DE102012100146A1

DE102012100146A1 - Spannungsregler

Info

Publication number: DE102012100146A1
Application number: DE201210100146
Authority: DE
Inventors: Roman Riederer
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2011-01-10
Filing date: 2012-01-10
Publication date: 2012-07-12
Also published as: US8866341B2; US20120176109A1; CN102591391A

Abstract

Es wird eine Spannungsreglerschaltung (100) zum Bereitstellen einer geregelten Ausgangsspannung (405) bereitgestellt. Die Spannungsreglerschaltung (100) umfasst einen Fehlerverstärker (104), der dafür ausgelegt ist, auf der Basis mindestens eines Teils einer rückgekoppelten Ausgangsspannung (405) und einer Referenzspannung (403) ein Steuersignal (413) bereitzustellen. Eine erste Ausgangsstufe (201) ist dafür ausgelegt, auf der Basis des Steuersignals (413) mit einer ersten Versorgungsspannung (401) zu arbeiten und die geregelte Ausgangsspannung (405) bereitzustellen. Mindestens eine zweite Ausgangsstufe (202) ist dafür ausgelegt, auf der Basis des Steuersignals (413) mit einer von der ersten Versorgungsspannung (401) verschiedenen zweiten Versorgungsspannung (402) zu arbeiten und die geregelte Ausgangsspannung (405) bereitzustellen. Eine Umschalteinheit (300) ist dafür ausgelegt, das Steuersignal (413) zwischen der ersten Ausgangsstufe (201) und der zweiten Ausgangsstufe (202) umzuschalten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Ausführungsformen betreffen eine elektronische Schaltung, die dafür ausgelegt ist, eine Ausgangsspannung zum Betrieb einer mit ihrem Ausgang verbundenen Last bereitzustellen, und insbesondere eine Spannungsreglerschaltung, die dafür ausgelegt ist, eine geregelte Ausgangsspannung bereitzustellen, und ein Verfahren zum Bereitstellen einer geregelten Ausgangsspannung.
STAND DER TECHNIK
Spannungsreglerschaltungen können eine vorbestimmte Ausgangsspannung bereitstellen, selbst wenn eine mit einem Ausgangsanschluss der Spannungsreglerschaltung verbundene Last variierende Energiemengen verbraucht, d. h. in der Last abgelegte Energie variiert. Die Spannungsreglerschaltung wird bei einer Versorgungsspannung (VDD) betrieben, die durch die Betriebsumgebung der Spannungsreglerschaltung bestimmt wird. Die Betriebsumgebung der Spannungsreglerschaltung kann ein Mobiltelefon, ein Notebook-Computer, ein Personal Computer usw. sein.
Bei Normalbetrieb übersteigt die Versorgungsspannung (VDD) der Spannungsreglerschaltung die durch die Spannungsreglerschaltung bereitgestellte Ausgangsspannung. Eine große Differenz zwischen der Versorgungsspannung und der Ausgangsspannung der Spannungsreglerschaltung kann zu erhöhter Verlustleistung in der Spannungsreglerschaltung führen, was seinerseits besonders für Mobilgeräte zu verringerter Batteriebetriebszeit führt.
Um die Versorgungsspannung an eine gewünschte Ausgangsspannung anzupassen, d. h. um eine vorbestimmte Spannungsdifferenz zwischen der Versorgungsspannung und der Ausgangsspannung bereitzustellen, kann ein Betrieb der Spannungsreglerschaltung unter Verwendung verschiedener Versorgungsspannungen den Gesamtstromverbrauch eines elektronischen Geräts, das die Spannungsreglerschaltung umfasst, verringern. Das Umschalten zwischen verschiedenen Versorgungsspannungen auf effiziente Weise unter Verwendung einer elektronischen Schaltung mit geringem Chipflächenverbrauch ist somit ein Problem.
KURZFASSUNG
Hier beschriebene Ausführungsformen beziehen sich unter anderem auf eine Spannungsreglerschaltung, die dafür ausgelegt ist, eine geregelte Ausgangsspannung bereitzustellen. Die Spannungsreglerschaltung umfasst einen Fehlerverstärker, der dafür ausgelegt ist, auf der Basis mindestens eines Teils einer rückgekoppelten Ausgangsspannung und einer Referenzspannung ein Steuersignal bereitzustellen. Eine erste Ausgangsstufe kann mit einer ersten Versorgungsspannung betrieben werden und die geregelte Ausgangsspannung auf der Basis des Steuersignals bereitstellen. Mindestens eine zweite Ausgangsstufe kann mit einer zweiten Versorgungsspannung betrieben werden, die von der ersten Versorgungsspannung verschieden ist.
Ferner stellt die zweite Ausgangstufe die geregelte Ausgangsspannung auf der Basis des Steuersignals bereit. Eine Umschalteinheit ist dafür ausgelegt, das Steuersignal zwischen der ersten Ausgangsstufe, wenn die Reglerschaltung mit der ersten Versorgungsspannung betrieben wird, und der zweiten Ausgangsstufe, wenn die Spannungsreglerschaltung mit der zweiten Versorgungsspannung betrieben wird, umzuschalten.
Zusätzlich beziehen sich hier beschriebene Ausführungsformen unter anderem auf eine elektronische Schaltung, die dafür ausgelegt ist, eine Ausgangsspannung bereitzustellen, wobei die elektronische Schaltung eine Ausgangsschaltung umfasst, die dafür ausgelegt ist, durch ein Steuersignal gesteuert zu werden. Die Ausgangsschaltung umfasst die erste Ausgangsstufe, die auf der Basis des Steuersignals mit einer ersten Versorgungsspannung betrieben werden und die Ausgangsspannung bereitstellen kann, und mindestens eine zweite Ausgangsstufe, die auf der Basis des Steuersignals mit einer von der ersten Versorgungsspannung verschiedenen zweiten Versorgungsspannung betrieben werden und die Ausgangsspannung bereitstellen kann. Die elektronische Schaltung kann eine Umschalteinheit umfassen, die dafür ausgelegt ist, das Steuersignal zwischen der ersten Ausgangsstufe und der zweiten Ausgangsstufe umzuschalten.
Gemäß einer weiteren hier beschriebenen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Bereitstellen einer geregelten Ausgangsspannung Bereitstellen einer Referenzspannung, Bereitstellen einer ersten Versorgungsspannung, Regeln der Ausgangsspannung auf der Basis der Referenzspannung und der ersten Versorgungsspannung, Umschalten von der ersten Versorgungsspannung auf mindestens eine von der ersten Versorgungsspannung verschiedene zweite Versorgungsspannung und Regeln der Ausgangsspannung auf der Basis der Referenzspannung und der zweiten Versorgungsspannung.
Der Spannungsregler gemäß hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst mindestens zwei Ausgangsstufen, die mit verschiedenen Versorgungsspannungen betrieben werden können. Auf der Basis eines Steuersignals, das durch einen Fehlerverstärker erzeugt wird, kann eine geregelte Ausgangsspannung an mindestens einer der Ausgangsstufen bereitgestellt werden. Der Fehlerverstärker stellt das Steuersignal auf der Basis mindestens eines Teils einer rückgekoppelten Ausgangsspannung und einer Referenzspannung bereit.
Für Fachleute sind bei Durchsicht der folgenden ausführlichen Beschreibung und Betrachtung der beigefügten Zeichnungen zusätzliche Merkmale und Vorteile ersichtlich.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die Komponenten in den Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, stattdessen wird die Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung betont. Darüber hinaus kennzeichnen in den Figuren gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile. Es zeigen:
1 ein Blockschaltbild einer mit zwei verschiedenen Versorgungsspannungen ausgestatteten Spannungsreglerschaltung gemäß einer Ausführungsform;
2 ein detailliertes Blockschaltbild einer Spannungsreglerschaltung mit einer Umschalteinheit gemäß einer Ausführungsform;
3 ein detailliertes Schaltbild der in 2 abgebildeten Spannungsreglerschaltung;
4 ein detailliertes Schaltbild einer Spannungsreglerschaltung mit Stromspiegeln in ihren Ausgangsstufen gemäß einer Ausführungsform;
5 ein Schaltbild einer mit NMOS-Transistoren ausgestatteten Spannungsreglerschaltung gemäß einer Ausführungsform; und
6 ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen einer geregelten Ausgangsspannung gemäß einer Ausführungsform.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Es wird nun ausführlich auf verschiedene Ausführungsformen Bezug genommen, für die ein oder mehrere Beispiele in den Figuren dargestellt sind. In der folgenden Beschreibung der Zeichnungen beziehen sich dieselben Bezugszahlen auf selbe Komponenten. Im Allgemeinen werden nur die Unterschiede mit Bezug auf individuelle Ausführungsformen beschrieben. Jedes Beispiel wird zur Erläuterung angegeben und soll keine Beschränkung sein. Zum Beispiel können als Teil einer Ausführungsform dargestellte oder beschriebene Merkmale in oder in Verbindung mit anderen Ausführungsformen verwendet werden, um eine weitere Ausführungsform zu ergeben.
1 zeigt ein Blockschaltbild einer Schaltungsanordnung mit einer Spannungsreglerschaltung 100 gemäß einer Ausführungsform. Die Spannungsreglerschaltung 100 ist dafür ausgelegt, eine Ausgangsspannung 405, die auf einen gewünschten konstanten Wert geregelt werden kann, und einen Ausgangsstrom 410, der sich auf der Basis von für eine externe Last 204 bereitgestellter Leistung ändern kann, bereitzustellen. Das Regeln der Ausgangsspannung 405 basiert auf einer als eine Eingabe für die Spannungsreglerschaltung 100 bereitgestellten Referenzspannung 403. Die Referenzspannung 403 wird durch eine Referenzspannungsquelle 103 erzeugt, die zwischen einen Eingangsanschluss der Spannungsreglerschaltung 100 und Masse 110 geschaltet ist.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine Reglerversorgungsspannung direkt über eine Versorgungsspannungsquelle, z. B. eine Batterie, oder über mindestens eine zweite Versorgungsspannungsquelle bereitgestellt werden, wobei die zweite Versorgungsspannungsquelle durch die erste Versorgungsspannungsquelle betrieben werden kann. Ein Auswahlsignal 404 wird in die Spannungsreglerschaltung 100 eingegeben, wobei das Auswahlsignal 404 eine Spannungsdomäne bestimmt, die zum Betrieb der Reglerschaltung 100 verwendet wird. Ein Umschalten zwischen verschiedenen Spannungsdomänen und der Betrieb über das durch die Spannungsreglerschaltung 100 empfangene Auswahlsignal 404 werden im Folgenden mit Bezug auf 4 und 5 beschrieben.
In der in 1 gezeigten Schaltungsanordnung kann eine Versorgungsspannung für die Spannungsreglerschaltung 100 auf verschiedene Weisen bereitgestellt werden. Es ist eine erste Versorgungsspannungsquelle 101 vorgesehen, die eine erste Versorgungsspannung 401 (VDD1) erzeugt. Die erste Versorgungsspannung 401 kann direkt an der Spannungsreglerschaltung 100 angelegt werden. Insbesondere bei Mobilgeräten kann ein Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 108 mit der ersten Versorgungsspannungsquelle 101 in Reihe geschaltet sein, wobei an dem Ausgangsanschluss des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 108 eine zweite Versorgungsspannung 402 (VDD2) erzeugt wird. Die zwischen dem Ausgangsanschluss des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 108 und Masse 110 bereitgestellte zweite Versorgungsspannung 402 kann auch für die Spannungsreglerschaltung 100 bereitgestellt werden.
Das Auswahlsignal 404 kann nun verwendet werden, um zwischen der ersten Versorgungsspannung 401 und der zweiten Versorgungsspannung 402 umzuschalten. Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 108 wird verwendet, um die erste Versorgungsspannung 401 um einen Betrag einer Differenzspannung 406 zu verringern, um die zweite Versorgungsspannung 402 bereitzustellen. Die Verringerung der ersten Versorgungsspannung 401 ist vorteilhaft, wenn die zweite Versorgungsspannung 402 zum Betrieb der Spannungsreglerschaltung 100 ausreicht. Eine verringerte Versorgungsspannung für die Spannungsreglerschaltung 100 führt zu verringerter Verlustleistung in der Spannungsreglerschaltung 100 und somit zu längerer Betriebszeit von batteriebetriebenen Geräten.
Beispielsweise kann die erste Versorgungsspannungsquelle 101 als eine Lithiumionenbatterie (Li* Batterie) vorgesehen sein, die typischerweise eine Ausgangsspannung von 4,2 V bereitstellt. Bei vielen batteriebetriebenen Geräten beträgt eine gewünschte Ausgangsspannung 405 der Spannungsreglerschaltung 100 z. B.

a. U_OUT = 3 V.

Der Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler 108, der mit einer Eingangsspannung von 4,2 V betrieben wird, kann die Eingangsspannung von 4,2 V auf einen Wert von 3,3 V verringern.
Durch Umschalten auf die zweite Ausgangsspannung 402 kann somit die Differenzspannung 406 zwischen der Reglerversorgungsspannung und der Ausgangsspannung 405 um einen Faktor 4 verringert werden, z. B. beträgt die Spannungsdifferenz für einen Betrieb mit der zweiten Versorgungsspannung 402

a. (3,3 V – 3 V) = 300 mV,

402

a. (4,2 V – 3 V) = 1200 mV

Diese Verringerung der Differenzspannung 406 kann zu einer großen Verringerung der in der Spannungsreglerschaltung 100 umgesetzten Leistung führen.
Dann kann ein Umschalten durchgeführt werden, wenn die Batterie (z. B. die Lithiumionenbatterie) auf einen Wert dergestalt entladen ist, dass die Ausgangsspannung des Gleichstrom-Gleichstrom-Wandlers 108 unter 3 V fällt. In diesem Fall ist die Spannungsreglerschaltung 100 nicht in der Lage, eine geregelte Ausgangsspannung 405 von 3 V bereitzustellen. Dann wird die erste Versorgungsspannungsquelle 101 durch die Lithiumionenbatterie dargestellt, so dass die erste Versorgungsspannung 401 für die Spannungsreglerschaltung 100 bereitgestellt wird. Nun wurde die Differenz zwischen der ersten Versorgungsspannung 401 und der Ausgangsspannung 405 der Spannungsreglerschaltung 100 verringert, weil die Batterie bereits auf einen bestimmten Betrag entladen ist. Somit wird eine effiziente Nutzung von Batterieenergie gewährleistet.
2 ist ein Blockschaltbild zur Veranschaulichung eines Betriebs der Spannungsreglerschaltung 100. Die Spannungsreglerschaltung 100 ist mit einer Referenzspannungsquelle 103 verbunden, die als Grundlage für das Regeln der Ausgangsspannung 405 eine Referenzspannung 403 (siehe 1) bereitstellt. Die Ausgangsspannung 405 ist an die externe Last 204 angelegt gezeigt.
Wie in 2 gezeigt, umfasst die Spannungsreglerschaltung 100 einen Fehlerverstärker 104, der die Referenzspannung 403 von der Referenzspannungsquelle 103 an seinem nichtinvertierenden Eingang („+”-Eingang) empfängt. Der invertierende Eingang („–”-Eingang) des Fehlerverstärkers 104 empfängt ein Rückkopplungssignal 408 von einem Rückkopplungsknoten 203 an einem Ausgang der Spannungsreglerschaltung 100. Der Rückkopplungsknoten 203 ist mit einem Ausgangsanschluss 111 verbunden, der eine Verbindung zu der externen Last 204 bereitstellt. Ein Ausgangsstrom 410 der Spannungsreglerschaltung 100 fließt von dem Ausgangsanschluss 111 durch den externen Knoten 204 nach Masse 110.
Zwischen dem Ausgangsanschluss 111 und Masse 110 ist ein Pufferkondensator 109 geschaltet. Der Pufferkondensator 109 gewährleistet Glättung der Ausgangsspannung 405 und verringerte Welligkeitsverzerrungen, die während des Umschaltens verschiedener Versorgungsspannungen 401, 402 auftreten könnten. Auf der Basis des Rückkopplungssignals 408 und der Referenzspannung 403, die an den Eingängen des Fehlerverstärkers 104 bereitgestellt sind, erzeugt der Fehlerverstärker 104 ein Steuersignal 413, das zur Regelung der Ausgangsspannung 405 über eine Umschalteinheit 300 und eine Ausgangsschaltung 200 bereitgestellt wird.
Die Ausgangsschaltung 200 umfasst zwei Ausgangsstufen, z. B. eine mit der ersten Versorgungsspannung 401 (VDD1) versehene erste Ausgangsstufe 201 und eine mit der zweiten Versorgungsspannung 402 (VDD2) versehene zweite Ausgangsstufe 202. Auf der Basis des Auswahlsignals 404 leitet die Umschalteinheit 300 das Steuersignal 413 entweder zu der ersten Ausgangsstufe 201 oder der zweiten Ausgangsstufe 202 der Ausgangsschaltung 200, die in der Spannungsreglerschaltung 100 vorgesehen ist. Die vorliegende Anmeldung ist nicht auf eine Ausgangsschaltung 200 mit zwei Ausgangsstufen 201, 202 beschränkt, stattdessen können drei oder mehr Ausgangsstufen vorgesehen sein, die mit untereinander verschiedenen Versorgungsspannungen betrieben werden können. Zum Beispiel können mehr als zwei Ausgangsstufen 201, 202 vorgesehen werden, wenn mehr als zwei verschiedene Versorgungsspannungen 401, 402 vorgesehen sind, um die Spannungsreglerschaltung 100 zu betreiben.
Der Betrieb der Spannungsregelung in der Spannungsreglerschaltung 100 auf der Basis der durch die Referenzspannungsquelle 103 bereitgestellten Referenzspannung 403 und des Rückkopplungssignals 408 wird im Folgenden mit Bezug auf 3 erläutert. Die Ausgangsspannung 405, die an der externe Last 204 bereitgestellt ist, wird kontinuierlich gesteuert, selbst wenn ein Umschalten von der mit der ersten Versorgungsspannung 401 betriebenen ersten Ausgangsstufe 201 zu der mit der zweiten Versorgungsspannung 402 betriebenen zweiten Ausgangsstufe 202 vorliegt. Durch Umschalten der Ausgangsstufen 201, 202 ist im Vergleich zu dem Fall, wenn die Versorgungsspannung für die gesamte Spannungsreglerschaltung 100 geändert wird, weniger Chipflächenverbrauch notwendig. Ferner sind die Verzerrungen an der Ausgangspannung 405 gering.
Auf der Basis des Steuersignals 413 kann die erste Ausgangsstufe 201 mit der ersten Versorgungsspannung 401 betrieben werden und kann die Ausgangsspannung 405 bereitstellen. Die mindestens eine in der Ausgangsschaltung 200 vorgesehene zweite Ausgangsstufe 202 kann dagegen auf der Basis des Steuersignals 413 mit der von der ersten Versorgungsspannung 401 verschiedenen zweiten Versorgungsspannung 402 betrieben werden und kann dieselbe Ausgangsspannung 405 wie die erste Ausgangsstufe 401 bereitstellen.
In der Spannungsreglerschaltung 100 ist die Umschalteinheit 300 vorgesehen, die im Folgenden ausführlich erläutert wird und die als ein Schalter betrachtet werden kann, der durch das Auswahlsignal 404 betätigt wird. Die Umschalteinheit 300 kann das Steuersignal 413 zu einer der in der Ausgangsschaltung 200 der Spannungsreglerschaltung 100 vorgesehenen Ausgangsstufen 201, 202 leiten.
Die Spannungsreglerschaltung 100 kann betrieben werden, indem auf der Basis des Steuersignals 413 der ersten Ausgangsstufe 201 die erste Versorgungsspannung 401 zugeführt wird und indem die geregelte Ausgangsspannung 405 bereitgestellt wird, oder indem auf der Basis des Steuersignals 113 der zweiten Ausgangsstufe 202 die von der ersten Versorgungsspannung 401 verschiedene zweite Versorgungsspannung 402 zugeführt wird und indem die geregelte Ausgangsspannung 405 bereitgestellt wird.
3 ist ein ausführliches Blockschaltbild der in 2 gezeigten Schaltungsanordnung, wobei die Erzeugung des Rückkopplungssignals 408 und der Aufbau der Ausgangsschaltung 200 ausführlicher dargestellt sind. Das Rückkopplungssignal 408 ist als eine zwischen dem Rückkopplungsknoten 203 und Masse 110 gemessene Spannung vorgesehen, so dass der Fehlerverstärker 104 die Referenzspannung 403 mit dem Rückkopplungssignal 408 vergleichen kann. Somit kann eine Ausgangsspannung 405 der Spannungsreglerschaltung 100 geregelt werden.
Sowohl die erste Ausgangsstufe 201 als auch die zweite Ausgangsstufe 202 können PMOS-Transistoren umfassen. Die jeweiligen Gates der PMOS-Transistoren empfangen das Steuersignal 413 über die Umschalteinheit 300. Abhängig von dem Auswahlsignal 404 wird entweder die erste Ausgangsstufe 201 oder die zweite Ausgangsstufe 202 zum Regeln eines Spannungspotentials an dem Rückkopplungsknoten 203, d. h. zum Regeln der an die externe Last 204 angelegten Ausgangsspannung 405 verwendet.
Ein Teil des Ausgangsstroms 410 fließt durch eine Spannungsteilerschaltung 105, die zwischen den Rückkopplungsknoten 203 und Masse 110 geschaltet ist. bei der in 3 gezeigten Schaltungsanordnung umfasst die Spannungsteilerschaltung 105 zwei in Reihe geschaltete Widerstände, z. B. einen ersten Spannungsteilerwiderstand 106 und einen zweiten Spannungsteilerwiderstand 107. Somit wird die Ausgangsspannung 405 gemäß einem durch die Spannungsteilerschaltung 105 bereitgestellten Teilerverhältnis geteilt. Ein Teil der Ausgangsspannung 405, z. B. das Rückkopplungssignal 408, wird an dem invertierenden Eingang („–”) des Fehlerverstärkers 104 bereitgestellt. Das Rückkopplungssignal 408 entspricht einer Spannung, die an den zweiten Spannungsteilerwiderstand 107 der Spannungsteilerschaltung 105 angelegt ist.
Beim Umschalten von der mit der ersten Versorgungsspannung 401 betriebenen ersten Ausgangsstufe 201 auf die mit der zweiten Versorgungsspannung 402 betriebene zweite Ausgangsstufe 202 bleibt die Ausgangsspannung 405 konstant oder nahezu konstant, und eine Regelschleife wird über Ausgangsspannungsrückkopplung geschlossen, wobei die Rückkopplungsspannung durch die Spannungsteilerschaltung 105 bereitgestellt wird.
Es können verschiedene Versorgungsspannungen 401, 402 für die Ausgangsstufen 201, 202 der Ausgangsschaltung (siehe 2) vorgesehen werden, während die übrigen Schaltungskomponenten, z. B. der Fehlerverstärker 104 und die Umschalteinheit 300, mit der höheren Versorgungsspannung der Versorgungsspannungen 401, 402 betrieben werden, die in diesem Fall der Versorgungsspannung 401 (VDD1) entspricht. Selbst wenn die Versorgungsspannungen für die Schaltungskomponenten mit Ausnahme der zweiten Ausgangsstufe 202 mit der höheren Versorgungsspannung 401 betrieben werden, kann ein hoher Wirkungsgrad der gesamten Spannungsreglerschaltung 100 erhalten werden, weil eine Spannungsdifferenz zwischen den Versorgungsspannungen 401, 402 und der Ausgangsspannung 405 verringert sein kann, so dass eine verringerte Verlustleistung in der Ausgangsschaltung 200 erhalten wird.
Gemäß der in 3 gezeigten Schaltungsanordnung können zwei Ausgangsstufen 201, 202 alternativ mit einer einzigen Rückkopplungsschleife betrieben werden. Die einzige Rückkopplungsschleife wird durch die Spannungsteilerschaltung 105 und eine den Verbindungspunkt der Reihenspannungsteilerwiderstände 106, 107 und des invertierenden Eingangs des Fehlerverstärkers 104 verbindende Leitung bereitgestellt. Das Spannungsteilerverhältnis der Spannungsteilerschaltung 105 kann durch Ändern des ersten Spannungsteilerwiderstands 106 und/oder des zweiten Spannungsteilerwiderstands 107 geändert werden. Aufgrund der Rückkopplungsschleife ändert eine Änderung des Spannungsteilerverhältnisses die Ausgangsspannung 405.
4 ist ein ausführliches Schaltbild einer Spannungsreglerschaltung gemäß noch einer weiteren typischen Ausführungsform. Wie in 4 gezeigt, umfassen die Ausgangsstufen der Spannungsreglerschaltung Stromspiegelschaltungen, z. B. eine erste Stromspiegelschaltung 501 und eine zweite Stromspiegelschaltung 502. Die Stromspiegelschaltungen sind durch PMOS-Transistoren aufgebaut. Einer der PMOS-Transistoren in den Stromspiegelschaltungen 501, 502 ist für Betrieb als Spiegeldiode geschaltet, z. B. ist eine erste Spiegeldiode 506 in der ersten Stromspiegelschaltung 501 und eine zweite Spiegeldiode 507 in der zweiten Stromspiegelschaltung 502 vorgesehen. Eine Regelung des Ausgangsstroms 410 wird durch jeweilige Spiegeltransistoren gewährleistet, z. B. durch einen ersten Spiegeltransistor 508 der ersten Stromspiegelschaltung 501, wenn die erste Versorgungsspannung 401 für den Betrieb der Spannungsreglerschaltung 100 verwendet wird, und durch einen zweiten Spiegeltransistor 509 der zweiten Stromspiegelschaltung 502, wenn die zweite Versorgungsspannung 402 für den Betrieb der Spannungsreglerschaltung 100 verwendet wird.
Das Ausgangssignal des Fehlerverstärkers 104, z. B. das Steuersignal 413, wird von einem Gate eines Treibertransistors 503 empfangen. Ferner empfangen ein erster und zweiter Kaskodentransistor 504, 505 ein Ausgangssignal einer Schalteinheit 304. Die Schalteinheit 304 wird durch das Auswahlsignal 404 gesteuert und gibt entweder eine erste Schaltspannung 411 oder eine zweite Schaltspannung 412 zum Steuern des jeweiligen Kaskodentransistors 504 oder 505 aus. Wenn der erste Kaskodentransistor 504 durch das Auswahlsignal 404 ausgewählt wird, bilden der erste Kaskodentransistor 504 und der Treibertransistor 503 eine Kaskodenschaltung. Wenn dagegen der zweite Cascodetransistor 504 durch das Auswahlsignal 404 ausgewählt wird, bilden der zweite Cascodetransistor 504 und der Treibertransistor 503 eine andere Kaskodenschaltung.
Die Rückkopplungsschleife zum Regeln der Ausgangsspannung 405 der Spannungsreglerschaltung 100 umfasst die Spannungsteilerschaltung 105 und eine Leitung, die einen Verbindungspunkt des ersten Spannungsteilerwiderstands 106 und des zweiten Spannungsteilerwiderstands 107 mit dem invertierenden Eingang („–”) des Fehlerverstärkers 104 verbindet. Das erhaltene Steuersignal 413, das einer Differenz zwischen der Referenzspannung 403 und dem Rückkopplungssignal 408 entspricht, wird somit zum Steuern entweder der ersten Stromspiegelschaltung 501 oder der zweiten Stromspiegelschaltung 502 verwendet.
Die Spannungsreglerschaltung 100 in 4 ist in drei Stufen aufgebaut, wobei die erste Stufe durch den Fehlerverstärker 104 gebildet wird, die zweite Stufe durch eine Kombination der ersten Spiegeldiode 506 und des Treibertransistors 503, wenn die erste Ausgangsstufe ausgewählt wird, und durch eine Kombination der zweiten Spiegeldiode 507 der zweiten Stromspiegelschaltung 502 und des Treibertransistors 503, wenn die zweite Ausgangsstufe ausgewählt wird, gebildet wird und die dritte Stufe entweder durch den ersten Spiegeltransistor 508, wenn die erste Ausgangsstufe ausgewählt wird, oder durch den zweiten Spiegeltransistor 509, wenn die zweite Ausgangsstufe ausgewählt wird, dargestellt wird.
Ein durch den Treibertransistor 503 fließender Treiberstrom 409 ist nahezu unabhängig von den Versorgungsspannungen 401 bzw. 402, weil der Treiberstrom 409 in Abhängigkeit von entweder durch die erste Stromspiegelschaltung 501 oder die zweite Stromspiegelschaltung 502 bereitgestellten Stromspiegelverhältnissen in den Ausgangsstrom 410 gespiegelt wird. Auf diese Weise wird der Treiberstrom 409 von der ersten Stromspiegeischaltung 501 zu der zweiten Stromspiegelschaltung 502 transferiert oder umgekehrt, wenn das Umschalten durch das Auswahlsignal 404 durchgeführt wird.
5 ist ein detailliertes Schaltbild einer Spannungsreglerschaltung gemäß noch einer weiteren Ausführungsform. Die in 5 gezeigte Schaltungsanordnung umfasst zwei Stufen, die durch den Fehlerverstärker 104 (erste Stufe) bzw. Ausgangstransistoren 510 und 511 (zweite Stufe) aufgebaut sind. Wie bei dem in 4 gezeigten Aufbau ist eine Umschalteinheit 300 vorgesehen, um das durch den Fehlerverstärker 104 ausgegebene Steuersignal 413 entweder auf die erste Ausgangsstufe, z. B. einen ersten Ausgangstransistor 510, oder auf die zweite Ausgangsstufe, z. B. den zweiten Ausgangstransistor 511, zu schalten.
Wie in 5 angegeben, sind die Transistoren 510, 511 der Ausgangsstufen als NMOS-Transistoren vorgesehen, während die in dem in 4 gezeigten Aufbau verwendeten Transistoren als PMOS-Transistoren vorgesehen sind. Komponenten, die bereits mit Bezug auf 1–4 beschrieben wurden, werden hier nicht beschrieben, um eine redundante Beschreibung zu vermeiden.
Die in den Spannungsreglerschaltungen der in 1–3 gezeigten Anordnung verwendete Umschalteinheit 300 ist in 5 detailliert. Wie in 5 gezeigt, ist die Umschalteinheit 300 durch zwei Schalter aufgebaut, die eine Verbindung eines Ausgangsanschlusses des Fehlerverstärkers 104 entweder mit dem Gate des ersten Ausgangstransistors 510 oder dem Gate des zweiten Ausgangstransistors 511 bereitstellen. Der Ausgangstransistor 510, 511, der nicht für den Betrieb verwendet wird, wird durch den in der Umschalteinheit 300 enthaltenen zweiten Schalter blockiert. Die Umschalteinheit 300 kann aus mindestens zwei MOS-Schaltern gebildet werden, wobei jeder der MOS-Schalter einen mit einem NMOS-Transistor parallel geschalteten PMOS-Transistor umfassen kann, Das Auswahlsignal 404 wird wieder zum Betätigen der in der Umschalteinheit 300 enthaltenen Schalter verwendet.
In 5 ist die Last nicht gezeigt, aber es versteht sich, dass der Ausgangsanschluss 111 zum Ausgeben des Ausgangsstroms 410 an eine externe Last verwendet wird. Somit ist 5 eine Implementierung der Spannungsreglerschaltung von 2 in NMOS-Konfiguration und 4 ist eine Implementierung der Spannungsreglerschaltung von 2 in PMOS-Implementierung. Beim Umschalten von der ersten Versorgungsspannung 401 auf die zweite Versorgungsspannung 402, die von der ersten Versorgungsspannung 401 verschieden ist, wird dadurch ein Schalten des Steuersignals 413 von dem ersten Ausgangstransistor 510 auf den zweiten Ausgangstransistor 511 durchgeführt.
6 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens zum Bereitstellen einer geregelten Ausgangsspannung 405 auf der Basis einer Referenzspannung 403, wobei zwei verschiedene Versorgungsspannungen 401, 402 verwendet werden. Die Prozedur wird gestartet (Schritt 601). Die Referenzspannung 403 wird bereitgestellt (Schritt 602). Die hier oben beschriebene Spannungsreglerschaltung wirtd dann mit einer ersten Versorgungsspannung 401 versehen (Schritt 603). Durch Regeln der Ausgangsspannung 405 auf der Basis der Referenzspannung 403 und der ersten Versorgungsspannung 401 wird dann eine Steuerung der Ausgangsspannung 405 durchgeführt (Schritt 604).
Wenn bestimmt wird, dass eine andere Versorgungsspannung für die Spannungsreglerschaltung, insbesondere für die Ausgangsschaltung der Spannungsreglerschaltung erwünscht ist, wird die Spannungsreglerschaltung von der ersten Versorgungsspannung 401 auf mindestens eine von der ersten Versorgungsspannung 401 verschiedene zweite Versorgungsspannung 402 umgeschaltet (Schritt 605). Wieder steuert die hier oben beschriebene Spannungsreglerschaltung die Ausgangsspannung 405 auf der Basis der Referenzspannung 103 und der Versorgungsspannung, die in diesem Fall die zweite Versorgungsspannung 402 ist (Schritt 606). Die Prozedur wird dann beendet (607).
Durch Bereitstellen des hier oben beschriebenen Spannungsregelungsverfahrens kann der Chipflächenverbrauch verringert werden. Es kann ein glattes Überwechseln von einer Ausgangsstufe zu einer anderen Ausgangsstufe der Ausgangsschaltung 200 erhalten werden. Dadurch kann eine effiziente Benutzung von Energie einer Spannungsquelle z. B. in mobilen elektronischen Geräten, gewährleistet werden.
Ausdrücke wie „erstes”, „zweites” und dergleichen werden auch verwendet, um verschiedene Elemente, Regionen, Teile usw. zu beschreiben und sind nicht als Beschränkung gedacht. Gleiche Ausdrücke beziehen sich in der gesamten Beschreibung auf gleiche Elemente.
Im vorliegenden Gebrauch sind die Ausdrücke „aufweisend”, „enthaltend”, „einschließend”, „umfassend” und dergleichen Ausdrücke mit offenem Ende, die die Anwesenheit von angegebenen Elementen oder Merkmalen angeben, aber zusätzliche Elemente oder Merkmale nicht ausschließen. Die Artikel „ein”, „eine” und „das” sollen Plural wie Singular umfassen, sofern es der Kontext nicht deutlich anders angibt.
Mit Rücksicht auf den obigen Umfang von Varianten und Anwendungen versteht sich, dass die vorliegende Erfindung durch die obige Beschreibung nicht beschränkt wird und auch nicht durch die beigefügten Zeichnungen beschränkt wird. Stattdessen wird die vorliegende Erfindung nur durch die folgenden Ansprüche und ihre rechtlichen Aquivalenle beschränkt.
Die Erfindung betrifft außerdem eine Vorrichtung zum Ausführen der offenbarten Verfahren und mit Vorrichtungsteilen zum Ausführen jeder beschriebenen Verfahrensschritte. Diese Verfahrensschritte können mittels Hardwarekomponenten, eines durch entsprechende Software programmierten Computers oder eine beliebige Kombination von beidem auf beliebige andere Weise ausgeführt werden. Ferner betrifft die Erfindung auch Verfahren, durch die die beschriebene Vorrichtung arbeitet. Sie umfasst Verfahrensschritte zum Ausführen jeder Funktion der Vorrichtung.

Claims

Spannungsreglerschaltung (100) zum Bereitstellen einer geregelten Ausgangsspannung (405), umfassend: einen Fehlerverstärker (104), der dafür ausgelegt ist, auf der Basis mindestens eines Teils einer rückgekoppelten Ausgangsspannung (405) und einer Referenzspannung (403) ein Steuersignal (413) bereitzustellen; eine erste Ausgangsstufe (201), die dafür ausgelegt ist, auf der Basis des Steuersignals (413) mit einer ersten Versorgungsspannung (401) zu arbeiten und die geregelte Ausgangsspannung (405) bereitzustellen; mindestens eine zweite Ausgangsstufe (202), die dafür ausgelegt ist, auf der Basis des Steuersignals (413) mit einer von der ersten Versorgungsspannung (401) verschiedenen zweiten Versorgungsspannung (402) zu arbeiten und die geregelte Ausgangsspannung (405) bereitzustellen; und eine Umschalteinheit (300), die dafür ausgelegt ist, das Steuersignal (413) zwischen der ersten Ausgangsstufe (201) und der zweiten Ausgangsstufe (202) umzuschalten.
Spannungsreglerschaltung (100) nach Anspruch 1, die ferner eine Referenzspannungsquelle (103) umfasst, die dafür ausgelegt ist, die Referenzspannung (403) bereitzustellen.
Spannungsreglerschaltung (100) nach Anspruch 1 oder 2, die ferner eine erste Versorgungsspannungsquelle (101) umfasst, die dafür ausgelegt ist, die erste Versorgungsspannung (401) bereitzustellen.
Spannungsreglerschaltung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, die ferner einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler umfasst, der dafür ausgelegt ist, die zweite Versorgungsspannung (402) auf der Basis der ersten Versorgungsspannung (401) bereitzustellen, wobei die zweite Versorgungsspannung (402) niedriger als die erste Versorgungsspannung (401) ist.
Spannungsreglerschaltung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste Ausgangsstufe (201) und die mindestens eine zweite Ausgangsstufe (202) jeweils Stromspiegelschaltungen (501, 502) umfassen.
Spannungsreglerschaltung (100) nach Anspruch 5, wobei jede Stromspiegelschaltung (501, 502) durch PMOS-Transistoren gebildet ist.
Spannungsreglerschaltung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Umschalteinheit (300) mindestens zwei MOS-Schalter umfasst.
Spannungsreglerschaltung (100) nach Anspruch 7, wobei jeder MOS-Schalter einen zu einem NMOS-Transistor parallel geschalteten PMOS-Transistor umfasst.
Elektronische Schaltung zum Bereitstellen einer Ausgangsspannung (405), umfassend: eine Ausgangsschaltung (200), die dafür ausgelegt ist, durch ein Steuersignal (413) gesteuert zu werden, wobei die Ausgangsschaltung (200) Folgendes umfasst: eine erste Ausgangsstufe (201), die dafür ausgelegt ist, auf der Basis des Steuersignals (413) mit einer ersten Versorgungsspannung (401) zu arbeiten und die Ausgangsspannung (405) bereitzustellen; und mindestens eine zweite Ausgangsstufe (202), die dafür ausgelegt ist, auf der Basis des Steuersignals (413) mit einer von der ersten Versorgungsspannung (401) verschiedenen zweiten Versorgungsspannung (402) zu arbeiten und die Ausgangsspannung (405) bereitzustellen; und eine Umschalteinheit (300), die dafür ausgelegt ist, das Steuersignal (413) zwischen der ersten Ausgangsstufe (201) und der zweiten Ausgangsstufe (202) umzuschalten.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 9, die ferner eine erste Versorgungsspannungsquelle (101) umfasst, die dafür ausgelegt ist, die erste Versorgungsspannung (401) bereitzustellen.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 9 oder 10, die ferner einen Gleichstrom-Gleichstrom-Wandler umfasst, der dafür ausgelegt ist, die zweite Versorgungsspannung (402) auf der Basis der ersten Versorgungsspannung (401) bereitzustellen, wobei die zweite Versorgungsspannung (402) niedriger als die erste Versorgungsspannung (401) ist.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die erste Ausgangsstufe (201) und die mindestens eine zweite Ausgangsstufe (202) jeweils Stromspiegelschaltungen (501, 502) umfassen.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 12, wobei jede Stromspiegelschaltung (501, 502) durch PMOS-Transistoren gebildet ist.
Elektronische Schaltung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Umschalteinheit (300) mindestens zwei MOS-Schalter umfasst.
Elektronische Schaltung nach Anspruch 14, wobei jeder MOS-Schalter einen zu einem NMOS-Transistor parallel geschalteten PMOS-Transistor umfasst.
Verfahren zum Bereitstellen einer geregelten Ausgangsspannung (405), umfassend: Bereitstellen einer Referenzspannung (403); Bereitstellen einer ersten Versorgungsspannung (401); Regeln der Ausgangsspannung (405) auf der Basis der Referenzspannung (403) und der ersten Versorgungsspannung (401); Umschalten von der ersten Versorgungsspannung (401) auf mindestens eine zweite Versorgungsspannung (402), die von der ersten Versorgungsspannung (401) verschieden ist; und Regeln der Ausgangsspannung (405) auf der Basis der Referenzspannung (403) und der zweiten Versorgungsspannung (402).
Verfahren nach Anspruch 16, wobei ein Steuersignal (413) auf der Basis mindestens eines Teils einer rückgekoppelten Ausgangsspannung (405) und der Referenzspannung (403) bereitgestellt wird, wobei das Steuersignal (413) eine erste Ausgangsstufe (201) und/oder eine zweite Ausgangsstufe (202) steuert.
Verfahren nach Anspruch 17, ferner umfassend Betreiben der ersten Ausgangsstufe (201) mit der ersten Versorgungsspannung (401) und Bereitstellen der geregelten Ausgangsspannung (405) auf der Basis des Steuersignals (413).
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 bis 18, ferner umfassend: Betreiben der zweiten Ausgangsstufe (202) mit der mindestens einen von der ersten Versorgungsspannung (401) verschiedenen zweiten Versorgungsspannung (402); und Bereitstellen der geregelten Ausgangsspannung (405) auf der Basis des Steuersignals (413).
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 bis 19, wobei das Umschalten von der ersten Versorgungsspannung (401) auf mindestens eine von der ersten Versorgungsspannung (401) verschiedene zweite Versorgungsspannung (402) ein Umschalten des Steuersignals (413) von der ersten Ausgangsstufe (201) auf die zweite Ausgangsstufe (202) umfasst.