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HINTERGRUND
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TECHNISCHES GEBIET
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Die Offenbarung ist auf elektronische Schaltungen gerichtet und genauer auf Spannung sreglerschaltungen.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
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Spannungsregler werden üblicherweise in einer großen Vielfalt von Schaltungen verwendet, um bestimmten Schaltungen eine gewünschte Spannung bereitzustellen. Zu diesem Zweck ist eine große Vielfalt von Spannungsreglerschaltungen verfügbar, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind. Lineare Spannungsregler werden in einer Reihe verschiedener Anwendungen verwendet, in denen die verfügbaren Versorgungsspannungen einen geeigneten Wert für die zu speisende Schaltungsanordnung überschreiten. Eine andere Art von Spannungsregler ist ein im Schaltbetrieb arbeitender Spannungsregler, häufiger als Schaltnetzteil oder alternativ als Gleichspannungswandler bezeichnet. Schaltnetzteile können in zwei Kategorien unterteilt werden: Abwärtswandler und Aufwärtswandler. Bei einem Abwärtswandler wird eine Eingangsspannung von seiner Einspeisung bis zu seiner Last heruntertransformiert, während der Strom zunimmt. Bei einem Aufwärtswandler wird die Eingangsspannung von seiner Einspeisung bis zu seiner Last hochtransformiert, während der Strom abnimmt.
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Ein einfaches Schaltnetzteil schließt einen Schalter, ein Energiespeicherungselement (wie einen Induktor) und eine Diode ein. Der Betrieb bei einem einfachen Schaltnetzteil schließt einen eingeschalteten Zustand (wenn der Schalter geschlossen ist) und einen ausgeschalteten Zustand (wenn der Schalter geöffnet ist) ein. Während des eingeschalteten Zustandes beginnt das Energiespeicherungselement, Energie zu speichern. Wenn zum Beispiel das Energiespeicherungselement ein Induktor ist, nimmt der Strom zu und als Reaktion darauf erzeugt der Induktor über seinen Anschlüssen eine entgegengesetzte Spannung. Während des ausgeschalteten Zustands ist der Schalter geöffnet, und der Induktor wird zu einer Stromquelle. Über die Zeit beläuft sich die sich ändernde Spannung des Schaltnetzteils im Durchschnitt auf eine - im Wesentlichen - Gleichspannung.
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KURZDARSTELLUNG
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Offenbart wird ein Spannungsregler mit einer Mehrpegel-, Mehrphasen-Architektur. In einer Ausführungsform schließt eine Schaltung einen Zwei-Pegel-Abwärtswandler und einen N-Pegel-Abwärtswandler ein, die jeweils mit einem Ausgangsknoten gekoppelt sind, wobei N ein ganzzahliger Wert von drei oder mehr ist. Während des Betriebs stellt der Zwei-Pegel-Abwärtswandler einem ersten Induktor eine von zwei möglichen Spannungen bereit. Der N-Pegel-Abwärtswandler stellt während des Betriebs einem zweiten Induktor eine von N Spannungen bereit. Der erste und der zweite Induktor wandeln jeweils jeweilige empfangene Spannungen in Ströme um, die einem gemeinsamen Ausgangsknoten bereitgestellt werden. Eine Regelschaltung regelt die Aktivierung von Transistoren jeweils in dem Zwei-Pegel- und N-Pegel-Abwärtswandler derart, dass die Spannung an dem Ausgangsknoten auf einem gewünschten Pegel gehalten wird.
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In verschiedenen Ausführungsformen kann die Schaltung mehrere Exemplare des Zwei-Pegel-Abwärtswandlers, des N-Pegel-Abwärtswandlers oder beider einschließen.
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Manche Ausführungsformen können auch einen oder mehrere M-Pegel-Abwärtswandler einschließen, die mit dem Ausgangsknoten gekoppelt sind, wobei M ein ganzzahliger Wert von drei oder mehr ist und sich von N unterscheidet.
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Figurenliste
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Die folgende detaillierte Beschreibung nimmt Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, die nun kurz beschrieben werden.
- 1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines hybriden Abwärtswandlers mit einem Zwei-Pegel-Abwärtswandler und einem N-Pegel-Abwärtswandler.
- 2 ist ein Schaltschema einer Ausführungsform eines hybriden Wandlers mit einem Zwei-Pegel-Abwärtswandler und einem N-Pegel-Abwärtswandler.
- 3 veranschaulicht die Zeitsteuerung des Betriebs für verschiedene Ausführungsformen eines Abwärtswandlers.
- 4 ist ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform eines hybriden Abwärtswandlers.
- 5 ist ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform eines hybriden Abwärtswandlers.
- 6 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer Ausführungsform eines hybriden Abwärtswandlers veranschaulicht.
- 7 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Beispielsystems.
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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 soll diese Anmeldung alle Modifikationen, Äquivalente und Alternativen abdecken, die innerhalb des Geistes und Schutzumfangs der Offenbarung der vorliegenden Anmeldung liegen, wie durch die beiliegenden Ansprüche definiert.
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Diese Offenbarung schließt Bezugnahmen auf „eine Ausführungsform“, „eine bestimmte Ausführungsform“, „manche Ausführungsformen“ oder „verschiedene Ausführungsformen“ ein. Wenn die Wendungen „in einer Ausführungsform“, „in einer bestimmten Ausführungsform“, „in manchen 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.
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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 Schaltungsanordnung 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.
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Der Begriff „konfiguriert, um“ soll nicht „konfigurierbar, um“ bedeuten. Ein unprogrammiertes FPGA würde zum Beispiel nicht als „konfiguriert, um“ eine bestimmte Funktion durchzuführen, betrachtet werden, obwohl es „konfigurierbar, um“ diese Funktion nach einer Programmierung durchzuführen, sein kann.
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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.
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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 zum Teil auf.
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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.
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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.
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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.
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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 manchen Fällen wurden allgemein bekannte Schaltungen, Strukturen, Signale, Computerprogrammanweisungen und Techniken nicht im Detail dargestellt, um ein Verunklaren der offenbarten Ausführungsformen zu vermeiden.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Die vorliegende Offenbarung ist auf einen hybriden Abwärtswandler gerichtet, der Mehrphasen- und Mehrpegel-Elemente einschließt. Herkömmliche Mehrphasen-Abwärtswandler sind ein Zwei-Pegel-Abwärtswandler, die abhängig von dem Zustand der Schalter darin in dem Induktor zwei unterschiedliche Spannungspegel treiben. Um einen Mehrphasen-Abwärtswandler zu bilden, können mehrere Exemplare eines Zwei-Pegel-Abwärtswandlers in demselben Spannungsregler implementiert werden. Diese Wandler können über dem gesamten Strombereich des Wandlers einen nahezu gleichbleibenden Wirkungsgrad bereitstellen. Mehrpegel-Abwärtswandler, die drei oder mehr Pegel ausgeben und bei niedrigen Strömen effizienter sein können. Hierin werden verschiedene Ausführungsform eines hybriden Spannungsreglers offenbart, der sowohl Zwei-Pegel- als auch N-Pegel-Abwärtswandler aufweist (wobei N ein ganzzahliger Wert von drei oder mehr ist). Die vorliegende Offenbarung zieht auch Ausführungsformen in Betracht, bei denen N-Pegel- und M-Pegel- (wobei M ein ganzzahliger Wert von drei oder mehr und nicht gleich N ist) kombiniert mit einer Zwei-Pegel-Offenbarung ebenfalls möglich und in Betracht gezogen sind.
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1 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines hybriden Spannungsreglers, der einen Zwei-Pegel-Abwärtswandler und einen N-Pegel-Abwärtswandler einschließt. In der gezeigten Ausführungsform schließt der Spannungsregler 100 einen Zwei-Pegel-Abwärtswandler 102, einen N-Pegel-Abwärtswandler 104 (wobei N ein ganzzahliger Wert von drei oder mehr ist) ein, die jeweils mit einem Ausgangsknoten gekoppelt sind, auf den eine Ausgangsspannung, Vout, übertragen wird. Sowohl der 2-Pegel-Abwärtswandler 102 als auch der N-Pegel-Abwärtswandler 104 sind derart gekoppelt, dass sie eine Versorgungsspannung Vdd entgegennehmen, und sind außerdem mit einem Masseknoten (der alternativ mit Vss bezeichnet sein kann) gekoppelt. Der Spannungsregler 100 schließt außerdem eine Regelschaltung 106 ein, die derart gekoppelt ist, dass sie den Schaltbetrieb in jedem der Abwärtswandler in der veranschaulichten Ausführungsform regelt. Eine Rückführschaltung 108 ist zwischen den Ausgangsspannungsknoten und die Regelschaltung 106 gekoppelt und konfiguriert, um ein Rückführsignal, Vfb, zu erzeugen. Der Spannungsregler 100 schließt auch einen Kondensator, VC, ein, der zwischen den Ausgangsknoten und Masse gekoppelt ist. Die von dem Spannungsregler 100 erzeugte Spannung wird einer Lastschaltung 121 bereitgestellt, bei der es sich praktisch um jede Art von Schaltungsanordnung handeln kann, die mittels einer geregelten Versorgungsspannung betrieben werden kann.
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Der Zwei-Pegel-Abwärtswandler 102 ist in der gezeigten Ausführungsform konfiguriert, um abhängig von den Zuständen der Schalter darin eine von zwei unterschiedlichen Spannungen zu erzeugen und diese Spannungen einem Induktor bereitzustellen. Der Induktor integriert die Spannungen in einen Strom, der auf den Ausgangsknoten übertragen wird. Der N-Pegel-Abwärtswandler 104 erzeugt eine von N (z. B. drei) unterschiedlichen Spannungen und stellt diese einem entsprechenden Induktor darin bereit. Ähnlich wie der Zwei-Pegel-Abwärtswandler 102 wandelt ein Induktor darin diese Spannungen in entsprechende Ströme, die auf den Ausgangsknoten übertragen werden. Diese Ströme werden auf dem Ausgangsknoten summiert und werden daraufhin durch den Kondensator VC in eine Spannung zurückgewandelt.
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Die Rückführschaltung 108 ist konfiguriert, um die Ausgangsspannung, Vout, in ein Rückführsignal, Vfb, zu wandeln. Zum Implementieren der Rückführschaltung 108 können verschiedene Schaltungstopologien verwendet werden. Eine beispielhafte Topologie schließt einen ohmschen Spannungsteiler und einen Fehlerverstärker ein. Der Fehlerverstärker kann an einem Eingang eine Spannung von dem ohmschen Spannungsteiler und an einem anderen Eingang eine Referenzspannung empfangen. Die Referenzspannung kann einer gewünschten Ausgangsspannung, Vout, entsprechen. Der Fehlerverstärker kann das Rückführsignal, Vfb, ausgeben, das eine Differenz zwischen der gewünschten und der tatsächlichen Ausgangsspannung angeben kann.
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Die Regelschaltung 106 in der gezeigten Ausführungsform kann das Schalten verschiedener Transistoren in dem Zwei-Pegel-Abwärtswandler 102 und N-Pegel-Abwärtswandler 104 basierend auf dem empfangenen Rückführsignal regeln. Insbesondere kann das Schaltverhältnis der Ein-/Ausschaltzeiten jedes Transistors derart gesteuert werden, dass die Ausgangsspannung, Vout, eingestellt und auf dem gewünschten Wert halten wird. Das Schalten der Transistoren in jedem der Abwärtswandler kann durch ein Taktsignal, Clk, das der Regelschaltung 106 bereitgestellt wird, synchronisiert werden. Die Regelschaltung 106 kann unter Verwendung verschiedenartiger Schaltungsanordnungen implementiert werden, einschließlich (aber nicht beschränkt auf) sequentielle Logikschaltungsanordnungen, kombinatorische Logikschaltungsanordnungen, Analogschaltungsanordnungen und Mischsignalschaltungsanordnungen.
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2 ist ein Schaltschema einer Ausführungsform eines hybriden Wandlers mit einem Zwei-Pegel-Abwärtswandler und einem N-Pegel-Abwärtswandler. In der gezeigten Ausführungsform ist der N-Pegel-Abwärtswandler der Drei-Pegel-Abwärtswandler 204, obgleich die Offenbarung nicht auf diese Anzahl von Pegeln beschränkt ist.
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Der Zwei-Pegel-Abwärtswandler 102 in der gezeigten Ausführungsform schließt einen Pull-up-Transistor P1 und einen Pull-down-Transistor N1 ein. Der Pull-up-Transistor P1 schließt einen Drain-Anschluss, der mit 1×1 gekoppelt ist, und einen Source-Anschluss, der mit dem Spannungsversorgungsknoten Vdd gekoppelt ist, ein. Der Pull-down-Transistor N1 schließt einen Drain-Anschluss, der mit dem Knoten 1×1 gekoppelt ist, und einen Source-Anschluss, der mit Masse (oder Vss) gekoppelt ist, ein. Der Gate-Anschluss von P1, ein Knoten pg, ist mit einem Ausgang eines optionalen Puffers B1 gekoppelt, während der Gate-Anschluss von N1, ng, mit dem Ausgang eines anderen optionalen Puffers B3 gekoppelt ist. Beide Puffer B2 und B3 sind mit einem Ausgang eines weiteren optionalen Puffers B 1 gekoppelt, der einen Eingang aufweist, der mit einer weiteren Schaltungsanordnung innerhalb der Regelschaltung 106 gekoppelt ist. Ein Induktor L1 des Zwei-Pegel-Abwärtswandlers 102 ist an einem Anschluss mit dem Knoten 1×1 gekoppelt und an dem anderen Anschluss mit dem Ausgangsknoten, Vout, gekoppelt.
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Der Drei-Pegel-Abwärtswandler 204 in der gezeigten Ausführungsform schließt einen Pull-up-Stapel einschließlich der Transistoren P2 und P3 und einen Pull-down-Stapel einschließlich der Transistoren N2 und N3 ein. Der Drain-Anschluss von P3 ist mit einem Knoten 1×2 gekoppelt, während der Source-Anschluss von P3 und der Drain-Anschluss von P2 aneinandergekoppelt sind. Der Source-Anschluss von P2 ist mit dem Versorgungsspannungsknoten Vdd gekoppelt. In Hinblick auf den Pull-down-Stapel ist der Drain-Anschluss von N2 mit dem Knoten 1×2 gekoppelt, während der Source-Anschluss von N2 mit dem Drain-Anschluss von N3 gekoppelt ist. Der Source-Anschluss von N3 ist mit Masse oder Vss gekoppelt. Ein Induktor L2 weist einen ersten Anschluss auf, der mit dem Knoten 1×2 gekoppelt ist, und einen zweiten Anschluss, der mit dem Ausgangsknoten, Vout, gekoppelt ist. Der Drei-Pegel-Abwärtswandler 204 schließt außerdem einen Kondensator, Cfly, ein, der zwischen den Source-Anschluss von P3 und den Source-Anschluss von N2 gekoppelt ist.
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Während des Betriebs des Zwei-Pegel-Abwärtswandlers 102 ist zu jedem gegebenen Zeitpunkt nur einer der Transistoren P1 oder P2 aktiv. Wenn ein hoher Pegel (high) in den Puffer B 1 eingegeben wird (und sich somit zu den Gate-Anschlüssen von P1 und N1 fortpflanzt), ist der Transistor N1 aktiv, während P1 inaktiv ist. Wenn N1 aktiv ist, wird die Spannung an dem Knoten 1×1 auf Masse/Vss heruntergezogen. In dem Induktor L1 gespeicherte Energie kann über N1 zu Masse/Vss entladen werden. Zwischenzeitlich wird über dem Induktor L1 eine entgegengesetzte Spannung aufgebaut. Wenn ein niedriger Pegel (low) in den Puffer B 1 eingegeben wird, wird der Transistor P1 aktiviert, während der Transistor N1 ausgeschaltet wird. Wenn P1 aktiv ist, wird der Knoten 1×1 in Richtung auf Vdd hochgezogen. Der Induktor L1 gibt Strom an den Ausgangsknoten ab, während über dem Induktor eine entgegengesetzte Spannung aufgebaut wird.
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Die Regelschaltung 106 kann den Strom einstellen, der dem Ausgangsknoten von dem Zwei-Pegel-Abwärtswandler 102 bereitgestellt wird, indem sie sein Schaltverhältnis anpasst, z. B. durch Ändern der Zeitdauer innerhalb eines gegebenen Zyklus, in der jeder Transistor aktiv ist. Dies kann ein entsprechendes Einstellen der Spannung an dem Ausgangsknoten Vout bewirken.
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Der Drei-Pegel-Abwärtswandler 204 in der gezeigten Ausführungsform kann eine von drei unterschiedlichen Spannungen - null Volt, Vdd und eine dritte Spannung basierend auf der Spannung über dem Kondensator, Cfly, ausgeben. Die Spannung an dem Knoten 1×2 kann in Richtung auf Masse/Vss heruntergezogen werden, wenn beide Transistoren des Pull-down-Stapels, N2 und N3, aktiv sind. Die Spannung an dem Knoten 1×2 kann in Richtung auf Vdd gezogen werden, wenn beide Transistoren des Pull-up-Stapels, P2 und P3, aktiv sind. Wenn die Transistoren des Drei-Pegel-Abwärtswandlers mit einem Schaltverhältnis von 50 % geschaltet werden, beträgt die dritte Spannung an 1×2, nämlich die Spannung über Cfly, Vdd/2. Wie nachstehend in weiterer Detaillierung erörtert wird, kann diese dritte Spannung durch Variieren des Schaltverhältnisses der Transistoren in dem Drei-Pegel-Abwärtswandler 204 eingestellt werden. Wie bei der vorstehend erörterten Ausführungsform kann der Strom in 1×2 zu einem gegebenen Zeitpunkt mit der Spannung an dem Knoten variieren. In ähnlicher Weise kann der Induktor L2 abhängig von den Schaltzuständen der Transistoren Strom in einer Richtung oder einer anderen abgeben, wobei über dem Induktor eine entgegengesetzte Spannung aufgebaut wird.
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Die von dem Zwei-Pegel-Abwärtswandler 102 und dem Drei-Pegel-Abwärtswandler 204 erzeugten Ströme summieren sich in dem Ausgangsknoten Vout. Aufgrund des Vorhandenseins des Kondensators VC können sich die Ströme und somit die Spannung an diesem Knoten im Durchschnitt auf eine Gleichspannung belaufen, die der Lastschaltung 121 bereitgestellt wird.
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Die Zeitsteuerung des Betriebs von Ausführungsformen der vorstehend erörterten Abwärtswandler sind in 3 gezeigt. In dem obersten Zeitdiagramm ist die Zeitsteuerung einer Ausführungsform eines Zwei-Pegel-Abwärtswandlers gezeigt, der bei einem Schaltverhältnis von 50 % betrieben wird. Die beiden unteren Zeitdiagramme veranschaulichen den Betrieb einer Ausführungsform eines Drei-Pegel-Abwärtswandlers, wobei Schaltverhältnisse von weniger als 50 % und mehr als 50 % gezeigt sind.
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Bei dem Beispiel des Zwei-Pegel-Abwärtswandlers oben in der graphischen Darstellung entsprechen die Knoten pg und ng den Gate-Anschlüssen des Transistors P1 bzw. N1 der in 2 gezeigten Ausführungsform des Zwei-Pegel-Abwärtswandlers 102. Die aus diesen Schaltzuständen resultierende Spannung an dem Knoten 1×1 ist ebenfalls veranschaulicht. Wenn pg und ng beide auf niedrigem Pegel (low) sind, ist der Transistor P1 aktiv und N1 ist inaktiv. Die Spannung an 1×1 wird somit in Richtung auf Vdd hochgezogen. Wenn pg und ng beide auf hohem Pegel (high) sind, wird der Transistor P1 ausgeschaltet, während der Transistor N1 eingeschaltet wird. Die Spannung an 1×1 wird somit in Richtung auf Masse/Vss heruntergezogen.
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Bezüglich der Veranschaulichungen, die auf den Drei-Pegel-Abwärtswandlers gerichtet sind, ist anzumerken, dass die Breiten der dargestellten Impulse nicht unbedingt maßstabsgetreu sind. Dennoch sind die gezeigten Zustände diejenigen, die die Schaltung bei dem jeweils ausgewiesenen Schaltverhältnis durchläuft.
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Die Drei-Pegel-Zustände, die der Ausgabe des Drei-Pegel-Abwärtswandlers 204 entsprechen, sind wie folgt. Einem ersten Zustand, SA, entspricht, dass der Knoten 1×2 gleich Vdd-VCfly ist (wobei VCfly die Spannung über dem Kondensator Cfly ist), wobei der Stromfluss von Vdd durch Cfly und L2 zu dem Ausgangsknoten Vout erfolgt. Dem SB-Zustand entspricht 1×2 gleich Vss, mit dem Strompfad von Vss durch L2 zu Vout. Dem SC-Zustand entspricht, dass die Spannung über 1×2 gleich der Spannung über Cfly ist, wobei der Strompfad von Vss durch Cfly und L2 bis Vout verläuft. Dem SD-Zustand entspricht, dass die Spannung an 1×2 gleich Vdd ist, wobei der Strompfad von Vdd durch L2 zu Vout verläuft. Die Zustände können auch als bestimmte Transistorkonfigurationen (ein/aus) beschrieben werden. Zum Beispiel entspricht dem SB-Zustand, dass die Transistoren N2 und N3 eingeschaltet sind, wobei P2 und P3 ausgeschaltet sind (und somit der Pull-down-Pfad vollständig aktiviert ist). In ähnlicher Weise entspricht dem SD-Zustand, dass die Transistoren N2 und N3 ausgeschaltet sind, während P2 und P3 beide eingeschaltet sind (und somit der Pull-up-Pfad vollständig aktiviert ist). Diese Transistorkonfigurationen sind in den Zeitdiagrammen in Verbindung mit ihren jeweiligen Zuständen beschrieben.
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In dem Zeitdiagramm, das einem Schaltverhältnis von weniger als 50 % entspricht, variiert die Spannungen an dem Knoten 1×2 zwischen einem niedrigen Pegel (low) von Vss und Vdd-VCfly, wobei VCfly der dritte Spannungspegel ist, der in diesem Fall niedriger als Vdd/2 ist. Der SA-Zustand tritt auf, wenn beide Transistoren P2 und N2 ein sind, während P3 und N3 aus sind. Der nächste Zustand, SB, tritt auf, wenn sowohl P2 als auch P3 ausgeschaltet sind, während N2 und N3 beide eingeschaltet sind. Der SC-Zustand folgt und tritt auf, wenn P2 und N2 ausgeschaltet sind, während P3 und N3 eingeschaltet ist. Der Endzustand in dem Zyklus ist SB. Bei fortgesetztem Betrieb kann sich danach der Zyklus wiederholen.
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In dem Zeitdiagramm, das einem Schaltverhältnis größer als 50 % entspricht, ist der Zyklus wie folgt. Der erste in dem Zyklus erzeugte Zustand ist der SD-Zyklus, der auftritt, wenn P2 und P3 ein sind, während N2 und N3 aus sind. Der nächste Zustand ist der SA-Zustand, wobei P2 und N2 ein sind, während P3 und N3 aus sind. Der SD-Zustand folgt auf den SA-Zustand. Der Endzustand in dieser Sequenz ist der SC-Zustand, der bei ausgeschalteten Transistoren P2 und N2, während P3 und N3 eingeschaltet sind, auftritt.
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4 ist ein Blockdiagramm einer anderen Ausführungsform eines Spannungsreglers mit mehreren Exemplaren sowohl von Zwei-Pegel- als auch von N-Pegel-Abwärtswandlern. In der gezeigten Ausführungsform schließt der Spannungsregler 400 zwei Exemplare eines Zwei-Pegel-Abwärtswandlers 102 und zwei Exemplare eines N-Pegel-Abwärtswandlers 104 ein. Allgemeinen gesprochen, kann ein Spannungsregler gemäß der vorliegenden Offenbarung mit einer beliebigen Anzahl von 2-Pegel-Abwärtswandlern 102 und einer beliebigen Anzahl von N-Pegel-Abwärtswandlern implementiert werden. Des Weiteren kann die Regelschaltung 106 in solchen Ausführungsformen die Schaltsequenzen unabhängig regeln, da jeder der Abwärtswandler voneinander unabhängig geschaltet werden kann. Somit können die Zwei-Pegel-Abwärtswandler Schalter sein, die sich voneinander unterscheidende Schaltverhältnisse verwenden. In ähnlicher Weise können die zwei N-Pegel-Abwärtswandler 104 mit sich voneinander unterscheidenden Schaltverhältnissen geschaltet werden. In verschiedenen Ausführungsformen kann eine beliebige Anzahl von Zwei-Pegel-Abwärtswandlern 102 und eine beliebige Anzahl von N-Pegel-Abwärtswandlern implementiert werden, je nach den Spezifikationen der jeweiligen Implementierung, in welcher der Spannungsregler 400 verwendet wird.
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5 ist eine andere Ausführungsform eines Spannungsreglers. In dieser besonderen Ausführungsform sind zusätzlich zu mehreren Zwei-Pegel-Abwärtswandlern 102 auch ein N-Pegel-Abwärtswandler 104 und ein M-Pegel-Abwärtswandler 504 eingeschlossen. In diesem Beispiel ist M ebenfalls eine ganze Zahl von drei oder mehr und ist ebenfalls von N verschieden. Zum Beispiel könnte N gleich drei sein, während M gleich fünf sein könnte, und somit würde eine entsprechende Ausführungsform, wie hier gezeigt, sowohl einen Drei-Pegel- als auch einen Fünf-Pegel-Abwärtswandler sowie die Zwei-Pegel-Abwärtswandler 102 einschließen. Des Weiteren sind auch Ausführungsformen möglich und in Betracht gezogen, die mehrere Exemplare des N-Pegel-Abwärtswandlers 104, des M-Pegel-Abwärtswandlers 504 oder beides (zusätzlich zu den Zwei-Pegel-Abwärtswandlern 102) einschließt.
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6 ist ein Flussdiagramm, das den Betrieb einer Ausführungsform eines hybriden Abwärtswandlers veranschaulicht. Ein Verfahren 600 kann unter Verwendung verschiedener Ausführungsformen eines Spannungsreglers, wie vorstehend erörtert und in 1 bis 5 veranschaulicht, durchgeführt werden. Ausführungsformen eines Spannungsreglers, die in dieser Offenbarung nicht explizit erörtert werden, können innerhalb des Schutzumfangs dieser Offenbarung liegen.
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Das Verfahren 600 schließt ein, einen ersten Strom an einem Ausgangsknoten bereitzustellen, wobei der erste Strom durch einen ersten Zwei-Pegel-Abwärtswandler erzeugt wird, alternativ einen von zwei Spannungspegeln zu erzeugen und die zwei Spannungspegel unter Verwendung eines ersten Induktors in den ersten Strom zu wandeln (Block 605). Ferner schließt das Verfahren ein, einen zweiten Strom an dem Ausgangsknoten bereitzustellen, wobei der zweite Strom durch einen ersten N-Pegel-Abwärtswandler erzeugt wird, der einen von N Spannungspegeln in einer vordefinierten Abfolge erzeugt und die N Spannungspegel unter Verwendung eines zweiten Induktors in den zweiten Strom wandelt, wobei N ein ganzzahliger Wert von mindestens drei ist (Block 610). Während der Durchführung des Verfahrens regelt eine Regelschaltung jeweilige Schaltverhältnisse von Transistoren in jeweils dem ersten Zwei-Pegel-Abwärtswandler und dem ersten N-Pegel des Abwärtswandlers basierend auf einem Rückführsignal, das auf einer an dem Ausgangsknoten anliegenden Spannung basiert, und einer gewünschten Spannung (Block 615).
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In verschiedenen Ausführungsformen schließt das Verfahren ein, dass die Regelschaltung ein Schaltverhältnis der Aktivierung verschiedener Transistoren in dem ersten Zwei-Pegel-Abwärtswandler und dem ersten N-Pegel-Abwärtsregler variiert. In manchen Ausführungsformen stellt eine Vielzahl von Zwei-Pegel-Abwärtswandlern entsprechende Ströme an dem Ausgangsknoten bereit, wobei die Vielzahl von Zwei-Pegel-Abwärtswandlern den ersten Zwei-Pegel-Abwärtswandler einschließt. Auch sind Ausführungsformen möglich und in Betracht gezogen, in denen eine Vielzahl von N-Pegel-Abwärtswandlern entsprechende Ströme an dem Ausgangsknoten bereitstellt, wobei die Vielzahl von N-Pegel-Abwärtswandlern den ersten N-Pegel-Abwärtswandler einschließt, sowie diejenigen, die mindestens einen M-Pegel-Abwärtswandler einschließen, der einen entsprechenden Strom an dem Ausgangsknoten bereitstellt, wobei M ein ganzzahliger Wert von drei oder mehr ist und wobei M nicht gleich N ist.
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Als Nächstes zu 7: Gezeigt ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Systems 150. In der veranschaulichten Ausführungsform schließt das System 150 mindestens ein Exemplar 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 einer oder mehreren Peripherieeinheiten 154 und dem externen Speicher 158 gekoppelt. Es wird zudem eine Stromversorgung 156 bereitgestellt, die der integrierten Schaltung 10 die Versorgungsspannungen sowie dem Speicher 158 und/oder den Peripherieeinheiten 154 eine oder mehrere Versorgungsspannungen zuführt. In manchen Ausführungsformen kann mehr als ein Exemplar der integrierten Schaltung 10 eingeschlossen sein (und es kann auch mehr als ein externer Speicher 158 eingeschlossen sein).
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Die Peripherieeinheiten 154 können jede gewünschte Schaltungsanordnung 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 Peripherieeinheiten 154 können Vorrichtungen für verschiedene Arten von drahtloser Kommunikation einschließen, wie WiFi, Bluetooth, Mobilfunk, globales Positionsbestimmungssystem usw. Die Peripherieeinheiten 154 können auch zusätzliche Speicherung einschließen, einschließlich RAM-Speicherung, Solid-State-Speicherung oder Plattenspeicherung. Die Peripherieeinheiten 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.).
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In verschiedenen Ausführungsformen können die integrierte Schaltung 10 und/oder die Peripherieeinheiten 154 Implementierungen der hybriden Gleichspannungswandler, die vorstehend in 1 bis 5 erörtert wurden, einschließen.
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Der externe Speicher 158 kann eine beliebige Art von Speicher 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.
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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.
