DE112020004531T5

DE112020004531T5 - Ldo-spannungsregler mit doppelschleife

Info

Publication number: DE112020004531T5
Application number: DE112020004531.5T
Authority: DE
Inventors: Sujan K. Manohar; Jay B. Fletcher; Nathan F. Hanagami
Original assignee: Apple Inc
Current assignee: Apple Inc
Priority date: 2019-09-25
Filing date: 2020-09-03
Publication date: 2022-06-09
Also published as: US20210089068A1; US11287839B2; WO2021061362A1

Abstract

Es wird ein LDO-Spannungsregler mit Doppelschleife offenbart. Die Spannungsreglerschaltung schließt einen ersten Stromspiegel mit einem ersten und einem zweiten Transistor ein, die Source-Anschlüsse aufweisen, die mit einem Eingangsspannungsknoten gekoppelt sind. Die Schaltung schließt ferner einen zweiten Stromspiegel mit einem dritten und einem vierten Transistor ein, wobei Drain-Anschlüsse des dritten und des vierten Transistors mit Drain-Anschlüssen des ersten bzw. des zweiten Transistors gekoppelt sind. Eine Rückkopplungsschaltung ist zwischen Source-Anschlüssen des dritten und des vierten Transistors gekoppelt und dazu konfiguriert, ein Rückkopplungssignal basierend auf einer Referenzspannung und einer Ausgangsspannung zu erzeugen, die an dem Source-Anschluss des vierten Transistors anliegt. Der erste und der zweite Stromspiegel bilden einen ersten Regelkreis, und wobei der erste und der zweite Stromspiegel und die Rückkopplungsschaltung einen zweiten Regelkreis bilden.

Description

HINTERGRUND
TECHNISCHES GEBIET
Die Offenbarung ist auf elektronische Schaltungen gerichtet und genauer auf Spannungsreglerschaltungen.
BESCHREIBUNG DES STANDS DER TECHNIK
Spannungsregler werden üblicherweise in einer großen Vielfalt von Schaltungen verwendet, um analoge/digitale Schaltungen mit einer gewünschten Spannung mit geringer Restwelligkeit zu versorgen. Zu diesem Zweck steht eine Vielzahl von Spannungsreglerschaltungen zur Verfügung, die für verschiedene Anwendungen geeignet sind. Lineare Spannungsregler werden in einer Reihe verschiedener Anwendungen verwendet, in denen die verfügbaren Versorgungsspannungen einen geeigneten Wert für die zu speisende Schaltung überschreiten. Dementsprechend können lineare Spannungsregler eine Spannung ausgeben, die kleiner als die empfangene Versorgungsspannung ist.
Eine Art von Linearspannungsregler ist der Low Dropout-Regler (LDO). Ein LDO-Spannungsregler kann betrieben werden, um eine Ausgangsspannung bereitzustellen, die sehr nahe an der empfangenen Versorgungsspannung liegt. Darüber hinaus kann die Konstruktion von LDO-Spannungsreglern im Vergleich zu einigen anderen Arten von Spannungsreglern, wie Abwärts- oder Aufwärtswandlern, die ein Umschalten zwischen mehreren Spannungsregelphasen erfordern, relativ einfach sein.
KURZDARSTELLUNG
Es wird ein LDO-Spannungsregler mit Doppelschleife offenbart. In einer Ausführungsform schließt eine Spannungsreglerschaltung einen ersten Stromspiegel mit einem ersten und einem zweiten Transistor ein, die Source-Anschlüsse aufweisen, die mit einem Eingangsspannungsknoten gekoppelt sind. Die Schaltung schließt ferner einen zweiten Stromspiegel mit einem dritten und einem vierten Transistor ein, wobei Drain-Anschlüsse des dritten und des vierten Transistors mit Drain-Anschlüssen des ersten bzw. des zweiten Transistors gekoppelt sind. Eine Rückkopplungsschaltung ist zwischen Source-Anschlüssen des dritten und des vierten Transistors gekoppelt und dazu konfiguriert, ein Rückkopplungssignal basierend auf einer Referenzspannung und einer Ausgangsspannung zu erzeugen, die an dem Source-Anschluss des vierten Transistors anliegt. Der erste und der zweite Stromspiegel bilden einen ersten Regelkreis, und wobei der erste und der zweite Stromspiegel und die Rückkopplungsschaltung einen zweiten Regelkreis bilden.
In verschiedenen Ausführungsformen stellt der erste Regelkreis eine schnellere Übergangsantwort als der zweite Regelkreis bereit. Zum Beispiel kann der erste Regelkreis als Reaktion auf einen Spannungsabfall an einem Ausgangsknoten (der mit dem zweiten Stromspiegel gekoppelt ist) reagieren, um einen zusätzlichen Strom schnell zu liefern, um jeglichen Spannungsabfall als Reaktion auf Laststrombedarf zu minimieren. Der zweite Regelkreis, der sowohl Stromspiegel als auch die Rückkopplungsschaltung einschließt, kann eine längerfristige Stabilität der Ausgangsspannung bereitstellen.
Figurenliste
Die folgende detaillierte Beschreibung nimmt Bezug auf die begleitenden Zeichnungen, die nun kurz beschrieben werden.

1 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer Spannungsreglerschaltung.
2 ist ein schematisches Diagramm, das die Implementierung einer Ausführungsform einer Spannungsreglerschaltung mit Stromerfassungs- und Strombegrenzungsschemata veranschaulicht.
3 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Spannungsreglerschaltung veranschaulicht.
4 ist ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines beispielhaften Systems.

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.
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 entsprechender Programmierung durchzuführen, sein kann.
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 zu vermeiden, dass die offenbarten Ausführungsformen unnötig kompliziert werden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es werden verschiedene Ausführungsformen einer LDO-Spannungsreglerschaltung offenbart. Eine Spannungsreglerschaltung, wie hierin offenbart, schließt einen ersten und einen zweiten Regelkreis (oder alternativ Verstärkungsschleifen) ein. Der erste Regelkreis kann eine schnelle Reaktion auf Transienten bereitstellen, die an einem Ausgangsknoten des Spannungsreglers auftreten (z. B. eine plötzliche Änderung des Strombedarfs). Der erste Regelkreis reagiert schneller als der zweite Regelkreis. Der zweite Regelkreis hält den längerfristigen Durchschnitt der Ausgangsspannung des Spannungsreglers basierend auf darin erzeugter Rückkopplung aufrecht.
Der erste Regelkreis kann unter Verwendung eines ersten und eines zweiten Stromspiegels implementiert werden. Der erste Stromspiegel kann so gekoppelt sein, dass er eine Eingangsspannung (oder Versorgungsspannung) für die Spannungsreglerschaltung empfängt. Der zweite Stromspiegel kann mindestens einen Transistor einschließen, der in einer Source-Folger-Konfiguration implementiert ist und daher mit dem Ausgangsknoten gekoppelt ist, an dem die Ausgangsspannung des Reglers bereitgestellt wird.
Der zweite Regelkreis kann sowohl den ersten als auch den zweiten Stromspiegel einschließen und schließt zusätzlich eine Rückkopplungsschaltung ein. Die Rückkopplungsschaltung ist dazu eingerichtet, eine Rückkopplungsspannung basierend auf der Ausgangsspannung und einer Referenzspannung zu erzeugen. Die Rückkopplungsspannung kann einem Anschluss (z. B. einem Source-Anschluss) einer Vorrichtung in dem zweiten Stromspiegel bereitgestellt werden. Die Wirkung des Rückkopplungssignals durchläuft den ersten Stromspiegel und kehrt zurück in den zweiten Stromspiegel. Der zweite Regelkreis trägt dazu bei, die Stabilität des Spannungsreglers bei einer gewünschten Ausgangsspannung aufrechtzuerhalten. Verschiedene Ausführungsformen einer derartigen Schaltung werden nun näher erläutert.
1 ist ein schematisches Diagramm einer Ausführungsform einer LDO-Spannungsreglerschaltung. In der gezeigten Ausführungsform schließt der Spannungsregler 100 einen ersten Stromspiegel 101, einen zweiten Stromspiegel 102 und eine Rückkopplungsschaltung 103 ein. Der Spannungsregler 100 schließt auch eine Vorspannungsstromquelle, IBias, ein. Ein optionaler Schalter, S1, ist ebenfalls in der veranschaulichten Ausführungsform enthalten.
Der Stromspiegel 101 in dieser spezifischen Ausführungsform wird unter Verwendung von zwei PMOS-Transistoren, MP1 und MP2, implementiert. Wie hier gezeigt, ist MP2 eine diodengekoppelte Vorrichtung. Die Source-Anschlüsse von MP1 und MP2 sind mit dem Eingangsspannungsknoten Vin gekoppelt. Die Stromquelle IBias ist zwischen Source- und Drain-Anschlüssen von MP1 bzw. MN1 gekoppelt und stellt einen kleinen Vorspannungsstrom bereit, um MN1 aktiv zu halten, wenn die Last an dem Spannungsregler leicht ist, oder wenn der Strombedarf, wie durch Rückkopplung angegeben, sehr gering ist. Der Schalter S1, der optional ist, kann so implementiert sein, dass er schließt, wenn die Ausfallbedingungen erfüllt sind (z. B. wenn die Differenz zwischen der Eingangsspannung und der Ausgangsspannung unter die Ausfallspannung des LDO oder einen Minimalpegel fällt). Obwohl nicht gezeigt, kann die Erfassungsschaltlogik auch in Ausführungsformen eingeschlossen sein, die den Schalter S1 einschließen, um die Erkennung von Ausfallbedingungen zu ermöglichen. Der Schalter S 1 hilft, Eingangsversorgungsspannung an den Ausgang zu liefern, wenn die Eingangsversorgungsspannung auf einen niedrigen Wert abfällt, wodurch der Diodenspannungsabfall von MP2 eliminiert wird.
Es wird darauf hingewiesen, dass in verschiedenen Ausführungsformen MP1 und MP2 übereinstimmende Transistoren in Bezug auf eine oder mehrere Abmessungen davon sein können. Zum Beispiel können beide dieser Vorrichtungen die gleichen Gate-Längen und die gleiche Stromdichte aufweisen. Darüber hinaus sind Ausführungsformen, bei denen diese Vorrichtungen in allen Dimensionen übereinstimmen, möglich und werden in Betracht gezogen.
Der Stromspiegel 102 in der gezeigten Ausführungsform schließt die NMOS-Transistoren MN1 und MN2 ein. Der Transistor MN1 ist in dieser Ausführungsform eine diodengekoppelte Vorrichtung. Der Ausgangsknoten des Spannungsreglers 100 (z. B. der Knoten, an dem die geregelte Ausgangsspannung bereitgestellt wird) ist mit der Source von MN2 gekoppelt. Die Drain-Anschlüsse von MN1 und MN2 sind mit Drain-Anschlüssen von MP1 bzw. MP2 gekoppelt. Zusammengenommen bilden der Stromspiegel 101 und der Stromspiegel 102 einen ersten Regelkreis, die Schleife 1, deren Betrieb nachstehend ausführlicher erörtert wird. Wie bei den Vorrichtungen des Stromspiegels 101 können die Transistoren MN1 und MN2 in Bezug auf eine oder mehrere Abmessungen davon übereinstimmen.
Die Rückkopplungsschaltung 103 in der gezeigten Ausführungsform schließt einen Spannungsteiler ein, der unter Verwendung der übereinstimmenden Widerstände R1 und R2 implementiert ist. Die Widerstände R1 und R2 sind zwischen dem Ausgangsknoten, VOut, und einem Erdungsknoten in Reihe gekoppelt. Eine Lastkapazität, die hier als CL dargestellt ist, ist parallel zum Spannungsteiler. Während des Betriebs wird am Übergang von R1 und R2 eine Spannung VDiv erzeugt. VDiv wird einem Eingang des Fehlerverstärkers 104 bereitgestellt, der als ein betriebsbereiter Transkonduktanzverstärker implementiert sein kann. Es wird angemerkt, dass Ausführungsformen möglich sind und in Betracht gezogen werden, in denen die Ausgangsspannung direkt mit einem der Eingänge des Fehlerverstärkers 104 gekoppelt ist. Eine Referenzspannung, Vref, wird dem anderen Eingang des Fehlerverstärkers 104 bereitgestellt. Die Referenzspannung Vref kann unter Verwendung einer beliebigen geeigneten Spannungserzeugungsschaltung erzeugt werden, wie beispielsweise einer Bandgap-Schaltung, die explizit für die Spannungserzeugung ausgelegt ist. Der Ausgang des Fehlerverstärkers 104 ist ein Fehlersignal, das dem Gate-Anschluss von MN3 und einem Anschluss des Kondensators C1 bereitgestellt wird. Die Rückkopplungsspannung, Vfb, wird an dem Source-Anschluss von MN1 bereitgestellt. Zusammenfassend bilden die Rückkopplungsschaltung 103, der Stromspiegel 101 und der Stromspiegel 102 einen zweiten Regelkreis, die Schleife 2.
Die beiden Regelkreise der gezeigten Ausführungsform stellen unterschiedliche Funktionen bereit. Die Schleife 1 in der gezeigten Ausführungsform stellt eine schnelle Übergangsantwort bereit und reagiert im Allgemeinen auf sich ändernde Lastbedingungen (z. B. Transienten) schneller als die Schleife 2. Inzwischen stellt die Schleife 2 eine langsamere Rückkopplung für den stabilen Betrieb des Reglers 100 bereit und stellt die gewünschte Ausgangsspannung basierend auf der Referenzspannung Vref ein.
Während des Betriebs nimmt die Gate-Source-Spannung von MN2 entsprechend zu, wenn die Ausgangsspannung Vout aufgrund einer Erhöhung des Laststrombedarfs abfällt. Dies erhöht den Strom durch MN2 und somit durch MP2. Dies wiederum bewirkt eine Erhöhung des Stroms durch MP1, was ein gespiegelter Strom von MP2 ist. Der Anstieg des Stroms durch MP1 durchläuft somit MN1, und dieser Strom wird zurück zu MN2 gespiegelt. Somit stellt der erste Regelkreis einen schnellen Verstärkungsweg bereit, der eine schnelle Reaktion auf transiente Bedingungen an dem Ausgangsknoten des Spannungsreglers 100 ermöglicht. Der hierin beschriebene Prozess funktioniert auch umgekehrt als Reaktion auf einen schnellen Anstieg von Vout, der einem plötzlichen Abfall des Strombedarfs entspricht. Im Allgemeinen erfasst der Transistor MN2 die Ausgangsspannung und die Schleife 1 bewirkt, dass sein Gate-Anschluss erhöht oder verringert wird, um mehr bzw. weniger Strom zu liefern. Die hier gezeigte Anordnung ermöglicht somit, dass MN2 Änderungen sowohl an seinen Source- als auch Gate-Anschlüssen in Bezug auf Änderungen der Ausgangsspannung zeigt, wodurch ein schneller transienter Gate-Source-Spannungshub sichergestellt wird. Dies wiederum unterstützt die schnelle Lastübergangsantwort des Spannungsreglers 100.
Der Betrieb des zweiten Regelkreises schließt das Erzeugen einer Rückkopplungsspannung Vfb ein. Änderungen an der Ausgangsspannung, VOut, spiegeln sich in der Spannung VDiv wider, die vom Spannungsteiler erzeugt wird, der mit R1 und R2 implementiert ist. Der Fehlerverstärker 103 vergleicht VDiv effektiv mit der Referenzspannung Vref und verwendet das entsprechende Ausgangsfehlersignal zum Ansteuern des Gates von MN3. Wenn VOut zunimmt, steigt VDiv an, und dadurch steigt die Gate-Source-Spannung von MN3 an. Dies zieht die Source und damit auch das Gate von MN3 auf eine niedrigere Spannung. Dies wiederum reduziert die Gate-Spannung von MN2 und somit die Gate-Source-Spannung von MN2. Infolgedessen wird der Strom durch MN2 reduziert, um den anfänglichen Anstieg in VOut zu kompensieren. Dieser Prozess funktioniert umgekehrt, wenn VOut abnimmt. Im Allgemeinen kann der zweite Regelkreis längerfristige Anpassungen des Ausgangsstroms des Spannungsreglers 100 vornehmen, um auf längerfristige Erhöhungen des Laststrombedarfs zu reagieren.
2 ist ein schematisches Diagramm, das die Implementierung einer Ausführungsform einer Spannungsreglerschaltung mit Stromerfassungs- und -begrenzungsschaltung veranschaulicht. In der gezeigten Ausführungsform schließt die Schaltung 200 alle der Elemente des Spannungsreglers 100 ein, mit Ausnahme des Schalters S1 (obwohl Ausführungsformen mit diesem Schalter möglich sind und in Betracht gezogen werden). In ähnlicher Weise ist der Betrieb des Spannungsreglerabschnitts der Schaltung 200 gleich dem vorstehend in Bezug auf den Spannungsregler 100 beschriebenen, erneut mit Ausnahme des Schalters S 1, der hier nicht implementiert ist. Der Schalter S 1 soll einschalten und helfen, Eingangsversorgungsspannung an den Ausgang zu liefern, wenn die Eingangsversorgungsspannung auf einen niedrigen Wert abfällt, wodurch der Diodenspannungsabfall von MP2 eliminiert wird.
In der gezeigten Ausführungsform ist der Transistor MP3 als Teil einer Stromerfassungsschaltung implementiert. Der Strom durch MP3 wird von MP2 gespiegelt und ist somit eine Kopie des vom Spannungsregler 100 bereitgestellten Ausgangsstroms. In einigen Ausführungsformen kann MP3 auch auf MP 1 und MP2 in Bezug auf eine oder mehrere Dimensionen abgestimmt sein, um eine genauere Erfassung des Stroms zu ermöglichen. Der Strom durch MP3 kann als ISense an eine andere Schaltung bereitgestellt werden, die die Fähigkeit aufweist, die Strommenge zu bestimmen, die in der Schaltung fließt. Dementsprechend kann der von einer mit dem Spannungsregler gekoppelten Lastschaltung angeforderte Strom erfasst und somit überwacht werden.
Der Transistor MP4 ist ebenfalls dazu angeordnet, die Ströme durch MP2 zu spiegeln. Der Widerstand R3 ist mit dem Drain-Anschluss von MP4 gekoppelt, um eine Spannung zu erzeugen (es wird darauf hingewiesen, dass MP4 auch mit MP2 abgestimmt sein kann, wie vorstehend für andere Vorrichtungen beschrieben). Diese Spannung wird als ein Eingang zum Komparator 205 bereitgestellt. Eine weitere Referenzspannung wird am Übergang der Stromquelle IRef und des Widerstands R4 erzeugt. Die Stromquelle IRef stellt einen Referenzstrom als Vergleichsbasis bereit. Basierend auf einem Vergleich der beiden Spannungen, die in den Komparator 205 eingegeben werden, kann bestimmt werden, ob der vom Spannungsreglerabschnitt der Schaltung 200 bereitgestellte Ausgangsstrom eine vorgeschriebene Grenze überschritten hat. Wenn die Grenze überschritten wird, legt der Komparator 205 das ILimit-Signal an. Andere Schaltungen (hier nicht gezeigt) können das ILimit-Signal empfangen und geeignete Maßnahmen ergreifen, um den Ausgangsstrom zu begrenzen. Zum Beispiel kann eine Leistungsverwaltungsschaltung einen Abschnitt der Last deaktivieren, die mit dem Spannungsregler gekoppelt ist, um den Strombedarf zu reduzieren, wodurch der bereitgestellte Ausgangsstrom begrenzt wird.
3 ist ein Flussdiagramm, das eine Ausführungsform eines Verfahrens zum Betreiben einer Spannungsreglerschaltung veranschaulicht. Das hierin offenbarte Verfahren 300 kann mit verschiedenen Ausführungsformen der vorstehend in 1 und 2 erörterten Schaltung verwendet werden. Spannungsreglerausführungsformen, die in der Lage sind, das Verfahren 300 auszuführen, können auch in den Umfang dieser Offenbarung fallen.
Das Verfahren 300 beginnt mit dem Empfangen einer Eingangsspannung an Source-Anschlüssen vom ersten und zweiten Transistor, wobei der erste und der zweite Transistor einen ersten Stromspiegel bilden (Block 305). Das Verfahren schließt ferner das Erzeugen, in einem ersten Regelkreis, einer ersten Übergangsantwort auf eine Transiente an einem Ausgangsknoten ein, der mit einem zweiten Stromspiegel gekoppelt ist, der dritte und vierte Transistoren umfasst, wobei der dritte und der vierte Transistor einen zweiten Stromspiegel bilden, wobei der erste Regelkreis den ersten und den zweiten Stromspiegel einschließt, und wobei der Ausgangsknoten mit einem Source-Anschluss des vierten Transistors gekoppelt ist (Block 310). Danach schließt das Verfahren ferner ein Erzeugen, unter Verwendung einer Rückkopplungsschaltung, eines Rückkopplungssignals ein, das dem zweiten Stromspiegel bereitgestellt wird, wobei die Rückkopplungsschaltung, der erste Stromspiegel und der zweite Stromspiegel einen zweiten Regelkreis bilden (Block 315). Zusätzlich zu der ersten Übergangsantwort schließt das Verfahren das Erzeugen einer zweiten Übergangsantwort an dem Ausgangsknoten in dem zweiten Regelkreis ein (Block 320).
In verschiedenen Ausführungsformen umfasst das Erzeugen des Rückkopplungssignals das Erzeugen eines Fehlersignals basierend auf einer Spannung, die von einer Spannungsteilerschaltung an einen ersten Eingang eines Fehlerverstärkers bereitgestellt wird, und einer Referenzspannung, die an einen zweiten Eingang des Fehlerverstärkers bereitgestellt wird. In verschiedenen Ausführungsformen der hierin offenbarten Spannungsreglerschaltung wird die erste Übergangsantwort schneller als die zweite Übergangsantwort erzeugt. In einigen Ausführungsformen stellt ein Schalter einen Umgehungsweg zwischen Source- und Drain-Anschlüssen des zweiten Transistors als Reaktion auf eine Ausfallbedingung bereit. Das Verfahren kann auch das Bereitstellen eines Vorspannungsstroms zwischen Source- und Drain-Anschlüssen des ersten Transistors einschließen.
Unter Hinwendung zu 4 wird als Nächstes ein Blockdiagramm einer Ausführungsform eines Systems 150 gezeigt. 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.).
In verschiedenen Ausführungsformen können die integrierte Schaltung 10 und/oder die Peripherie 154 Implementierungen der Spannungsreglerschaltung einschließen, die vorstehend in Bezug auf 1 und 2 erörtert wurde.
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.
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: einen ersten Stromspiegel mit einem ersten und einem zweiten Transistor, die Source-Anschlüsse aufweisen, die mit einem Eingangsspannungsknoten gekoppelt sind; einen zweiten Stromspiegel mit dritten und vierten Transistoren, wobei Drain-Anschlüsse des dritten und vierten Transistors mit Drain-Anschlüssen des ersten bzw. zweiten Transistors gekoppelt sind; und eine Rückkopplungsschaltung, die zwischen Source-Anschlüssen des dritten und des vierten Transistors gekoppelt ist, wobei die Rückkopplungsschaltung dazu konfiguriert ist, ein Rückkopplungssignal basierend auf einer Referenzspannung und einer Ausgangsspannung zu erzeugen, die an dem Source-Anschluss des vierten Transistors anliegt; wobei der erste und der zweite Stromspiegel einen ersten Regelkreis bilden und wobei der erste und der zweite Stromspiegel und die Rückkopplungsschaltung einen zweiten Regelkreis bilden.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste Regelkreis eine schnellere Übergangsantwort in Bezug auf die des zweiten Regelkreises aufweist.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der zweite und der dritte Transistor diodengekoppelte Vorrichtungen sind.
Schaltung nach Anspruch 1, ferner umfassend eine Stromquelle, die zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen des ersten Transistors gekoppelt ist, wobei die Stromquelle dazu konfiguriert ist, einen Vorspannungsstrom zu erzeugen.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei der erste und der zweite Transistor in einer oder mehreren Dimensionen abgestimmt sind und wobei der dritte und der vierte Transistor in einer oder mehreren Dimensionen abgestimmt sind.
Schaltung nach Anspruch 1, wobei die Rückkopplungsschaltung einschließt: einen Spannungsteiler mit einem ersten und einem zweiten Widerstand, die in Reihe zwischen dem Source-Anschluss des vierten Transistors und einem Erdungsknoten gekoppelt sind; einen Fehlerverstärker mit einem ersten Eingang, der mit einem Übergang des ersten und des zweiten Widerstands gekoppelt ist, und einem zweiten Eingang, der gekoppelt ist, um eine Referenzspannung zu empfangen; einen fünften Transistor, der einen Gate-Anschluss aufweist, der mit einem Ausgang des Fehlerverstärkers gekoppelt ist, und einen Drain-Anschluss, der mit einem Source-Anschluss des dritten Transistors gekoppelt ist.
Verfahren, umfassend: Empfangen einer Eingangsspannung an Source-Anschlüssen eines ersten und eines zweiten Transistors, wobei der erste und der zweite Transistor einen ersten Stromspiegel bilden; Erzeugen, in einem ersten Regelkreis, einer ersten Übergangsantwort auf eine Transiente an einem Ausgangsknoten, der mit einem zweiten Stromspiegel gekoppelt ist, der dritte und vierte Transistoren umfasst, wobei der dritte und der vierte Transistor einen zweiten Stromspiegel bilden, wobei der erste Regelkreis den ersten und den zweiten Stromspiegel einschließt, und wobei der Ausgangsknoten mit einem Source-Anschluss des vierten Transistors gekoppelt ist; Erzeugen, unter Verwendung einer Rückkopplungsschaltung, eines Rückkopplungssignals, das dem zweiten Stromspiegel bereitgestellt wird, wobei die Rückkopplungsschaltung, der erste Stromspiegel und der zweite Stromspiegel einen zweiten Regelkreis bilden; und Erzeugen, in dem zweiten Regelkreis, einer zweiten Übergangsantwort an dem Ausgangsknoten.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Erzeugen des Rückkopplungssignals das Erzeugen eines Fehlersignals basierend auf einer Spannung, die von einer Spannungsteilerschaltung an einen ersten Eingang eines Fehlerverstärkers bereitgestellt wird, und einer Referenzspannung, die an einen zweiten Eingang des Fehlerverstärkers bereitgestellt wird, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei die erste Übergangsantwort schneller erzeugt wird als die zweite Übergangsantwort.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend einen Schalter, der einen Umgehungsweg zwischen Source- und Drain-Anschlüssen des zweiten Transistors als Reaktion auf eine Ausfallbedingung bereitstellt.
Verfahren nach Anspruch 7, ferner umfassend das Bereitstellen eines Vorspannungsstroms zwischen Source- und Drain-Anschlüssen des ersten Transistors.
Schaltung, umfassend: einen ersten Regelkreis, der einen ersten und einen zweiten Stromspiegel umfasst, wobei der erste Stromspiegel gekoppelt ist, um eine Eingangsspannung von einem Eingangsspannungsknoten zu empfangen, und der zweite Stromspiegel mit einem Ausgangsspannungsknoten gekoppelt ist; und einen zweiten Regelkreis, der den ersten und den zweiten Stromspiegel und eine Rückkopplungsschaltung umfasst, die gekoppelt ist, um eine Ausgangsspannung von dem Ausgangsspannungsknoten zu empfangen, und dazu konfiguriert ist, dem zweiten Stromspiegel ein Rückkopplungssignal bereitzustellen; wobei der erste Regelkreis dazu konfiguriert ist, auf transiente Bedingungen schneller als der zweite Regelkreis zu reagieren.
Schaltung nach Anspruch 12, wobei der erste Stromspiegel einen ersten und einen zweiten Transistor einschließt, die jeweils jeweilige Source-Anschlüsse aufweisen, die mit dem Eingangsspannungsknoten gekoppelt sind, und wobei der zweite Stromspiegel einen dritten und einen vierten Transistor einschließt, wobei Drain-Anschlüsse des dritten und vierten Transistors mit Drain-Anschlüssen des ersten bzw. zweiten Transistors gekoppelt sind.
Schaltung nach Anspruch 13, wobei ein Source-Anschluss des vierten Transistors mit dem Ausgangsknoten gekoppelt ist und wobei ein Source-Anschluss des dritten Transistors gekoppelt ist, um ein Rückkopplungssignal von der Rückkopplungsschaltung zu empfangen.
Schaltung nach Anspruch 13, wobei der erste und der zweite Transistor in mindestens einer Dimension abgestimmt sind, und wobei der dritte und der vierte Transistor in mindestens einer Dimension abgestimmt sind.
Schaltung nach Anspruch 13, wobei der zweite und der dritte Transistor diodengekoppelte Vorrichtungen sind.
Schaltung nach Anspruch 13, wobei die Rückkopplungsschaltung einschließt: eine Spannungsteilerschaltung, einen Fehlerverstärker, der mit der Spannungsteilerschaltung gekoppelt ist; und einen fünften Transistor, der einen Gate-Anschluss aufweist, der mit einem Ausgangsanschluss des Fehlerverstärkers gekoppelt ist, und einen Drain-Anschluss, der mit einem Source-Anschluss des dritten Transistors gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 17, wobei der Spannungsteiler einen ersten und einen zweiten Widerstand einschließt, die in Reihe zwischen dem Ausgangsspannungsknoten und einem Erdungsknoten gekoppelt sind, und wobei der Fehlerverstärker einen ersten Eingang einschließt, der mit einem Übergang des ersten und des zweiten Widerstands gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang, der gekoppelt ist, um eine Referenzspannung zu empfangen.
Schaltung nach Anspruch 13, ferner umfassend eine Vorspannungsstromquelle, die zwischen Source- und Drain-Anschlüssen des ersten Transistors gekoppelt ist.
Schaltung nach Anspruch 13, ferner umfassend einen Schalter, der zwischen den Source- und Drain-Anschlüssen des zweiten Transistors gekoppelt ist, wobei der Schalter dazu konfiguriert ist, als Reaktion auf die Erkennung einer Ausfallbedingung aktiviert zu werden.