DE60133281T2

DE60133281T2 - Regelkreisentwurf für induktive boosterpumpe mit pulsbreitemodulationstechnik

Info

Publication number: DE60133281T2
Application number: DE60133281T
Authority: DE
Inventors: Jahanshir Carmichael JAVANIFARD; Priya Folsom WALIMBE
Original assignee: Intel Corp
Current assignee: Intel Corp
Priority date: 2000-06-30
Filing date: 2001-06-01
Publication date: 2009-03-26
Anticipated expiration: 2021-06-02
Also published as: DE60133281D1; ATE389936T1; CN1449566A; HK1052076A1; EP1297531A1; AU2001266661A1; EP1297531B1; US6734655B1; WO2002003390A1; CN1319069C

Description

QUERVERWEIS AUF EINE VERWANDTE ANMELDUNG
Die vorliegende Anmeldung bezieht sich auf die Patentanmeldung mit dem Titel "In-Package Inductive Charge Pump Circuit for Providing Voltages Useful for Flash Memory and Other Applications", die am gleichen Datum wie die vorliegende Anmeldung eingereicht worden ist.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltungen bzw. DC-Spannungsverstärkungsschaltungen und im Besonderen eine DC-Spannungsverstärkungsschaltung, die eine Auflösungsschaltung aufweist, die ein Steuersignal für die Verstärkungsschaltung erzeugt, das durch die Ausgangsspannung der Verstärkungsschaltung Impulsbreiten moduliert wird.
STAND DER TECHNIK
Zahlreiche Anwendungen erfordern Schaltungen, die eine Eingangsstromversorgungs-Gleichstromspannung auf eine höhere Gleichstromspannung verstärken können, die für spezielle Operationen eingesetzt wird. Der Grund für die Spannungsverstärkung ist es, dass häufig nur standardisierte Stromversorgungsspannungen für die Zufuhr von Leistung bzw. Strom an Elektronikschaltungen zur Verfügung stehen. Es gibt jedoch zahlreiche Situationen, in denen eine Schaltung eine höhere Spannung benötigt als die von der zugehörigen Stromversorgung zur Verfügung stehende Spannung. Ein Beispiel für eine derartige Schaltung ist ein elektrisch löschbarer programmierbarer Nur-Lesespeicher (EEPROM), der im Fach für gewöhnlich als "Flash-Speicher" bezeichnet wird.
Ein Flash-Speicher umfasst allgemein eine Anordnung von Speicherzellen, die jeweils für gewöhnlich ein Bit digitaler Informationen speichern. Häufig stellt eine Speicherzelle einfach einen Feldeffekttransistor (FET) dar, der ein schwebendes Gate aufweist, das eine Ladung speichert, die einem Bit digitaler Informationen entspricht (hierin als eine "Bitladung" bezeichnet). Im Besonderen umfasst ein Speicherzellen-FET einen Drain-, einen Gate- und einen Source-Anschluss, wobei das Gate ein Steuer-Gate aufweist, um Lese-, Schreib- und Löschoperationen an der Zelle zu ermöglichen, und mit einem schwebenden Gate zum Speichern der Bitladung der digitalen Informationen. Neben diesen Gates bzw. Gate-Anschlüssen weisen einige Speicherzellen ein Lösch-Gate auf, das eingesetzt wird, um die Bitladung von dem schwebenden Gate zu entfernen, wodurch die Speicherzelle gelöscht wird.
Das Schreiben (d. h. Programmieren) einer Bitladung von digitalen Informationen umfasst für gewöhnlich Elektronen, welche von dem FET-Kanal durch das dünne Gate-Oxid zu dem schwebenden Gate tunneln oder injizieren. Im Allgemeinen erfordert der Tunneleffekt oder die heiße Elektroneninjektion verhältnismäßig hohe Energie, um die Elektronen über die Gate-Oxidschicht zu bewegen. In ähnlicher Weise erfordert das Entfernen von Elektronen von dem schwebenden Gate während einem Löschvorgang verhältnismäßig hohe Energie, um die Elektronen über das Gate-Oxid oder ein Oxid zu bewegen, das sich zwischen den Lösch- und schwebenden Gates befindet. Die Quelle für die hohe Energie für die Schreib- und Löschoperationen stellt für gewöhnlich eine verhältnismäßig hohe Spannungsquelle dar, die höher ist als die Stromversorgungsspannungen, die für Speichersteuerungsoperationen eingesetzt werden. Zum Beispiel kann die Spannung, die für die Schreib- und Leseoperationen erforderlich ist, im Bereich von sechs (6) Volt liegen, während die Spannung für die normalen Operationen der Speichersteuerung im Bereich von 1,5 Volt liegen kann.
Bei einer typischen Flash-Speicherschaltung erfordert die Mehrzahl der Schaltungsoperationen eine Spannung, die zum Beispiel im Bereich von 1,5 Volt liegt. Somit umfasst das Design der Stromversorgung für die Flash-Speicherschaltung eine Stromversorgung von 1,5 Volt. Um die höhere Spannung zu erzeugen, die für die Schreib- und Löschoperationen verwendet wird, wird eine Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung eingesetzt, welche die normale Stromversorgungsspannung von 1,5 Volt verwendet und diese auf bis zu sechs (6) Volt verstärkt, um diese höheren Spannungsoperationen auszuführen. Im Allgemeinen kann die Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung jedoch jede Eingangsspannung auf eine beliebige gewünschte Ausgangsspannung verstärken.
Ein Beispiel für eine derartige Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung ist eine Kondensator-Ladungspumpenschaltung, die eine Mehrzahl von kaskadierten Stufen aufweist, die jeweils einen Schalter und einen Kondensator aufweisen. Eine vorherige Stufe in der Kaskade fuhrt Ladungen einer nächsten Stufe der Verstärkung einer Eingangsspannung auf eine höhere Ausgangsspannung zu. Diese Art der Verstärkungsschaltung ist für gewöhnlich jedoch ineffizient, aufgrund der Verluste, die bei der Übertragung von Ladungen zwischen Stufen auftreten sowie der Verluste, die an jedem Kondensator auftreten. Die Effizienz für eine Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung, die eine Kondensator-Ladungspumpenschaltung aufweist, liegt im Bereich zwischen etwa fünf (5) und elf (11) Prozent.
Benötigt wird somit eine Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung, die eine verbesserte Effizienz in Bezug auf die Umsetzung einer verhältnismäßig niedrigen Eingangsspannung in eine verhältnismäßig hohe Eingangsspannung aufweist. Genau diesen Bedarf erfüllen die neuen Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung, die nachstehend im Text beschrieben werden. Die Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltungen gemäß der vorliegenden Erfindung können für eine Flash-Speicher-, eine statische und dynamische Direktzugriffsspeicher-Anwendung (RAM-Anwendung) oder für jede andere Anwendung eingesetzt werden, die im Verhältnis zu Speicheranwendungen stehen kann oder nicht im Verhältnis zu Speicheranwendungen stehen kann. Allgemein wird eine Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung benötigt, die aus einer Eingangsspannung eine Ausgangsspannung erzeugt.
EP 0929143 offenbart eine Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung gemäß dem Oberbegriff des gegenständlichen Anspruchs 1.
"Circuit to linearize the control loop of a switching voltage regulator" von Calvo & Johari, IBM Technical Disclosure Bulletin 22(6) November 1979, Seiten 2191–2192, offenbart eine Schaltung zur Linearisierung der Regel- bzw. Rückkopplungsschleife eines schaltenden Spannungsreglers. Die Schaltung eliminiert die Nicht-Linearität einer Gleichstrom-Regelschleifenverstärkung in einem Spannungswandler-Schaltspannungsregler. Ein Vorwärtsregelungspfad unter Verwendung eines Rampenimpulsbreitenmodulators mit variable Steigung regelt die Ausgangsspannung unabhängig von der Eingangsspannung. Die Spannung eines Kondensators C1 steigt mit einer Rate an, die proportional ist zu einer Massenspannung KV_B.
Vorgesehen ist gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung gemäß denn gegenständlichen Anspruch 1.
Vorgesehen ist gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ein Verfahren gemäß dem gegenständlichen Anspruch 7.
Weitere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Unteransprüchen enthalten.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Es zeigen:
1 ein Blockdiagramm einer beispielhaften Speicherschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 ein Blockdiagramm/eine Prinzipskizze einer beispielhaften Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung;
3 ein Blockdiagramm/eine Prinzipskizze einer beispielhaften Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung, die mehrere Ausgangsspannungen erzeugt, gemäß der vorliegenden Erfindung;
4 ein Blockdiagramm/eine Prinzipskizze einer weiteren beispielhaften Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung, die mehrere Ausgangsspannungen erzeugt, gemäß der vorliegenden Erfindung;
5A eine Draufsicht einer beispielhaften integrierten Schaltung, die eine Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
5B eine Draufsicht einer weiteren beispielhaften integrierten Schaltung, die eine Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist;
6 ein Blockdiagramm einer beispielhaften Elektronikeinheit gemäß der vorliegenden Erfindung;
7A ein Blockdiagramm/eine Prinzipskizze einer beispielhaften Regelschaltung für eine Verstärkungspumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
7B die Kurvenformen, die während dem Impulsbreitenmodulationsprozess des Impulsbreitenmodulators aus 7A auftreten;
8A ein Blockdiagramm/eine Prinzipskizze einer weiteren beispielhaften Regelschaltung für eine Verstärkungspumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
8B die Kurvenformen, die während dem Impulsbreitenmodulationsprozess des Impulsbreitenmodulators aus 8A auftreten;
9A ein Biockdiagrarnm/eine Prinzipskizze einer anderen beispielhaften Regelschaltung für eine Verstärkungspumpe gemäß der vorliegenden Erfindung;
9B eine binäre Wahrheitstabelle, die in dem Impulsbreitenmodulationsprozess des Impulsbreitenmodulators aus 9A enthalten ist; und
9C die Kurvenformen, die während dem Impulsbreitenmodulationsprozess des Impulsbreitenmodulators aus 9A auftreten.
GENAUE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Abbildung aus 1 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer beispielhaften Speicherschaltung 100 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Speicherschaltung 100 umfasst eine Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung 101, eine Speicheroperationenschaltung 106 und eine oder mehrere Speicheranordnungen 130. Die Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung 101 umfasst eine Ladungspumpe 102 und eine Pumpensteuereinheit 104. Die Speicheroperationenschaltung 106 umfasst einen Lesedecodierer 112, einen Schreib-/Löschdecodierer 114 und eine Speichersteuereinheit 116.
Im Betrieb empfängt die Ladungspumpe 102 der Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung 101 eine verhältnismäßig niedrige Stromversorgungsspannung (Vcc) und erzeugt Spannungen zur Ausführung von Lese-, Schreib-, Lösch- und -Speichersteuereinheits-Operationen. Diese Spannungen sind mit dem Lesedecodierer 112, dem Schreib-/Löschdecodierer 114 und der Speichersteuereinheit 116 der Speicheroperationenschaltung 106 über entsprechende Leitungen 122, 124 und 126 gekoppelt. Die Pumpensteuereinheit 104 regelt die Spannungen, die an die Speicheroperationenschaltung bereitgestellt werden, so dass diese im Wesentlichen auf konstanten gewünschten Schaltungen gehalten werden. Die an den Schreib-/Löschdecodierer 114 bereitgestellte bzw. angelegte Spannung ist für gewöhnlich höher als die Stromversorgungsspannung Vcc (z. B. 1 Volt), um die Schreib- und Löschoperationen zu bewirken. Zum Beispiel kann die Spannung im Bereich von sechs (6) Volt liegen. Die Spannungen für die Lese- und Speichersteueroperationen sind hingegen deutlich niedriger, wie zum Beispiel im Bereich von etwa 1,5 Volt.
Die Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung 101 und alle anderen Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltungen, die hierin beschrieben werden, müssen nicht auf Flash-Speicheranwendungen beschränkt sein. Die hierin beschriebenen Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltungen können in anderen Anwendungen eingesetzt werden, darunter statische Direktzugriffsspeicher (SRAM), dynamische Direktzugriffsspeicher (DRAM) und andere Speicheranwendungen. Das heißt, die hierin beschriebenen Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltungen müssen nicht auf Speicheranwendungen beschränkt sein, wobei sie auch in jeder anderen Anwendung eingesetzt werden können, die eine Ausgangsspannung erfordert, die sich von der Eingangsspannung unterscheidet. Dazu zählen kabellose, portable Computervorrichtungen, wie etwa Personal Digital Assistants (PDAs), Laptop-Computer, Geräte, etc.
Die Abbildung aus 2 veranschaulicht ein Blockdiagramm/eine Prinzipskizze einer beispielhaften Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung 200 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung 200 umfasst ein induktives Element 210, eine Ladungspumpen-Betätigungsschaltung 212, die einen Schalt-FET T1 und eine Diode D1 umfasst, und einen Ausgangsladungskondensator C2. Die Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung 200 kann ferner einen Kondensator C1 aufweisen, der sich zwischen Vcc und der Erde befindet, um Rauschen, Spitzen und/oder andere unerwünschte Signale herauszufiltern, die in der Stromversorgungsspannung Vcc enthalten sind, und mit einem FET T2, der zwischen Vcc und dem Ausgang der Verstärkungsschaltung 200 angeordnet ist, um sicherzustellen, dass der Ausgang bzw. die Ausgabe eine ausrechende Spannung aufweist, um den Pegelverschieber beim Hochfahren bzw. Einschalten zu erregen.
Im Betrieb wird ein oszillierendes Steuersignal dem Gate des Schalttransistors T1 zugeführt, was bewirkt, dass der Transistor T1 periodisch ein- und ausgeschaltet (EIN/AUS) wird. Das Einschalten des Transistors T1 bewirkt, dass ein Strom von Vcc durch die induktive Ladungspumpe 210 und durch den Transistor T1 zu der Erde fließt. Die induktive Ladungspumpe 210 speichert Energie, die durch den Strom gebildet wird, der durch das induktive Element fließt. Wenn das oszillierende Steuersignal bewirkt, dass der Transistor T1 ausgeschaltet wird, weist die Spannung an dem Drain-Anschluss des Transistors T1 Überschwingungen auf, die über die Diode D1 zu dem Ausgangskondensator C2 übertragen werden. Die Übertragung der Spannung (d. h. der Ladungen) zu dem Ausgangskondensator C2 erhöht die Ausgangsspannung des Gleichstrom-Verstärkungswandlers.
Somit bewirkt jeder Zyklus des Steuersignals, dass ein zusätzliches Paket von Ladungen zu dem Ausgangskondensator C2 übertragen wird. Die Diode D1 verhindert es, dass diese Ladungen während dem nächsten Einschaltzyklus (EIN-Zyklus) des Transistors T1 rückwärts durch den Transistor T1 fließen. Durch den kontinuierlichen zyklischen Verlauf des Steuersignals resultiert ein Ladungsaufbau an dem Ausgangskondensator C2, bis an dem Ausgang der Verstärkungsschaltung 200 eine Dauerzustandsspannung resultiert. Die Dauerzustandsspannung ist abhängig von den Eigenschaften des Steuersignals, einschließlich dessen Frequenz und Arbeitszyklus.
Der Ausgang bzw. die Ausgabe der Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung 200 wird der Regelschaltung 222 zugeführt. Die Regelschaltung 222 entwickelt das Steuersignal, das verwendet wird, um den Schalttransistor T1 zu steuern, so dass im Wesentlichen eine konstante gewünschte Spannung an dem Ausgang der Verstärkungsschaltung 200 aufrechterhalten wird. Die Regelschaltung 222 kann dies auf verschiedene unterschiedliche Art und Weise ausführen, einschließlich durch die Erzeugung eines Frequenz modulierten Steuersignals oder eines Impulsbreiten modulierten Steuersignals. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird ein Impulsbreiten moduliertes Steuersignal gemäß verschiedenen Regelschaltungen erzeugt, die nachstehend im Text näher beschrieben werden. Das modulierte Steuersignal wird zu dem Pegelverschieber 220 übertragen, um die modulierte Steuersignalspannung zu erhöhen, so dass der Transistor T1 in dessen Zustände EIN und AUS gesteuert wird. Durch die Erhöhung der Ansteuerung des Transistors T1 unter Verwendung des Pegelverschiebers 220 kann der Transistor T1 kleiner gestaltet werden, was zu Einsparungen der Fläche des Halbleiterchips führt.
Diese Situation adressiert die Regelungsoperation der Regelschaltung, wodurch ein Frequenz moduliertes Steuersignal erzeugt wird. Wenn die Ausgangsspannung der Verstärkungsschaltung 200 unter einen gewünschten Wert sinkt, so erfasst die Regelschaltung 222 diesen Rückgang. Als Reaktion auf die Erfassung bzw. Messung eines Rückgangs der Ausgangsspannung erhöht die Regelschaltung 222 die Frequenz des modulierten Signals, um die Rate der Ladungen zu erhöhen, die dem Ausgangskondensator C2 zugeführt werden. Diese Aktion erhöht die Spannung an dem Ausgang der Verstärkungsschaltung 200, um den anfänglichen Abfall der Ausgangsspannung zu kompensieren. Wenn andererseits die Ausgangsspannung der Verstärkungsschaltung 200 über einen gewünschten Wert ansteigt, erfasst di Regelschaltung 222 diesen Anstieg und senkt in der Folge die Frequenz des modulierten Signals, um die Rate der Ladungen zu senken, die dem Ausgangskondensator C2 zugeführt werden. Diese Aktion senkt die Spannung an dem Ausgang der Verstärkungsschaltung 200, um den anfänglichen Anstieg der Ausgangsspannung auszugleichen bzw. zu kompensieren.
Diese Situation adressiert die Regelungsoperation einer Regelschaltung, welche ein Impulsbreiten moduliertes Steuersignal erzeugt. Wenn die Ausgangsspannung der Verstärkungsschaltung 200 unter einen gewünschten Wert sinkt, so erkennt die Regelschaltung 222 diesen Rückgang. Als Reaktion auf die Erfassung eines Rückgangs der Ausgangsspannung erhöht die Regelschaltung 222 den Arbeitszyklus des modulierten Signals, um die Paketgröße der Ladungen zu erhöhen, die dem Ausgangskondensator C2 zugeführt werden. Diese Aktion erhöht die Spannung an dem Ausgang der Verstärkungsschaltung 200, um den anfänglichen Rückgang bzw. Abfall der Ausgangsspannung zu kompensieren. Wenn hingegen die Ausgangsspannung der Verstärkungsschaltung 200 über einen gewünschten Wert ansteigt, erfasst die Regelschaltung 222 diesen Anstieg und reduziert in der Folge den Arbeitszyklus des modulierten Signals, um die Paketgröße der Ladungen zu verringern, die dem Ausgangskondensator C2 zugeführt werden. Diese Aktion senkt die Spannung an dem Ausgang der Verstärkungsschaltung 200, um den anfänglichen Anstieg der Ausgangsspannung zu kompensieren.
Es konnte festgestellt werden, dass die Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung 200 dann am effizientesten arbeitet, wenn der Arbeitszyklus des Impulsbreiten modulierten Steuersignals bei ungefähr 75 Prozent liegt. Wenn der Arbeitszyklus deutlich niedriger ist als 75 Prozent, so wird weniger Energie in dem Induktor gespeichert, da die Zeit kürzer ist, über welche der Strom durch den Induktor fließen kann. Wenn der Arbeitszyklus deutlich größer ist als 75 Prozent, so ist ausreichend Zeit gegeben, um es zu ermöglichen, dass die gespeicherte Energie zu dem Ausgangskondensator übertragen wird. In Verbindung mit dem optimalen Arbeitszyklus für das Steuersignal kann die Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung 200 eine Effizienz von ungefähr 70 Prozent erreichen, was einen deutlichen Anstieg gegenüber der Effizienz von 5 bis 11 Prozent darstellt, die bei dem Stand der Technik entsprechenden Verstärkungsschaltungen auftreten bzw. erreicht werden.
Die Abbildung aus 3 veranschaulicht ein Blockdiagramm/eine Prinzipskizze einer beispielhaften Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung 300, die mehrere Ausgangsspannungen gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt. Die Verstärkungsschaltung 300 weist eine erste Verstärkungsschaltung zur Erzeugung einer ersten Ausgangsspannung auf (d. h. Ausgang 1, z. B. 6 Volt), mit einem Schalttransistor T1, einer Diode D1, einem Ausgangskondensator C2, einem Transistor T2 und einer Regelschaltung 322. Die Verstärkungsschaltung 300 weist ferner eine zweite Verstärkungsschaltung auf, um eine zweite Ausgangsspannung zu erzeugen (d. h. Ausgang 2, z. B. 1,55 Volt), mit einem Schalttransistor T2, einem Schalter 344, einer Diode D2, einem Ausgangskondensator C3, einer Regelschaltung 342 und einem Pegelverschieber 340. Darüber hinaus weist die Verstärkungsschaltung 300 ferner eine induktive Ladungspumpe 310 und den Kondensator C1 auf, welche die ersten und zweiten Verstärkungsschaltungen gemeinsam haben.
Die ersten und zweiten Verstärkungsschaltungen arbeiten auf ähnliche Art und Weise, wie dies vorstehend in Bezug auf die Gleichstromverstärkungsschaltung 200 aus der Abbildung aus 2 beschrieben worden ist. Ein Schalter 344 wird für die niedrigere Spannungsverstärkungsschaltung bereitgestellt, um den Ausgang 2 zu isolieren, wenn der Transistor T1 eingeschaltet ist (EIN). Das heißt, der Schalter 344 ist ausgeschaltet (AUS), wenn der Transistor T1 eingeschaltet ist. Ferner wird der Transistor T2 während der ausgeschalteten Zeit des Transistors T1 eingeschaltet.
Die Abbildung aus 4 veranschaulicht ein Blockdiagramm/eine Prinzipskizze einer weiteren beispielhaften Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung 400, die mehrere Ausgangsspannungen gemäß der vorliegenden Erfindung erzeugt. Die Verstärkungsschaltung 400 weist eine erste Verstärkungsschaltung zur Erzeugung einer ersten Ausgangsspannung (d. h. Ausgang 1, z. B. 6 Volt) auf, mit einer Diode D1, einem Ausgangskondensator C1, einem Transistor T2 und einer Regelschaltung 422. Die Verstärkungsschaltung 400 weist ferner eine zweite Verstärkungsschaltung auf, um eine zweite Ausgangsspannung (d. h. Ausgang 2, z. B. 1,55 Volt) zu erzeugen, mit einem Schalter 444, einer Diode D2, einem Ausgangskondensator C2 und einer Regelschaltung 442. Darüber hinaus weist die Verstärkungsschaltung 400 ferner einen Eingangskondensator C, eine induktive Ladungspumpe L, einen Schalttransistor T1 und eine Taktlogik 462 auf, welche die ersten und zweiten Verstärkungsschaltungen gemeinsam haben.
Die ersten und zweiten Verstärkungsschaltungen arbeiten auf ähnliche Weise, wie dies vorstehend in Bezug auf die Gleichstrom-Verstärkungsschaltung 200 aus der Abbildung aus 2 beschrieben worden ist. Die Ausgänge bzw. Ausgaben der 6-Volt-Regelschaltung 422 und der 1,55-Volt-Regelschaltung 442 werden für die Taktlogik 462 bereitgestellt. Die Taktlogik 462 erzeugt ein Zeitmultiplex-Steuersignal, das die beiden Impulsbreitenmodulations-Steuersignale von den Regelschaltungen 422 und 442 zu unterschiedlichen Zeitschlitzen empfängt. Das Zeitmultiplex-Steuersignal steuert den gemeinsamen Schalttransistor T1. Die Taktlogik 462 kann auch einen Pegelverschieber aufweisen, der die Spannung an dem Ausgang 1 verwendet, um die Ansteuerung des Schalttransistors T1 zu erhöhen, so dass der Schalttransistor T1 kleiner gestaltet werden kann, wie dies vorstehend im Text beschrieben worden ist.
Im Betrieb und während einer ersten Phase des Zeitmultiplex-Steuersignals steuert das durch den Ausgang 1 der Regelschaltung 422 erzeugte Impulsbreiten modulierte Steuersignal den Schalttransistor T1, so dass die gewünschte Spannung (z. B. 6 Volt) an dem Ausgang 1 erzeugt wird. In der ersten Phase des Zeitmultiplex-Steuersignals ist ferner der Schalter 444 ausgeschaltet, um den Ausgang 2 mit niedrigerer Spannung von der an dem Transistor T1 erzeugten höheren Spannung zu isolieren. Während einer zweiten Phase des Zeitmultiplex-Steuersignals steuert das durch Ausgang 2 der Regelschaltung 442 erzeugte Impulsbreiten modulierte Steuersignal den Schalttransistor T1, um die gewünschte Spannung (z. B. 1,55 Volt) an dem Ausgang 2 zu erzeugen. In der zweiten Phase des Zeitmultiplex-Steuersignals ist ferner der Schalter 444 eingeschaltet (EIN), um die induktive Pumpe und den Schalttransistor T1 mit dem Ausgang 2 zu koppeln.
Die Regelschaltungen 422 und 442 empfangen einen Takt Clk2, um aus diesem ihre entsprechenden Impulsbreiten modulierten Steuersignale zu erzeugen. Da der Schalter 444 nur für eine Periode des Impulsbreiten modulierten Signals eingeschaltet (EIN) ist und für die andere Periode ausgeschaltet ist, kann er mit einem Takt Clk1 getaktet werden, welcher eine Frequenz in Höhe der Hälfte von Clk2 aufweist. Da die Taktlogik 462 ferner zwischen den zwei Impulsbreiten modulierten Signalen umschalten muss, kann sie in ähnlicher Weise ebenfalls mit dem Takt Clk1 getaktet werden.
Die Abbildung aus 5 veranschaulicht eine Draufsicht einer beispielhaften integrierten Schaltung 500, welche eine Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Die integrierte Schaltung 500 umfasst eine integrierte Schaltungseinheit 502 mit einer Mehrzahl von Zuleitungen zur Verbindung mit einer externen Schaltkreisanordnung. Die integrierte Schaltung 500 weist ferner einen integrierten Schaltungschip 506 auf, der sich innerhalb der inneren Einheitsbegrenzungen 405 der integrierten Schaltungseinheit 502 befindet. Der Halbleiterchip bzw. Chip 506 weist in dem vorliegenden Beispiel einen Abschnitt der Gleichstromverstärkungsschaltung 510 gemäß der vorstehenden Beschreibung auf. Eine Mehrzahl von Drahtverbindungen bzw. Drahtanschlüssen oder anderen geeigneten Verbindungseinrichtungen verbindet die Chipschaltkreisanordnung elektrisch mit den Zuleitungen der Einheit. Ein Eingangskondensator 512, ein Induktor 514 und/oder der Ausgangskondensator 516 der Gleichstromverstärkungsschaltung gemäß der vorliegenden Beschreibung sind außerhalb des Chips 506 innerhalb der inneren Begrenzungen 504 der Einheit angeordnet. Diese Komponenten können neben einer Seite des Chips 506 innerhalb der inneren Begrenzungen 504 der Einheit angeordnet sein, wie dies in der Abbildung aus 5A dargestellt ist, oder sie können sich auch oberhalb des Chips 506 befinden. Eine Mehrzahl von Drahtverbindungen oder anderen geeigneten Verbindungseinrichtungen verbindet den Eingangskondensator 512, einen Induktor 514 und/oder den Ausgangskondensator 516 der Gleichstromverstärkungsschaltung mit dem restlichen Abschnitt der Verstärkungsschaltung 510.
Es gibt verschiedene Vorteile für die Integration des Eingangskondensators 512, des Induktors 514 und/oder des Ausgangskondensators 516 der Gleichstromverstärkungsschaltung in die integrierte Schaltungseinheit 500, jedoch außerhalb des Halbleiterchips 506. Erstens resultieren erhebliche Einsparungen hinsichtlich der Chipgröße aus der Integration dieser drei Elemente 512, 514 und 516 außerhalb des Chips 504. Zweitens kann ein deutlicher Anstieg der Effizienz der Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung durch die Integration des Induktors 514 außerhalb des Chips 506 erreicht werden. Ein Grund dafür ist es, dass der externe Induktor 514 mit einem magnetischen Substrat hergestellt werden kann, das eine dreidimensionale leitfähige Spirale aufweist, die eine höhere Induktivität und eine höhere Strom führende Fähigkeit erreichen kann. Diese beiden Eigenschaften verbessern die Effizienz der Gleichstromverstärkungsschaltung. Durch die Integration des Eingangskondensators 512, des Induktors 514 und/oder des Ausgangskondensators 516 in der Einheit 502 ist die Gleichstromverstärkungsschaltung drittens unabhängig in der integrierten Schaltungseinheit 502, ohne dass externe Verbindungen zu diesen Komponenten erforderlich sind.
Die Abbildung aus 5B veranschaulicht eine Draufsicht einer weiteren beispielhaften integrierten Schaltung 550, welche eine Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung aufweist. Die integrierte Schaltung 550 ist der integrierten Schaltung 500 (5A) dahingehend ähnlich, dass sie eine integrierte Schaltungseinheit 552 und einen integrierten Schaltungschip 556 aufweist, der einen Abschnitt der Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung 560 aufweist, der innerhalb der inneren Begrenzung 554 der Einheit 552 angeordnet ist. Die integrierte Schaltung 550 unterscheidet sich dahingehend von der integrierten Schaltung 500, dass mindestens zwei Elemente des Eingangskondensators, des Induktors und des Ausgangskondensators in einem integrierten Substrat 558 kombiniert werden können, anstatt dass diese drei separate Komponenten darstellen, wie dies in der Abbildung aus 5A dargestellt ist. Dieses Merkmal kann die Montage bzw. Zusammensetzung der integrierten Schaltung 550 erheblich erleichtern bzw. vereinfachen und möglicherweise die Herstellungskosten sowie die Herstellungszeit deutlich senken bzw. reduzieren.
Die Abbildung aus 6 veranschaulicht ein Blockdiagramm einer beispielhaften elektronischen Einheit bzw. Elektronikeinheit 600 gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei der elektronischen Einheit 600 kann es sich um jede elektronische Einheit handeln, einschließlich einer integrierten Schaltung, einer Leiterplatte, eines Moduls und/oder eines Teilmoduls, um nur einige wenige Möglichkeiten zu nennen, wobei die Einheit eine Mehrzahl von Schaltungen aufweist, wie etwa die Schaltungen 1–3 (602, 604 und 606), von denen jede eine bestimmte Aufgabe in der Einheit ausführt. Die Schaltungen 1–3 (602, 604 und 606) erfordern für deren Betrieb bestimmte Versorgungsspannungen, wie zum Beispiel 5 Volt für Schaltung 1 (602), 3 Volt für Schaltung 2 (604) und 1 Volt für Schaltung 3 (606). Die elektronische Einheit 600 weist ferner eine Mehrzahl von Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltungen auf, wie zum Beispiel die Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltungen 1–3 (608, 610 und 612) für die Zufuhr der entsprechenden Versorgungsspannungsausgänge bzw. -ausgaben 1–3 (z. B. 5 Volt, 3 Volt und 1 Volt) an die entsprechenden Schaltungen 1–3 (602, 604 und 606). Die Gleichstrom-Spannungsverstärkungen 1–3 (608, 610 und 612) empfangen eine gemeinsame Eingangsspannung zur Erzeugung ihrer entsprechenden Ausgaben 1–3.
Ein Vorteil der elektronischen Einheit 600 ist es, dass die Eingangsspannung in die Einheit variieren kann, wobei die zweckmäßigen Spannungen an die verschiedenen Schaltungen 1–3 der Einheit jedoch im Wesentlichen konstant gehalten werden, indem die Gleichstrom-Spannungsverstärkungen 1–3 (608, 610 und 612) gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt werden. Zum Beispiel kann die Eingangsspannung etwa von einem unteren Wert von 1 Volt bis zu einem hohen Wert von etwa 3 Volt variieren. Diese Variation kann darauf zurückzuführen sein, dass sich eine Batterie leert, oder auf andere Faktoren, wie zum Beispiel Leitungsschwankungen, etc. Die Eingangsspannung in die elektronische Einheit 600 kann zwar variieren, allerdings erhalten die Gleichstrom-Spannungsverstärkungen 1–3 (608, 610 und 612) die Versorgungsspannungsausgabe 1–3 an die entsprechenden Schaltungen 1–3 (602, 604 und 606) im Wesentlichen konstant für die entsprechenden Operationen dieser Schaltungen.
Die Abbildung aus 7A veranschaulicht ein Blockdiagramm/eine Prinzipskizze einer beispielhaften Regelschaltung 700 für eine induktive Verstärkungspumpe 702 gemäß der vorliegenden Erfindung. Die Regelschaltung 700 empfängt die Ausgangsspannung der Verstärkungspumpe 702 und stellt ein Impulsbreiten moduliertes Steuersignal zur Steuerung des Schalttransistors der Verstärkungspumpe 702 bereit, wie dies vorstehend im Text bereits in Bezug auf die Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltungen 200, 300 und 400 beschrieben worden ist. In dem vorliegenden beispielhaften Ausführungsbeispiel umfasst die Regelschaltung 700 einen Spannungsteiler 704, der die Widerstände R1 und R2 aufweist, einen Differentialverstärker 706, eine erste Vergleichseinrichtung bzw. einen ersten Komparator 708, einen Multiplexer 710, einen Rampengenerator 714, einen Impulsbreitenmodulator 716, einen zweiten Komparator 718, einen Inverter 720, ein UND-Gatter 722 und einen Hochspannungs-Pegelverschieber 724.
Im Betrieb wird die Ausgangsspannung der Verstärkungspumpe 702 an den Spannungsteiler 704 angelegt, um eine niedrigere proportionale Rückkopplungsspannung Vf zu erzeugen. Die Rückkopplungsspannung Vf wird an den Differentialverstärker 706 angelegt, um eine Modulationsspannung refbias zu erzeugen, die proportional ist zu der Differenz zwischen der Spannung Vf und einer Referenzspannung ref12. Die Spannung refbias dient als ein Modulationssignal für den Impulsbreitenmodulator 716. Die Referenzspannung ref12 legt die Ausgangsspannung der Verstärkungspumpe fest.
Die Modulationsspannung refbias wird an den ersten Komparator 708 angelegt, zum Vergleich mit einer anderen Referenzspannung ref675. Der erste Komparator 708 erzeugt ein Eingangsauswahlsignal compout1 für den Multiplexer 710. Wenn die Modulationsspannung refbias größer ist als die Referenzspannung ref675, bewirkt das Auswahlsignal compout1, dass der Multiplexer 710 die Modulationsspannung refbias ausgibt. Wenn hingegen die Modulationsspannung refbias kleiner ist als die Referenzspannung ref675, so bewirkt das Auswahlsignal compout1, dass der Multiplexer 710 die Spannung ref675 ausgibt, die danach als das Modulationssignal fungiert. Dies stellt sicher, dass das dem Impulsbreitenmodulator 716 zugeführte Modulationssignal nicht kleiner ist als die Schwellenspannung des Impulsbreitenmodulators 716.
Das Modulationssignal refbias von dem Multiplexer 710 wird dem Impulsbreitenmodulator 716 in Verbindung mit einem Dreieckskurvensignal durch den Rampengenerator 714 zugeführt. Der Rampengenerator 714 integriert im Wesentlichen ein Rechteckwellentaktsignal, um das Dreieckskurvensignal zu erzeugen. Der Impulsbreitenmodulator 716 ist ein Komparator, der das Modulationssignal refbias mit dem Dreieckskurvensignal bzw. dem Dreieckswellensignal vergleicht. Bei der Ausgabe des Impulsbreitenmodulators 716 handelt es sich um ein Impuls moduliertes Signal Pwm, das durch das Modulationssignal refbias moduliert wird, das proportional zu der Verstärkerausgangsspannung variiert.
Die Abbildung aus 7B veranschaulicht die Kurven- bzw. Wellenformen, die während dem Prozess der Impulsbreitenmodulation der Regelschaltung 700 gemäß der vorliegenden Erfindung auftreten. Bei den dargestellten Kurvenformen handelt es sich um den Takt, der in den Rampengenerator 714 eingegeben wird, wobei die Dreieckskurvenform überlagert wird durch drei beispielhafte Spannungswerte für das Modulationssignal refbias, und wobei die entsprechenden Impuls modulierten Ausgangssignale den drei beispielhaften Modulationssignalwerten entsprechen.
Wie dies vorstehend im Text bereits beschrieben worden ist, wird das Rechteckwellentaktsignal bzw. das Rechteckkurventaktsignal durch den Rampengenerator 714 integriert, so dass die Dreieckskurvenform gemäß der Abbildung aus 7B gebildet wird. Die Dreieckskurvenform wird dem positiven Eingang des Impulsbreitenmodulations-Komparators 716 zugeführt, und das Modulationssignal refbias wird dem negativen Eingang des Komparators 716 zugeführt. Wenn die Spannung zu einem bestimmten Zeitpunkt der Dreieckskurvenform größer ist als das Modulationssignal refbias, so erzeugt der Komparator 716 eine im Wesentlichen konstante, verhältnismäßig hohe Spannung. Wenn die Spannung zu einem beliebigen Zeitpunkt der Dreieckskurvenform jedoch kleiner ist als das Modulationssignal refbias, so erzeugt der Komparator 716 eine im Wesentlichen konstante im Verhältnis niedrige Spannung, wobei diese vorzugsweise nahe null (0) Volt liegt.
Wie dies in der Abbildung aus 7B dargestellt ist, gilt somit, dass je höher die Modulationsspannung refbias ist, desto schmaler ist die Impulsbreite des Impulsbreiten modulierten Signals Pwm. Im umgekehrten Fall gilt, dass je niedriger die Modulationsspannung refbias ist, desto breiter ist die Impulsbreite des Impulsbreiten modulierten Signals Pwm. Der Arbeitszyklus des Modulationssignals Pwm wird somit durch das Modulationssignal refbias moduliert, das mit der Verstärkerausgangsspannung variiert. Wenn somit die Verstärkerausgangsspannung fällt, erhöht sich der Arbeitszyklus des Impuls modulierten Signals. Diese Aktion bewirkt, dass sich der Schalttransistor für einen längeren Zeitraum "einschaltet", was wiederum bewirkt, dass mehr Energie zu dem Ausgangskondensator des Verstärkers 702 übertragen wird. Dies erhöht die Verstärkerausgangsspannung, um dessen anfänglichen Abfall zu kompensieren. Wenn im umgekehrten Fall die Verstärkerausgangsspannung ansteigt, nimmt der Arbeitszyklus des Impuls modulierten Signals ab. Diese Aktion bewirkt, dass sich der Pulldown-Widerstand für einen kürzeren Zeitraum "einschaltet", was bewirkt, dass weniger Energie zu dem Ausgangskondensator des Verstärkers bzw. der Verstärkungseinrichtung 702 übertragen wird. Dies senkt die Verstärkerausgangsspannung, um deren anfänglichen Anstieg zu kompensieren.
In erneutem Bezug auf die Abbildung aus 7A wird das Impulsbreiten modulierte Signal Pwm von dem Impulsbreitenmodulator 716 einem Eingang des UND-Gatters 722 zugeführt. Der zweite Komparator 718 vergleicht die Modulationsspannung refbias mit der Referenzspannung ref12 und erzeugt ein Freigabesignal an das UND-Gatter 722 durch den Inverter 720, wenn die Referenzspannung ref12 größer ist als die Modulationsspannung refbias. Im umgekehrten Fall erzeugt er hingegen ein Deaktivierungssignal an das UND-Gatter 722, wenn die Modulationsspannung refbias größer ist als die Referenzspannung ref12. Dies deaktiviert die Regelschaltung 700, wenn die Modulationsspannung refbias größer ist als die Referenzspannung ref12. Dies erfolgt, um es zu verhindern, dass die Verstärkungsausgangsspannung 150 m Volt über der gewünschten Verstärkungsschaltung übersteigt (z. B. 6 Volt), und zwar an allen Skew- bzw. Bitversatz- und Temperaturecken des Prozesses. Die Impulsbreiten modulierte Spannung refbias wird an einen Hochspannungs-Pegelverschieber 724 angelegt (wenn das UND-Gatter 722 freigegeben ist), um diesen auf einen ausreichenden Wert zu erhöhen, um den Schalttransistor der Verstärkungspumpe 702 anzusteuern bzw. zu steuern. Der Pegelverschieber 724 verwendet die Verstärkerausgangsspannung, um dies zu erreichen.
Die Abbildung aus 8 veranschaulicht eine Prinzipskizze/ein Blockdiagramm einer weiteren beispielhaften Regelschaltung 800, die sich zur Regelung der Ausgangsspannung einer induktiven Verstärker- bzw. Verstärkungspumpe 802 gemäß der vorliegenden Erfindung eignet. Die Regelschaltung 800 empfängt die Ausgangsspannung der Verstärkungspumpe 802 und stellt ein Impulsbreiten moduliertes Steuersignal bereit, um den Schalttransistor der Verstärkungspumpe 802 zu steuern bzw. anzusteuern, wie dies vorstehend im Text in Bezug auf die Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltungen 200, 300 und 400 beschrieben worden ist. In dem vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel umfasst die Regelschaltung 800 einen Spannungsteiler 804, einen Vorspannungsgenerator 806, einen Rampengenerator 808, einen Impulsbreitenmodulator-Komparator 810 und einen Hochspannungs-Pegelverschieber 812. Der Rampengenerator 808 wiederum umfasst ein Übertragungsgatter 814, einen Kondensator 816, einen Inverter 818 und einen Transistor 820.
Im Betrieb wird die Ausgangsspannung der Verstärkungspumpe 802 an den Spannungsteiler 804 angelegt, um eine niedrigere proportionale Rückkopplungsspannung Vfb zu erzeugen. Die Rückkopplungsspannung Vfb wird an den Vorspannungsgenerator 806 angelegt, bei dem es sich um einen Differentialverstärker mit geringer Verstärkung handelt. Der Vorspannungsgenerator 806 erzeugt komplementäre positive (pbias) und negative (nbias) Ausgaben bzw. Ausgänge, die mit der Differenz zwischen der Rückkopplungsspannung Vfb und einer Referenzspannung Ref1 variieren. Die Referenzspannung Ref1 wird eingesetzt, um die Ausgabe der Verstärkungspumpe 802 auf einen gewünschten Spannungswert zu setzen.
Die komplementären positiven (pbias9 und negativen (nbias) Ausgaben werden den Gattern bzw. Gates der p-Vorrichtung und der n-Vorrichtung des Übertragungsgatters 814 entsprechend zugeführt. Ein Taktsignal mit einen Arbeitszyklus von etwa 75 Prozent wird an das Übertragungsgatter 814 angelegt. Das Übertragungsgatter 814 arbeitet in Kombination mit dem Kondensator 816, so dass das Taktsignal integriert wird, so dass eine Sägezahnkurvenform Ramp gebildet wird. Die Anstiegszeit der Sägezahnkurvenform Ramp variiert invers mit dem Grad bzw. Ausmaß, in dem das Übertragungsgatter 814 eingeschaltet wird bzw. ist, was eine Funktion der Ausgangsspannung der Verstärkungspumpe 802 darstellt. Der Inverter 818 entlädt in Kombination mit dem Transistor 820 den Kondensator 816, wenn der Takt niedrig wird.
Die Sägezahnkurvenform Ramp wird an den positiven Eingang des Impulsbreiten modulierenden Komparators 810 angelegt. Der Komparator 810 vergleicht die Sägezahnkurvenform Ramp mit einer im Wesentlichen konstanten Referenzspannung Ref2. Auf der Basis des Vergleichs durch den Komparator 810 erzeugt der Komparator 810 ein Impuls moduliertes Steuersignal Pwm_clk, das einen Arbeitszyklus aufweist, der invers bzw. umgekehrt zu der Ausgangsspannung der Verstärkungspumpe 802 variiert. Das Impuls modulierte Steuersignal steuert den Schalttransistor der Verstärkungspumpe 802.
Die Abbildung aus 8B veranschaulicht die Kurven- bzw. Wellenformen, die in dem Prozess der Impulsbreitenmodulation der Regelschaltung 800 gemäß der vorliegenden Erfindung auftreten. Die vorstehenden Kurvenformen stellen die Takteingabe in den Rampengenerator 808 dar, wobei drei Sägezahnkurvenformen Ramp drei unterschiedlichen Ausgangsspannungen der Verstärkungspumpe entsprechen, welche die im Wesentlichen konstante Referenzspannung Ref2 überlagern und das resultierende Impulsbreiten modulierte Steuersignal Pwm_clk. Da die Sägezahnkurvenform Ramp an den positiven Eingang angelegt wird und die Referenzspannung Ref2 an den negativen Eingang des Komparators 810 angelegt wird, erzeugt der Komparator 810 eine verhältnismäßig hohe Ausgangsspannung, wenn die Sägezahnkurvenform Ramp größer ist als die Referenzspannung Ref2 und erzeugt eine verhältnismäßig niedrige Ausgangsspannung, wenn die Sägezahnkurvenform Ramp kleiner ist als die Referenzspannung Ref2.
Wie dies in der Abbildung aus 8B dargestellt ist, ist die Impulsbreite des Impuls modulierten Signals eine Funktion der Zeit, um welche die Sägezahnkurvenform Ramp größer ist als die Referenzspannung Ref2. Da die Steigung der Sägezahnkurvenform Ramp invers bzw. umgekehrt variiert zu der Ausgangsspannung der Verstärkungspumpe 802, gilt, je größer die Verstärkungsausgangsspannung ist, desto kürzer ist die Sägezahnkurvenform Ramp größer als die Referenzspannung Ref2, und folglich desto kleiner ist die Impulsbreite des resultierenden Impulsmodulationssignals. Je kleiner im umgekehrten Fall die Verstärkungsausgangsspannung, desto länger ist die Sägezahnkurvenform Ramp größer als die Referenzspannung Ref2 und folglich desto größer ist die Impulsbreite des Impulsmodulationssignals. Der Arbeitszyklus des Impulsbreiten modulierten Signals variiert somit invers bzw. umgekehrt zu der Verstärkungsausgangsspannung.
Das Impulsbreiten modulierte Signal Pwm_clk wird an den Hochspannungs-Pegelverschieber angelegt, um die Impuls modulierte Signalspannung auf einen ausreichenden Wert zu erhöhen, um den Schalttransistor der Verstärkungspumpe 802 zu steuern. Das Impulsbreiten modulierte Signal Pwm_clk regelt die Verstärkungspumpe 802, so dass diese eine im Wesentlichen konstante gewünschte Ausgangsspannung erzeugt. Die Regelung erfolgt wie folgt. Wenn die Ausgangsspannung der Verstärkungseinrichtung fällt, nimmt der Arbeitszyklus des Impulsbreiten modulierten Signals Pwm_clk zu. Diese Aktion bewirkt, dass der Schalttransistor für einen längeren Zeitraum "eingeschaltet" wird, was wiederum bewirkt, dass mehr Energie zu denn Ausgangskondensator der Verstärkungseinrichtung 802 übertragen wird. Dies erhöht die Verstärkerausgangsspannung, so dass deren anfänglicher Rückgang kompensiert wird. Wenn im umgekehrten Fall die Verstärkerausgangsspannung ansteigt, so geht der Arbeitszyklus des Impulsbreiten modulierten Signals Pwm_clk zurück. Diese Aktion bewirkt, dass sich der Schalttransistor über einen kürzeren Zeitraum "einschaltet", was bewirkt, dass weniger Energie auf den Ausgangstransistor der Verstärkungseinrichtung 802 übertragen wird. Dies reduziert bzw. senkt die Ausgangsspannung der Verstärkungseinrichtung, um deren anfänglichen Anstieg zu kompensieren.
Die Abbildung aus 9A veranschaulicht eine Prinzipskizze/ein Blockdiagramm einer weiteren beispielhaften Regelschaltung 900, die sich für die Regelung der Ausgangsspannung der induktiven Verstärkungspumpe 902 gemäß der vorliegenden Erfindung eignet. Die Regelschaltung 900 empfängt die Ausgangsspannung der Verstärkungspumpe 902 und stellt ein Impulsbreiten moduliertes Steuersignal zur Steuerung des Schalttransistors der Verstärkungspumpe 902 bereit, wie dies vorstehend in Bezug auf die Gleichstrom-Verstärkungsschaltungen 200, 300 und 400 beschrieben worden ist. In dem vorliegenden exemplarischen Ausführungsbeispiel umfasst die Regelschaltung 900 einen Spannungsteiler 904, einen Komparator 906, einen 3-Bit-Zähler 908, eine Logikschaltung 910 und einen Hochspannungs-Pegelverschieber 912.
Im Betrieb wird die Ausgangsspannung der Verstärkungspumpe 902 an den Spannungsteiler 904 angelegt, um eine niedrigere proportionale Rückkopplungsspannung Vfb zu erzeugen. Die Rückkopplungsspannung Vfb wird an den positiven Eingang des Komparators 906 angelegt. Der Komparator 906 vergleicht die Rückkopplungsspannung Vfb mit der Referenzspannung Ref und erzeugt eine verhältnismäßig hohe Spannung, wenn die Rückkopplungsspannung Vfb größer ist als die Referenzspannung Ref, und eine verhältnismäßig niedrige Spannung, wenn die Rückkopplungsspannung Vfb niedriger ist als die Referenzspannung Ref. Die Referenzspannung Ref wird eingesetzt, um die Ausgabe der Verstärkungspumpe 902 auf einen gewünschten Spannungswert zu setzen.
Die Komparatorausgabe wird dem Reset- bzw. Rücksetzeingang des 3-Bit-Zählers 908 zugeführt. Ein Taktsignal steuert den 3-Bit-Zähler 908, so dass wiederholt von binär 0 zu binär 7 gezählt wird, und wobei der Zählwert an den Ausgängen Bit 0, 1, 2 (Bit 2 ist das wertniedrigste Bit und Bit 0 ist das werthöchste Bit des Zählwerts) erzeugt wird. Die Zählerausgaben werden an die Logikschaltung angelegt, welche ein Impulsbreiten moduliertes Signal pwm_clk gemäß der Wahrheitstabelle aus der Abbildung aus 9B erzeugt. Das heißt, er erzeugt einen hohen Wert für den Zählwert 1–6 und einen niedrigen Wert für die Zählwerte 0 und 7.
Die Abbildung aus 9C veranschaulicht die Kurvenformen, die während dem Prozess der Impulsbreitenmodulation der Regelschaltung 900 gemäß der vorliegenden Erfindung auftreten. Der Zählwert verläuft periodisch zyklisch zwischen binär 0 und binär 7. Der Takt bewirkt, dass der 3-Bit-Zähler 908 den Zählwert durch jeden Impuls (Anstiegs- oder abfallende Flanke) des Takts erhöht. Das durch die Logikschaltung 910 erzeugte Impulsbreiten modulierte Signal ist für eine binäre Eingabe 1–6 hoch und niedrig für eine binäre Eingabe von 0 und 7. Das dem Rücksetzeingang des 3-Bit-Zählers zugeführte Signal bewirkt, dass der Zähler einen Zählwert von 0 erzeugt, wenn das Rücksetzsignal hoch ist, wodurch bewirkt wird, dass das Impuls modulierte Signal pwm_clk niedrig wird oder niedrig bleibt, wenn das Rücksetzsignal hoch bleibt. Das Impuls modulierte Signal pwm_clk wird dem Hochspannungs-Pegelverschieber 912 zugeführt, um dessen Leistung auf einen ausreichenden Wert zu erhöhen, um den Schalttransistor der Verstärkungspumpe 902 zu verstärken.
Die Regelung der Verstärkungspumpe 902 verläuft wie folgt. Wenn die Ausgangsspannung bei normalem Betrieb im Wesentlichen der gewünschten Ausgangsspannung entspricht, so bleibt das Signal Reset bzw. das Rücksetzsignal niedrig, d. h. die Rückkopplungsspannung Vfb ist niedriger als die Referenzspannung Ref. Da bestimmt worden ist, dass die Verstärkungspumpe 902 bei einem Arbeitszyklus von 75 Prozent am effizientesten arbeitet, erzeugt der reine zyklische Verlauf des 3-Bit-Zählers ein Impuls moduliertes Signal pwm_clk, das einen Arbeitszyklus von 75 Prozent aufweist. Der Grund dafür ist es, dass sechs hohe Zustände und zwei niedrige Zustände gegeben sind, wenn der Zähler von binär 0 zyklisch zu binär 7 verläuft (siehe 9B). Wenn die Verstärkerausgangsspannung über die gewünschte Ausgangsspannung ansteigt, so steigt die Rückkopplungsspannung Vfb über die Referenzspannung Ref an, was bewirkt, dass der Komparator 906 ein hohes Reset- bzw. Rücksetzsignal erzeugt. Das hohe Rücksetzsignal bewirkt ein Zurücksetzen des Zählers 908, was wiederum vorzeitig bewirkt, dass das Impuls modulierte Signal niedrig wird. Dies reduziert den Arbeitszyklus des Impuls modulierten Signals pwm_clk, wodurch bewirkt wird, dass die Ausgangsverstärkerspannung fällt bzw. zurückgeht, um deren anfänglichen Anstieg zu kompensieren.
Die beschriebenen Regelschaltungen können eingesetzt werden, um die Ausgangsspannung der hierin beschriebenen induktiven Gleichstrom-Verstärkungsschaltungen zu regeln. Darüber hinaus können sie auch eingesetzt werden, um die Ausgangsspannungen anderer Gleichstrom- Verstärkungsschaltungen zu regeln, wie etwa der vorstehend beschriebenen kapazitiven Ladungspumpen-Verstärkungsschaltung.
In der vorstehenden Patentschrift wurde die Erfindung in Bezug auf bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Es ist jedoch offensichtlich, dass diesbezüglich verschiedene Modifikationen und Abänderungen vorgenommen werden können, ohne dabei vom Umfang der Erfindung abzuweichen. Die Patentschrift und die Zeichnungen dienen somit Zwecken der Veranschaulichung und schränken nicht ein.

Claims

Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung (800), die folgendes umfasst: eine Verstärkungspumpe (802) zum Erzeugen einer Gleichstrom-Ausgangsspannung als Reaktion auf eine Eingangs-Gleichstromspannung und ein Impulsbreiten moduliertes Steuersignal (compout); und eine Regelschaltung zum Erzeugen des genannten Impulsbreiten modulierten Steuersignals (compout), dessen Arbeitszyklus umgekehrt zu der genannten Gleichstrom-Ausgangsspannung variiert; dadurch gekennzeichnet, dass die genannte Regelschaltung folgendes umfasst: einen Kurvenformgenerator (808) zum Erzeugen einer Sägezahnkurvenform (Ramp), deren Anstiegszeit umkehrt zu der genannten Ausgangsspannung variiert; und einen Komparator (810) zum Erzeugen des genannten Impulsbreiten modulierten Steuersignals (compout), indem die genannte Sägezahnkurvenform (Ramp) mit einer im Wesentlichen konstanten Spannung (Ref2) verglichen wird.
Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung nach Anspruch 1, wobei der Kurvenformgenerator einen Integrator (814, 816) umfasst, zum Integrieren eines im Wesentlichen rechteckigen Kurvenformtakts, so dass die genannte Sägezahnkurvenform gebildet wird.
Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung nach Anspruch 2, wobei der genannte Integrator folgendes umfasst: ein Übertragungsgatter (814), das durch den im Wesentlichen rechteckigen Kurvenformtakt angesteuert wird; und einen integrierenden Kondensator (816).
Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung nach Anspruch 3, wobei das genannte Übertragungsgatter (814) eine n-Vorrichtung und eine p-Vorrichtung umfasst.
Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung nach Anspruch 3, wobei die genannte Regelschaltung ferner einen Entladungstransistor (820) zum Entladen des integrierenden Kondensators (816) aufweist, wenn der Takt niedrig wird.
Gleichstrom-Spannungsverstärkungsschaltung nach Anspruch 4, wobei die genannte Regelschaltung ferner folgendes umfasst: einen Vorspannungsgenerator (806) zum Erzeugen komplementärer positiver und negativer Vorspannungen (pbias, nbias), die an die Gatter der p-Vorrichtung und der n-Vorrichtung angelegt werden.
Verfahren, das folgendes umfasst: das Erzeugen einer Rückkopplungsspannung (Vfb) von einer Ausgangsspannung; und das Erzeugen eines Steuersignals (compout), das mit einem Arbeitszyklus zyklisch verläuft, der umkehrt zu der genannten Ausgangsspannung variiert, wobei das genannte Steuersignal die genannte Ausgangsspannung regelt, wobei das genannte Erzeugen des genannten Steuersignals das Modulieren einer Anstiegszeit einer Sägezahnkurvenform (Ramp) unter Verwendung der Rückkopplungsspannung umfasst sowie das Vergleichen der genannten modulierten Sägezahnkurvenform (Ramp) mit einer im Wesentlichen konstanten Spannung (Ref2).
Verfahren nach Anspruch 7, wobei das Erzeugen des Steuersignals ferner folgendes umfasst: das Erzeugen komplementärer positiver und negativer Vorspannungen (pbias, nbias), die mit einer Differenz zwischen der Rückkopplungsspannung (Vfb) und einer Referenzspannung (Ref1) variieren; das Zuführen eines Takts (Clk) an ein Übertragungsgatter (814); und das Integrieren des Takts zur Bildung der Sägezahnkurvenform (Ramp) unter Verwendung der komplementären positiven und negativen Vorspannungen, die an deb Übertragungsgatter (814) und einen Kondensator (816) angelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Erzeugen des Steuersignals ferner folgendes umfasst: das Entladen des Kondensators (816), wenn der Takt (Clk) niedrig wird.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Anstiegszeit der Sägezahnkurvenform (Ramp) umgekehrt variiert zu einem Maß, in dem das Übertragungsgatter (814) eingeschaltet wird.