeben, wenn die erste Versorgungsspannung über dem zweiten Schwellenwert liegt.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Bandlückenschaltung ein Filter einschließt, das gekoppelt ist, um eine Ausgangsspannung bereitzustellen, die durch die Bandlückenschaltung erzeugt wird.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Bandlückenschaltung Folgendes einschließt: Stromspiegelschaltlogik mit einer Vielzahl von Zweigen; eine Zerhackerschaltung; und einen Sequenzgenerator, der konfiguriert ist, um die Zerhackerschaltung zu veranlassen, jeden der Vielzahl von Zweigen in einer Sequenz auszuwählen.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Bandlückenschaltung eine Anlaufschaltung einschließt, die konfiguriert ist zum: Erzeugen eines ersten Stroms als Reaktion darauf, dass eine Ausgangsspannung der Bandlückenschaltung unter eine erste Schwellenspannung fällt; Erzeugen eines zweiten Stroms als Reaktion darauf, dass die erste Versorgungsspannung eine Transistorschwellenspannung überschreitet; und Unterbrechen des Erzeugens des zweiten Stroms zu einer Verzögerungszeit nach dem Initiieren der Erzeugung des zweiten Stroms.
Verfahren, umfassend: eine Spannungsvervielfacherschaltung empfängt eine erste Versorgungsspannung und erzeugt eine zweite Versorgungsspannung basierend auf der ersten Versorgungsspannung, wobei die zweite Versorgungsspannung größer ist als die erste Versorgungsspannung; eine Spannungsreglerschaltung empfängt die zweite Versorgungsspannung und erzeugt eine geregelte Ausgangsspannung; Bereitstellen der zweiten Versorgungsspannung an eine Bandlückenschaltung als Reaktion darauf, dass die erste Versorgungsspannung unter einem ersten Schwellenwert liegt; als Reaktion darauf, dass die erste Versorgungsspannung den ersten Schwellenwert überschreitet, Bereitstellen der geregelten Versorgungsspannung an die Bandlückenschaltung und Unterbrechen des Bereitstellens der zweiten Versorgungsspannung an die Bandlückenschaltung, Vergleichen, unter Verwendung einer Komparatorschaltung, der geregelten Versorgungsspannung mit mindestens einer Ausgangsspannung, die von der Bandlückenschaltung bereitgestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: eine Spannungsüberwachungsschaltung empfängt die erste Versorgungsspannung; der Spannungswächter aktiviert einen ersten Schalter und hält einen zweiten Schalter inaktiv, wenn die erste Versorgungsspannung unter dem ersten Schwellenwert liegt; wobei der Spannungswächter den zweiten Schalter aktiviert und den ersten Schalter inaktiv hält, wenn die erste Versorgungsspannung auf einem Pegel ist, der gleich oder größer als die erste Schwellenspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend, dass ein Filter in der Bandlückenschaltung einen Filtervorgang an der mindestens einen Ausgangsspannung durchführt, die von der Bandlückenschaltung erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: Erzeugen, in der Bandlückenschaltung, einer Vielzahl von Strömen, wobei jeder der Vielzahl von Strömen in einem entsprechenden einer Vielzahl von Zweigen der Bandlückenschaltung erzeugt wird; Auswählen, unter Verwendung einer Zerhackerschaltung, eines jeden der Vielzahl von Zweigen in einer Sequenz, die durch einen Sequenzgenerator bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, ferner umfassend: Erzeugen, in einer Anlaufschaltung, eines ersten Stroms als Reaktion darauf, dass eine Ausgangsspannung der Bandlückenschaltung unter eine erste Schwellenspannung fällt; Erzeugen, in der Anlaufschaltung, eines zweiten Stroms als Reaktion darauf, dass die erste Versorgungsspannung eine Transistorschwellenspannung überschreitet; und Unterbrechen des Erzeugens des zweiten Stroms zu einer Verzögerungszeit nach dem Initiieren der Erzeugung des zweiten Stroms.
Integrierte Schaltung, umfassend: eine Leistungsverwaltungsschaltung; und eine Leistungserfassungsschaltung, die mit der Leistungsverwaltungsschaltung gekoppelt ist, wobei die Leistungserfassungsschaltung Folgendes einschließt: einen Spannungsvervielfacher, der gekoppelt ist, um eine externe Versorgungsspannung zu empfangen, und konfiguriert ist, um eine verstärkte Versorgungsspannung zu erzeugen, die eine Größe aufweist, die größer ist als die externe Versorgungsspannung; einen Spannungsregler, der gekoppelt ist, um die verstärkte Versorgungsspannung zu empfangen, und konfiguriert ist, um eine geregelte Versorgungsspannung auszugeben; eine Bandlückenschaltung, die konfiguriert ist, um mindestens eine Ausgangsspannung zu erzeugen, und ferner konfiguriert ist, um eine Referenzspannung zu erzeugen, die dem Spannungsregler bereitgestellt wird, wobei die Bandlückenschaltung gekoppelt ist, um eine der externen oder geregelten Versorgungsspannungen jeweils in Abhängigkeit davon zu empfangen, ob ein erster oder ein zweiter Schalter geschlossen ist; und eine Komparatorschaltung, die konfiguriert ist, um die geregelte Versorgungsspannung mit der mindestens einen Ausgangsspannung zu vergleichen; wobei die Leistungsverwaltungsschaltung konfiguriert ist, um eine Leistungssteuerungsaktion in Reaktion darauf durchzuführen, dass die Komparatorschaltung anzeigt, dass die geregelte Versorgungsspannung kleiner ist als die mindestens eine Ausgangsspannung.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 15, wobei die Leistungserfassungsschaltung eine Spannungsüberwachungsschaltung einschließt, die gekoppelt ist, um die externe Versorgungsspannung zu empfangen, wobei die Spannungsüberwachungsschaltung konfiguriert ist zum: Bewirken, dass der erste Schalter geschlossen ist und der zweite Schalter offen ist, als Reaktion auf das Bestimmen, dass ein Stromwert der externen Versorgungsspannung kleiner ist als ein erster Schwellenwert; und Bewirken, dass der zweite Schalter geschlossen ist und der erste Schalter geöffnet ist, als Reaktion auf das Bestimmen, dass der Stromwert der externen Versorgungsspannung gleich oder größer als der erste Schwellenwert ist.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 15, wobei die Bandlückenschaltung Folgendes einschließt: Stromspiegelschaltlogik mit einer Vielzahl von Zweigen; eine Zerhackerschaltung; und einen Sequenzgenerator, der konfiguriert ist, um die Zerhackerschaltung zu veranlassen, jeden der Vielzahl von Zweigen in einer Sequenz auszuwählen.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 15, wobei die Bandlückenschaltung eine Anlaufschaltung einschließt, die gekoppelt ist, um die externe Versorgungsspannung und die verstärkte Versorgungsspannung zu empfangen, wobei die Anlaufschaltung konfiguriert ist zum: Erzeugen eines ersten Stroms in einem ersten Zweig der Anlaufschaltung als Reaktion darauf, dass die externe Versorgungsspannung unter eine erste Schwellenspannung fällt; Erzeugen eines zweiten Stroms in einem zweiten Zweig der Anlaufschaltung als Reaktion darauf, dass die externe Versorgungsspannung eine Transistorschwellenspannung überschreitet; und Unterbrechen des Erzeugens des zweiten Stroms zu einer Verzögerungszeit nach dem Initiieren der Erzeugung des zweiten Stroms.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 15, wobei die Bandlückenschaltung ein Filter mit geschalteten Kondensatoren einschließt, das gekoppelt ist, um die mindestens eine Ausgangsspannung von der Bandlückenschaltung bereitzustellen.
Integrierte Schaltung nach Anspruch 15, wobei der Spannungsvervielfacher eine Schaltkondensator-Spannungsvervielfacherschaltung ist und wobei die Leistungserfassungsschaltung ferner einen Ringoszillator einschließt, der konfiguriert ist, um ein periodisches Signal zu erzeugen und an den Spannungsvervielfacher bereitzustellen.