DE102013114097B4

DE102013114097B4 - Vorgelagerte Schaltregler-Steuereinheit zum vorübergehenden Speichern von Strom

Info

Publication number: DE102013114097B4
Application number: DE102013114097.1A
Authority: DE
Inventors: William J. Dally
Original assignee: Nvidia Corp
Current assignee: Nvidia Corp
Priority date: 2013-02-08
Filing date: 2013-12-16
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2033-12-17
Also published as: TWI560983B; TW201433069A; US9459635B2; CN103986326B; CN103986326A; US20140225579A1; DE102013114097A1

Abstract

Verfahren aufweisend: Konfigurieren einer Stromquelle zum Bereitstellen eines Stroms (IL1; IL11) für einen Spannungssteuerungsmechanismus (M3, M4); Konfigurieren des Spannungssteuerungsmechanismus (M3, M4) zum Bereitstellen eines Teils von dem Strom (IL1; IL11) für eine Last (110); Generieren des Stroms basierend auf dem der Last (110) bereitgestellten Teil des Stroms (IL1; IL11), Messen eines Tastgrades eines Signals, das den der Last (110) bereitgestellten Teil des Stroms (IL1; IL11) steuert; und Verringern des Stroms (IL1; IL11), der generiert wird, wenn der Tastgrad kleiner als ein Zieltastgrad ist.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Schaltregler.
HINTERGRUND
Die US 20080055940 A1 offenbart einen Spannungswandler (power converter), welcher Schaltelemente, eine Induktivität und mindestens zwei Anschlüsse umfasst und welcher zur Stromversorgung, als Verstärker oder als Frequenzwandler eingesetzt werden kann.
Die nachveröffentlichte DE 10 2013 114 588 A1 beschreibt eine der erfindungsgemäßen Energiewandlungsvorrichtung ähnliche Vorrichtung.
Die US 20080252273 A1 betrifft einen Gleichspannungswandler, der eine Induktivität, eine Schalteinheit, die mit beiden Enden der Induktivität verbunden ist, und eine Ausgangsschalteinheit, die die in der Induktivität geladene Energie an einen Ausgang ausgibt, umfasst.
Die US 20100231186 A1 beschreibt einen Spannungswandler (power converter) mit einer Induktivität. Der erste Anschluss der Induktivität ist mit einem Spannungseingangsanschluss verbunden, während der zweite Anschluss der Induktivität wird entweder mit dem ersten Anschluss, einem von mehreren Spannungsausgangsanschlüssen oder Masse verschaltet wird.
Die DE 22 50 575 A offenbart eine Schaltung zum verlustarmen Konstantregeln einer Gleichspannung. Dabei regelt ein Schaltregler einen Strom durch eine Drossel, welcher durch einen Regelverstärker mit Differenzeingang in Abhängigkeit von einem für den in der Drossel fließenden Gleichstrom vorgenommenen Soll-Ist-Wertvergleich, der am Differenzeingang des Regelverstärkers vorgenommen wird, gesteuert ist.
Herkömmliche Bauteile wie in digitalen Hochleistungssystemen verwendete Mikroprozessoren und Grafikprozessoren können in Abhängigkeit von der Verarbeitungslast einen variierenden Strombedarf aufweisen. Zum Beispiel kann der Strombedarf erheblich steigen, wenn ein Logikblock nach einem Halt neu gestartet wird, oder wenn eine neue Anforderung eine große Berechnung wie die Generierung eines neuen Bildes initiiert. Umgekehrt kann der Strombedarf erheblich sinken, wenn ein Logikblock in den Leerlaufzustand übergeht. Wenn der Strombedarf steigt und nicht ausreichend Leistung vorhanden ist, kann die dem Bauteil bereitgestellte Versorgungsspannung unter einen kritischen Spannungspegel fallen, was möglicherweise dazu führt, dass das Bauteil nicht korrekt funktioniert. Wenn der Strombedarf sinkt und die dem Bauteil bereitgestellte Versorgungsspannung über einen kritischen Spannungspegel steigt, kann die korrekte Funktion von Schaltkreisen im Bauteil ausfallen und diese sogar zerstört werden.
Ein herkömmlicher Mehrphasen-Schaltregler ist ein Umwandlungssystem elektrischer Energie (Electric Power Conversion System), der zwischen einer Stromversorgung und einem Bauteil geschaltet ist und das Bauteil mit Strom versorgt und auf Änderungen im aktuellen Bedarf reagiert, um einen Versorgungsspannungspegel beizubehalten. Ein herkömmlicher Mehrphasen-Schaltregler basiert auf einer großen Spule zur Spannungsumwandlung, und durch die große Spule ist ein herkömmlicher Mehrphasen-Schaltreglers nur in beschränktem Maße in der Lage, schnell auf sehr große Änderungen im Strombedarf zu reagieren (d. h. kurzzeitige Ströme). Eine typische 30 A-Phase eines herkömmlichen Mehrphasen-Schaltreglers kann eine 0,5 μH-Spule zur Spannungsumwandlung verwenden. Die Stromreaktion ist beschränkt auf di/dt = V/L wobei V = 11 V (Senkung eines 12 V-Eingangs auf einen 1 V-Versorgungsspannungspegel) und L = 0,5 μH gleich 22 A/μs ergibt. Für eine Erhöhung des dem Bauteils bereitgestellten Stroms um 10 A dauert mindestens 500 ns. Darüber hinaus erhöht die Synchronisation der Pulsbreitenmodulations-Schaltoperation die Stromreaktionszeit eines herkömmlichen Mehrphasen-Schaltreglers um mehrere Mikrosekunden. Wenn eine Taktperiode des Bauteiles kleiner als die aktuelle Reaktionszeit ist, besteht die Möglichkeit, dass das Bauteil nicht korrekt funktioniert. Ein 500 MHz-Takt hat eine Periode von 2 ns, d. h. während einer Stromantwortzeit von 500 ns können Hunderte von Taktperioden auftreten.
Damit besteht die Erfordernis, die Regulierung der Spannungspegel und/oder beim Stand der Technik bestehende Probleme zu verbessern.
ÜBERSICHT
Es werden ein System und Verfahren zum Regeln einer Spannung bei einer Last bereitgestellt. Eine Stromquelle ist dazu ausgestaltet, einen Spannungssteuerungsmechanismus mit Strom zu versorgen, und der Spannungssteuerungsmechanismus ist dazu ausgestaltet, der Last einen Teil des Stroms bereitzustellen. Der Strom wird basierend auf dem der Last bereitgestellten Teil des Stroms generiert. Ein System weist die Stromquelle, eine vorgelagerte (upstream) Steuereinheit und den mit der Last gekoppelten Spannungssteuerungsmechanismus auf. Die vorgelagerte Steuereinheit ist mit der Stromquelle gekoppelt und ist dazu ausgestaltet, einen Strom zu steuern, der basierend auf einem der Last bereitgestellten Teil des Stroms von der Stromquelle generiert wird.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A veranschaulicht ein Umwandlungssystem elektrischer Energie, das eine Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie (Electric Power Conversion Device) aufweist, die als ein Schaltregler zum vorübergehenden Speichern (Parken) von Strom mit einer einzelnen Spule gemäß einer Ausführungsform implementiert ist;
1B veranschaulicht einen Mehrphasen-Schaltregler, der mehrere Umwandlungseinrichtungen elektrischer Energie gemäß einer Ausführungsform aufweist;
1C veranschaulicht einen Schaltregler zum vorübergehenden Speichern von Strom mit einer geteilten Rolle gemäß einer Ausführungsform;
2 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Regeln des einer Last bereitgestellten Spannungspegels gemäß einer Ausführungsform;
3A veranschaulicht einen Schaltregler zum vorübergehenden Speichern von Strom gemäß einer Ausführungsform;
3B veranschaulicht Wellenformen, die den der Last bereitgestellten Teilstrom des in 3A dargestellten Schaltreglers zum vorübergehenden Speichern von Strom gemäß einer Ausführungsform steuern;
3C veranschaulicht eine Tastgrad-Messeinheit einer vorgelagerten Steuereinheit gemäß einer Ausführungsform;
3D veranschaulicht eine weitere Tastgrad-Messeinheit einer vorgelagerten Steuereinheit gemäß einer Ausführungsform;
4A veranschaulicht eine vorgelagerte Steuereinheit des in 3A dargestellten Schaltreglers zum vorübergehenden Speichern von Strom gemäß einer Ausführungsform;
4B veranschaulicht eine weitere vorgelagerte Steuereinheit des in 3A dargestellten Schaltreglers zum vorübergehenden Speichern von Strom gemäß einer Ausführungsform;
4C veranschaulicht ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens für eine vorgelagerte Steuereinheit zur Steuerung des von einem Stromsteuerungsmechanismus generierten Stroms gemäß einer Ausführungsform;
5A veranschaulicht ein weiteres Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Regeln des einer Last bereitgestellten Spannungspegels gemäß einer Ausführungsform;
5B veranschaulicht ein System mit einem Schaltregler zum vorübergehenden Speichern von Strom, der zwei Lasten unter Verwendung einer gemeinsamen Stromquelle steuert, gemäß einer Ausführungsform;
5C veranschaulicht ein Diagramm des Schaltreglers zum vorübergehenden Speichern von Strom in einem System gemäß einer Ausführungsform;
6A veranschaulicht von einem Schaltregler zum vorübergehenden Speichern von Strom generierte Wellenformen gemäß einer Ausführungsform;
6B veranschaulicht eine vergrößerte Ansicht eines Teils der in 6A dargestellten Wellenformen gemäß einer Ausführungsform;
6C veranschaulicht eine weitere vergrößerte Ansicht eines Teils der in 6A dargestellten Wellenformen gemäß einer Ausführungsform; und
7 veranschaulicht ein beispielhaftes System, in dem verschiedene Architekturen und/oder Funktionalitäten der verschiedenen vorhergehenden Ausführungsformen implementiert werden können.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Eine Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie (elektrische Energieumwandlungsvorrichtung) stellt einer Last, wie einem Bauteil, einen gewünschten Ausgangsspannungspegel bereit. Die Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie konvertiert von einer elektrischen Energiequelle empfangene Energie (Power) (zum Beispiel einem Akku oder einer Hauptstromversorgung) in einen Versorgungsspannungspegel, der der Last bereitgestellt wird. Mittels einer Spule wird die Last weiter mit Strom versorgt und der Ausgangsspannungspegel mit Schaltmechanismen geregelt, die den durchschnittlich durch die Spule fließenden Strom modulieren. Ein Kondensator ist zwischen der Last und der Masse geschaltet, um etwaigen Überstrom zu speichern (Differenz zwischen dem über die Spule bereitgestellten Strom und den an die Last gelieferten Strom).
1A veranschaulicht ein Umwandlungssystem elektrischer Energie 100, das eine Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 120 aufweist, die als ein Schaltregler zum vorübergehenden Speichern von Strom mit einer einzelnen Spule L1 gemäß einer Ausführungsform implementiert ist. Die Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 120 kann eine Phase eines Mehrphasen-Schaltreglers sein, wie in 1B dargestellt. Die Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 120 ist dazu ausgestaltet bzw. konfiguriert, einen gewünschten Ausgangsspannungspegel (V_L) an der Last 110 bereitzustellen, in dem von einer elektrischen Energiequelle 108 empfangene Energie umgewandelt wird. Die Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 120 weist einen Stromsteuerungsmechanismus und einen Spannungssteuerungsmechanismus auf. Der Stromsteuerungsmechanismus ist mit der elektrischen Energiequelle 108 und der Steuereinheit 105 verbunden und ist funktionswirksam, um den Durchschnitt des durch die Spule L1 fließenden Stroms I_L1. zu steuern und sicherzustellen, dass ein Mindeststrom über die mehreren Phasen eines Mehrphasen-Schaltreglers bereitgestellt wird. Zum Beispiel kann, wie veranschaulicht, der Stromsteuerungsmechanismus einen oder mehrere erste Schaltmechanismen M1 und einen oder mehrere zweite Schaltmechanismen M2 aufweisen. Die Schaltmechanismen M1 und M2 können zum Beispiel Leistungs-MOSFETS (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) des N-Typs und/oder andere Schaltmechanismen aufweisen. Obwohl zum leichteren Verständnis einzelne Schaltmechanismen M1 und M2 veranschaulicht werden, ist darauf hinzuweisen, dass eine Vielzahl von Schaltmechanismen M1 und M2 parallel verbunden sein können, um die Stromkapazität zu erhöhen, Leitungsverluste zu senken und Ähnliches.
Die Steuereinheit 105 ist dazu ausgestaltet bzw. konfiguriert, eine oder mehrere Steuersignale auf die Schaltmechanismen M1 und M2 anzuwenden. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 105 dazu ausgestaltet sein, Pulsbreitenmodulations-(PWM, Pulse Frequency Modulation)-Signale oder Pulsfrequenzmodulations-(PFM, Pulse Frequency Modulation)-Signale und/oder verschiedene Steuersignale zu generieren, um die Schaltmechanismen M1 und M2 in selektiver Weise gemäß einem Tastgrad zu aktivieren. Unabhängig von der speziellen Ausgestaltung ist die Steuereinheit 105 dazu ausgestaltet bzw. konfiguriert, Steuersignale bereitzustellen, sodass die Schaltmechanismen M1 und M2 nicht gleichzeitig aktiviert sind (d. h. eingeschaltet sind). Anders ausgedrückt, ist zu einem Zeitpunkt nur einer der Schaltmechanismen M1 und M2 aktiviert. Die gleichzeitige Aktivierung der Schaltmechanismen M1 und M2 ermöglicht einen direkten Pfad zwischen der Versorgung der elektrischen Energiequelle 108 und der Masse, wodurch die Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 120 und/oder die Last 110 beschädigt werden kann und/oder zu einem unerwünscht hohen Stromverbrauch führen kann.
Gegenüber herkömmlichen Umwandlungseinrichtungen elektrischer Energie weist die Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 120 einen Spannungssteuerungsmechanismus zusätzlich zum Stromsteuerungsmechanismus auf. Der Spannungssteuerungsmechanismus ist zwischen dem Stromsteuerungsmechanismus (am nachgelagerten Ende der Spule L1) und der Last 110 gekoppelt und ist funktionswirksam zur Steuerung von V_L. Der Stromsteuerungsmechanismus ist dazu ausgestaltet bzw. konfiguriert, den Strom I_L1 zu generieren, der in der Spule L1 „vorübergehenden gespeichert” („geparkt”, parked) ist. Der Spannungssteuerungsmechanismus ist funktionswirksam, um den Betrag des Spulenstroms I_L1 zu steuern, der einem Kondensator C1 bereitgestellt wird. Dergestalt weist ein Spannungssteuerungsmechanismus einen oder mehrere Schaltmechanismen M3 und einen oder mehrere Schaltmechanismen M4 auf. Die Schaltmechanismen M3 und M4 können zum Beispiel jeweils Leistungs-MOSFETS (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor) des N-Typs und/oder andere Schaltmechanismen aufweisen. Obwohl zum leichteren Verständnis einzelne Schaltmechanismen M3 und M4 veranschaulicht werden, ist darauf hinzuweisen, dass eine Vielzahl von Schaltmechanismen M3 und M4 parallel verbunden sein können, um die Stromkapazität zu erhöhen, Leitungsverluste zu senken und Ähnliches.
Eine herkömmliche Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie enthält keinen Schaltmechanismen M3 und M4, sodass die Spule L1 stattdessen direkt mit dem Kondensator C1 und der Last 110 verbunden ist. Jeder Überstrom, der durch die Spule L1 fließt und nicht von der Last 110 verbraucht wird, wird im Kondensator C1 gespeichert, und jeder von der Last 110 entnommene Strom, der den durch die Spule L1 bereitgestellten Strom übersteigt, wird vom Kondensator C1 bezogen. Die Spule L1 widersteht Stromänderungen, wodurch verhindert wird, dass die in der Spule L1 gespeicherte elektrische Energie auf einmal an die Last 110 freigegeben wird, wenn der Strombedarf der Last 110 steigt. Diese Eigenschaft von Spulen ermöglicht zusammen mit der Speicherkapazität des Kondensator C1, dass V_L in stabilem Betriebszustand ausreichend stabil ist (das heißt, wenn der Strombedarf der Last 110 relativ konstant ist). Dennoch tritt eine gewisse ”Welligkeit” in V_L auf, die neben anderen Faktoren von der Größe der Spule 11, der Größe des Kondensators C1 und/oder der Schaltfrequenz der Steuereinheit 105 abhängt. Allgemein gesprochen, wenn die Größe des Kondensators L1 sich erhöht, sinkt die Ausgangswelligkeit in einem stabilen Betriebszustand (d. h. ein annähernd konstanter Strombedarf an der Last 110) proportional. Dementsprechend kann die Spule L1 in der Größe ausgelegt sein, um eine V_L bereitzustellen, die nicht außerhalb eines gewünschten Versorgungsspannungsbereichs der Last 110 variiert. Wie jedoch oben erläutert, ist eine herkömmliche Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie in der Regel nicht in der Lage, auf Veränderungen im Strombedarf der Last 110 ausreichend schnell zu reagieren. Die hohe Induktivität von L1, die zur Verringerung der Welligkeit bei V_L erforderlich ist, erhöht die Antwortzeit, was größere Spannungsabweichungen erzeugt, wenn der Strombedarf der Last 110 variiert. Der in der Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 120 enthaltene Spannungssteuerungsmechanismus ermöglicht schnellere Antwortzeiten auf Änderungen im Strombedarf der Last 110, ohne dass die Größe der Spule L1 verkleinert werden muss, was zu einer Erhöhung der Spannungswelligkeit bei V_L führen könnte.
Im Unterschied zu den Schaltmechanismen M1 und M2 kann die Spannung über die Schaltmechanismen M3 und M4 im Wesentlichen kleiner sein als der Spannungsabfall über die Spule L1. Zum Beispiel kann die am nachgelagerten Ende der Spule L1 bereitgestellte Spannung im Wesentlichen gleich der Ausgangsspannung der Last 110 sein. Da die Schaltmechanismen M3 und M4 auf eine niedrigere Spannung umschalten, können die Schaltmechanismen M3 und M4 im Vergleich zu den Schaltmechanismen M1 und M2 aus Niederspannungsbauteilen hergestellt sein, wie „planaren” MOS-Transistoren. Niederspannungsbauteile können in der Regel im Vergleich zu Hochspannungsbauteilen an höheren Frequenzen geschalteten werden, wie Leistung-MOSFETs. Daher wird der Stromverlust aufgrund der Schaltung für die Schaltmechanismen M3 und M4 im Vergleich zu den Schaltmechanismen M1 und M2 gesenkt. Daher können die Schaltmechanismen M3 und M4 in einer im Wesentlichen höheren Frequenz als die Schaltmechanismen M1 und M2 geschalteten werden.
Die Schaltmechanismen M3 und M4 können in einem integrierten Schaltkreis aufgenommen werden, wodurch im Vergleich zur Verwendung diskreter Komponenten der Platzbedarf und/oder die Kosten gesenkt werden können. Zum Beispiel können die Schaltmechanismen M3 und M4 im gleichen integrierten Schaltkreis wie die Last 110 realisiert sein, können auf einem eigenen Chip in der gleichen Baugruppe wie die Last 110 integriert sein oder können auf einer eigenen Baugruppe integriert sein. Die Schaltmechanismen M3 und M4 können als Standardspannungs-”Kern”-Transistoren in einem typischen digitalen integrierten Schaltkreis-Prozess verwirklicht werden, oder die Schaltmechanismen M3 und M4 können als Eingangs-/Ausgangstransistoren mit einer dicken Oxidschicht und höherer Spannung in einem typischen Integrierten-Schaltkreis-Prozess verwirklicht werden. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Schaltmechanismus M4 ein planarer MOSFET vom P-Typ und der Schaltmechanismus M3 ist ein planarer MOSFET vom N-Typ. Ein Fachmann wird aber verstehen, dass jeder Typ von MOSFET für jeden Schaltmechanismus mit dem entsprechenden Gate-Drive-Schaltkreis verwendet werden kann, ohne vom Umfang der vorliegenden Offenlegung abzuweichen.
Die Steuereinheit 105 kann weiterhin dazu ausgestaltet sein, eine oder mehrere Steuersignale auf den Spannungssteuerungsmechanismus anzuwenden. Zum Beispiel kann die Steuereinheit 105 dazu ausgestaltet sein, Steuersignale für die Schaltmechanismen M3 und M4 bereitzustellen. Bezüglich der den Schaltmechanismen M1 und M2 bereitgestellten Steuersignale können die den Schaltmechanismen M3 und M4 bereitgestellte Steuersignale PWM, PFM, die Zweipunktregelung (Bang-Bang Control) und/oder jedes andere geeignete Steuerschema verwenden, um den Schaltmechanismus M3 oder den Schaltmechanismus M4 selektiv zu aktivieren. In einigen Ausführungsformen können die mit den Schaltmechanismus M3 und M4 gekoppelten Steuersignale wenigstens teilweise synchron mit den mit den Schaltmechanismen M1 und M2 gekoppelten Steuersignalen sein. In anderen Ausführungsformen können die mit den Schaltmechanismen M3 und M4 gekoppelten Steuersignale asynchron mit den mit den Schaltmechanismen M1 und M2 gekoppelten Steuersignalen sein. Weiterhin können die mit den Schaltmechanismus M3 und M4 gekoppelten Steuersignale an einer anderen Frequenz als die mit den Schaltmechanismen M1 und M2 gekoppelten Steuersignale bereitgestellt werden.
Unabhängig von der speziellen Gestaltung der Steuersignale, die mit den Schaltmechanismen M3 und M4 gekoppelt sind, kann die Steuereinheit 105 dazu ausgestaltet sein, in selektiver Weise den Schaltmechanismus M3 zu aktivieren und den Schaltmechanismus M4 zu deaktivieren, um den Fluss des Stromes I_L1 zur Last 110 zu deaktivieren. Im Besonderen wird durch Aktivierung des Schaltmechanismus M3 und Deaktivierung des Schaltmechanismus M4 der momentane Spulenstrom I_L1, der durch die Spule L1 fließt, über den Schaltmechanismus M3 zur Masse abgeleitet, anstatt zum Kondensator C1 geleitet zu werden. Umgekehrt wird durch Aktivierung des Schaltmechanismus M4 und Deaktivierung des Schaltmechanismus M3 im Wesentlichen der gesamte momentane Spulenstrom I_L1, der durch die Spule L1 fließt (geringere Transistorleitungsverluste, Spulenwickelwiderstand und Ähnliches), zum Kondensator C1 geleitet.
Die Steuereinheit 105 kann den Spannungssteuerungsmechanismus mittels PWM oder PFM umschalten oder eine Zweipunktregelungstechnik verwenden. In jedem Fall bestimmt der Tastgrad (DF, Duty Factor) den Teil des Spulenstroms I_L1, der durchschnittlich zum Kondensator C1 geleitet wird. Der Tastgrad kann zwischen 0–100% liegen, wobei 0% dem Zustand entspricht, in dem der Schaltmechanismus M4 deaktiviert ist (d. h. ausgeschaltet ist) und der Schaltmechanismus M3 aktiviert ist, und 100% dem Zustand entspricht, in dem der Schaltmechanismus M4 aktiviert ist und der Schaltmechanismus M3 deaktiviert ist. Ein Wechsel des Tastgrads verändert somit die Lade-/Entlade-Zeitsteuerung des Kondensators C1 – ein höherer Tastgrad erhöht den Stromfluss zum Kondensator C1 und der Last 110.
Der Kondensator C1 glättet den über den Schaltmechanismus M4 bereitgestellten rechteckförmigen Versorgungstrom, um den der Last 110 bereitgestellten I_Load zu generieren. I_Load wird der Last 110 gemäß dem Tastgrad und dem Spulenstrom I_L1 wie folgt bereitgestellt: I_Load = DF × I_L1. Wie bei den Schaltmechanismus M1 und M2 werden den Schaltmechanismus M3 und M4 dergestalt Steuersignale bereitgestellt, dass die Schaltmechanismen M3 und M4 nicht gleichzeitig aktiviert sind, um zu vermeiden, dass ein direkter Pfad zwischen der Last 110 und der Masse besteht (das heißt, ein Kurzschluss über den Kondensator C1).
Im stabilen Betriebszustand ist der Schaltmechanismus M3 deaktiviert und der Schaltmechanismus M4 aktiviert, sodass im Wesentlichen der gesamte Spulenstrom I_L1 der Last 110 als I_Load bereitgestellt wird. Die Schaltmechanismen M1 und M2 werden selektiv zu Steuerung des Spulenstroms I_L1 aktiviert („geschalten”), wodurch V_L gesteuert wird. Auf diese Weise ist der über den Schaltmechanismus M4 bereitgestellte Strom im Wesentlichen gleich dem Spulenstrom I_L1, wenn die der Last 110 (V_L) bereitgestellte Spannung konstant ist.
Zusammengefasst ist der Stromsteuerungsmechanismus dazu ausgestaltet, den Strom I_L1 zu generieren, der in der Spule L1 vorübergehend gespeichert ist, und er wird über den Spannungssteuerungsmechanismus dosiert der Last 110 zugeleitet. Da die auf die Schaltmechanismen M3 und M4 angelegten Spannungspegel niedrig sind (d. h. die Versorgungsspannung der Last 110), können die Schaltmechanismen M3 und M4 als schnelle, kostengünstige planare Transistoren implementiert werden und können in einer sehr hohen Frequenz (z. B. 300 MHz) betrieben werden, die eine sehr schnelle Antwort auf kurzzeitige Ströme an der Last 110 ermöglicht. Wenn der Strombedarf der Last 110 sich ändert (d. h. in einem instabilen Betriebszustand) können die Schaltmechanismen M3 und M4 des Spannungssteuerungsmechanismus schnell gesteuert werden, um schnell auf die Veränderung im Strombedarf zu reagieren, indem die an die Last 110 dosiert übergebene Strommenge I_L1 erhöht oder gesenkt wird. Im Allgemeinen ist die Schaltfrequenz des Stromsteuerungsmechanismus aufgrund der unterschiedlichen verwendeten Schaltmechanismen langsamer als die Schaltfrequenz des Spannungssteuerungsmechanismus.
Ein konzentriertes Element CP in der Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 120 stellt die parasitäre Kapazität an der nachgelagerten Seite der Spule L1 dar. Bei jedem Schaltvorgang der Schaltmechanismen M3 und M4 wird die parasitäre Kapazität CP auf die Lastspannung V_L geladen (wenn der Schaltmechanismus M4 aktiviert ist) und dann an die Masse abgeleitet (wenn der Schaltmechanismus M3 aktiviert ist). Somit wird in jedem Schaltzyklus der Schaltmechanismen M3 und M4 eine Energie E_P von E_p = (CP)V 2 / L durch Laden und Entladen der parasitären Kapazität CP abgeleitet.
In einer typischen Ausführungsform des Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 120 ist die Spule L1 eine an der Oberfläche angebrachte Spule mit 0,5 uH 30 A, die Schaltmechanismen M3 und M4 befinden sich auf der Baugruppe, und der Kondensator C1 ist eine auf dem Chip und auf der Baugruppe befindliche Bypass-Kapazität. Der Kondensator CP enthält die Kapazität der Durchkontaktierungen, die Leiterbahnen der Platine und die Leiterbahnen der Baugruppe zwischen der Spule L1 und den Schaltmechanismen M3 und M4. In einer typischen Anwendung kann die Kapazität CP insgesamt bis zu 500 pF betragen. Wenn CP = 500 pF und V_L = 1 V, dann ist E_P gleich 500 pJ. Bei einer Schaltfrequenz von 300 MHz, werden 150 mW durch Laden und Entladen von CP abgeleitet. Wenn der Stromsteuerungsmechanismus und der Spannungssteuerungsmechanismus der Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 120 als eine einer Vielzahl von Phasen eines Reglers ausgestaltet sind, wird E_P durch die Anzahl der Phasen für die gesamte Energie skaliert, die aufgrund der kumulativen parasitären Kapazität abgeleitet wird.
Die Schaltleistung erhöht sich, wenn die Schaltfrequenz (f_s) der Schaltmechanismen M3 und M4 erhöht wird. Die Schaltmechanismen M3 und M4 sollen in einer hohen Frequenz geschalten werden, um die erforderliche Größe von C1 zu minimieren, das angegeben ist durch
wobei DF der Tastgrad der Schaltmechanismus M4 ist, und V_R eine Welligkeitsspannung von V_L ist.
Zum Beispiel beträgt bei einem Phasenstrom von 30 A, einer Frequenz von 300 MHz und einer Welligkeitsspannung von 20 mV die erforderliche Kapazität C1 pro Phase 5 uF. C1 wird in der Regel über viele kleinere Kondensatoren in der Baugruppe für eine geringe Serieninduktivität verteilt und um eine flache Impedanz als eine Funktion der Schaltfrequenz bereitzustellen. Die Erhöhung der Schaltfrequenz verringert jedoch auf Kosten einer erhöhten Schaltleistung E_P die erforderliche Größe von C1.
Ein Vorteil des Schaltreglers zum vorübergehenden Speichern von Strom, wie der Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 120 liegt darin, dass C1 die einzige benötigte Filterkapazität ist. Im Vergleich dazu basiert eine herkömmliche Stromumwandlungseinrichtung, die nicht die Schaltmechanismen M3 und M4 enthält, auf einer großen (Hunderte von μF) Filterkapazität zum Filtern der Welligkeit der niedrigen Frequenz (in der Regel 300 kHz).
Die Gestaltung der in 1A dargestellten elektrischen Energiequelle 108, der Steuereinheit 105, der Schalteinrichtungen M1 und M2 und der Spule L1 wird normalerweise als Abwärtswandler (Buck Converter) bezeichnet. Während die Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 120 im Kontext des Abwärtswandlers beschrieben wird, werden Fachleute verstehen, dass die zum Regulieren einer der Last 110 bereitgestellten Spannung beschriebenen Techniken auf andere Stromumwandlungs-Schaltkreise des ”Schaltmodus” angewendet werden können, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, einen Durchflusswandler, einen Halbbrückenwandler, ein Vollbrückenwandler, einen Sperrwandler und/oder Varianten davon.
1B veranschaulicht einen Mehrphasen-Schaltregler 150, der mehrere Umwandlungseinrichtungen elektrischer Energie 120 gemäß einer Ausführungsform aufweist. Jede der Umwandlungseinrichtungen elektrischer Energie 120 bildet eine Phase eines Sechs-Phasen-Schaltreglers. Jede Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 120 ist dazu ausgestaltet, der Last 110 einen gewünschten Ausgangsspannungspegel (V_L) bereitzustellen, in dem für eine der sechs Phasen die von einer elektrischen Energiequelle 108 empfangene Energie umgewandelt wird. Eine einzelne Steuereinheit kann zur Steuerung einer jeden der Umwandlungseinrichtungen elektrischer Energie 120 verwendet werden, oder jede Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 120 kann eine dedizierte Steuereinheit 105 aufweisen (wie in 1B dargestellt). Anstelle eines Filterkondensators C1 in jeder Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 120 kann ein einzelner Filterkondensator C1 von verschiedenen Umwandlungseinrichtungen elektrischer Energie 120 gemeinsam genutzt werden. Darüber hinaus können eine oder mehrere Umwandlungseinrichtungen elektrischer Energie 120 durch einen Schaltregler zum vorübergehenden Speichern von Strom mit einer geteilten Spule oder durch eine herkömmliche Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie ersetzt werden.
1C veranschaulicht ein Umwandlungssystem elektrischer Energie 160, das eine Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 180 aufweist, die als ein Schaltregler zum vorübergehenden Speichern von Strom mit einer geteilten Spule L1 gemäß einer Ausführungsform implementiert ist. Im Vergleich zu der in 1A dargestellten Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 120 weist die Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 180 eine erste Spule L11 auf, die mit einer zweiten Spule L2 in Reihe geschaltet ist, um eine geteilte Spule zu bilden. Die Aufteilung der Spule reduziert durch die parasitäre Kapazität CPA bedingte Verluste an der nachgelagerten Seite der ersten Spule L11.
Die Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 180 kann eine Phase eines Mehrphasen-Schaltreglers sein. Die Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 180 ist dazu ausgestaltet, einen gewünschten Ausgangsspannungspegel (V_L) der Last 170 bereitzustellen, indem die von einer elektrischen Energiequelle 108 empfangene Energie umgewandelt wird. Die Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 180 weist einen Stromsteuerungsmechanismus und einen Spannungssteuerungsmechanismus. Der Stromsteuerungsmechanismus ist mit der elektrischen Energiequelle 108 verbunden, und die Steuereinheit 165 kann dazu ausgestaltet sein, Steuersignale in der gleichen Weise wie die Steuereinheit 105 zu generieren, und ist funktionswirksam, um den durchschnittlichen Strom I_L11, der durch die Spule L11 fließt, und den durchschnittlichen Strom I_L2, der durch die Spule 12 fließt, zu steuern. Zum Beispiel sind, wie dargestellt, die Schaltmechanismen M11 und M12 jeweils in der gleichen Weise wie die oben beschriebenen Schaltmechanismen M1 und M2 ausgestaltet und funktionswirksam. Ebenso sind die Schaltmechanismen M13 und M14 in der gleichen Weise wie die oben beschriebenen Schaltmechanismen M3 und M4 jeweils ausgestaltet und funktionswirksam. Der Kondensator C11 übernimmt im Wesentlichen die gleiche Funktion wie der Kondensator C1.
Werden die beiden unterschiedlichen Spulen L11 und L2 zur Bildung einer geteilten Spule verwendet, wird die Schaltleistung verringert, sodass der Großteil der parasitären Kapazität zwischen den Spulen L11 und L2 anfällt, wie als erste parasitäre Kapazität CPA dargestellt. In einer Ausführungsform ist L11 eine erste 0,5 μH-30A-Spule auf einer Platine (zum Beispiel eine diskrete Komponente) und die zweite Spule L2 ist eine 1 nH-Spule in der Baugruppe, die die Last 170 miteinschließt. Die erste parasitäre Kapazität CPA beinhaltet die Kapazität der Durchkontaktierungen, der Leiterbahnen der Platine und der Leiterbahnen der Baugruppen zwischen der ersten Spule L11 und der zweiten Spule L2. Die erste parasitäre Kapazität CPA kann in etwa 490 pF betragen. Die zweite parasitäre Kapazität CPB besteht vor allem aus der Drain-Kapazität der Schaltmechanismen M13 und M14 und kann in etwa 10 pF betragen. Wenn CPB = 10 pF und V_L = 1 V, dann ist E_P gleich 10 pJ und bei einer Schaltfrequenz von 500 MHz, werden beim Laden und Entladen der CPB 5 mW abgeleitet.
Die Schaltfrequenz von 500 MHz ermöglicht für den Kondensator C11 die Verwendung eines 0,5 μF Kondensators (in einigen Ausführungsformen als verteilter Array von kleineren Kondensatoren implementiert). Die 1 nH Induktivität der zweiten Spule L2 kann durch Einbau einer Ferritperle um die Leiterbahnen oder der erhöhten Kontaktierungsflecken ausgebildet werden, die den Strom I_L2 übertragen, oder einfach durch Verlegen einer Leiterbahn in einem geeigneten Abstand von der Masse (Ground Return) (wodurch die zweite Spule L2 zu einer planaren Luftspule wird) ausgebildet werden. Die Resonanzfrequenz des durch L2 und der ersten parasitären Kapazität CPA gebildeten Schwingungskreises ist f_r = 230 MHz. Somit ist die Kapazität der ersten parasitären Kapazität CPA wirksam vom Schaltknoten V_L isoliert, solange die Schaltfrequenz der Schaltmechanismen M13 und M14 im Vergleich zu f_r hoch ist. Da sich die erste parasitäre Kapazität CPA zwischen der ersten Spule L11 und der zweiten Spule L2 befindet, ist CPA isoliert und verlustfrei. Jeglicher Überstrom wird in der durch die erste Spule L11 und die zweite Spule 12 gebildeten geteilten Spule gespeichert.
2 veranschaulicht ein Ablaufdiagramm 200 eines Verfahrens zum Regeln des der Last 110 oder 170 bereitgestellten Spannungspegels gemäß einer Ausführungsform. In Schritt 205 wird eine Stromquelle ausgestaltet, um einen Strom I_L1 oder I_L11 zu erzeugen. In Schritt 210 wird ein Spannungssteuerungsmechanismus ausgestaltet, um einen Teilstrom (Teil des Stroms) der Last bereitzustellen und damit den Spannungspegel an der Last zu regeln. In einer Ausführungsform wird der Spannungssteuerungsmechanismus umgeschalten, um die Stromquelle von der Last 110 oder 170 zu entkoppeln und die Stromquelle mit einer Stromsenke zu koppeln, um den Spannungspegel an der Last zu senken, wenn der Spannungspegel an der Last 110 oder 170 größer als ein maximaler Spannungspegel ist. In einer Ausführungsform ist die Stromquelle wenigstens die Spule L1 oder L11 und die Stromsenke ist die Masse. Darüber hinaus wird der Spannungssteuerungsmechanismus umgeschalten, um die Stromquelle mit der Last 110 oder 170 zu koppeln und die Stromquelle von der Stromsenke zu koppeln und damit den Spannungspegel bei der Last zu erhöhen, wenn der Spannungspegel bei der Last 110 oder 170 kleiner ist als der Mindestspannungspegel. In Schritt 215 wird ein Stromsteuerungsmechanismus gesteuert, um den Strom I_L1 oder I_L11 basierend auf dem Teilstrom zu generieren, der von der Last 110 oder 170 verbraucht wird.
Weitere veranschaulichende Informationen werden nun bezüglich verschiedener optionaler Architekturen und Merkmale dargelegt, mit denen das oben beschriebene Grundgerüst in Abhängigkeit von den Anliegen der Benutzer implementiert werden kann oder nicht. Es ist sehr darauf hinzuweisen, dass die folgenden Angaben nur zur Veranschaulichung dargelegt werden und in keiner Weise als Beschränkung ausgelegt werden sollen. Jedes der folgenden Merkmale kann optional mit oder ohne Ausschluss der anderen beschriebenen Merkmale enthalten sein.
3A veranschaulicht einen Schaltregler zum vorübergehenden Speichern von Strom 302 in einem Umwandlungssystem elektrischer Energie 300 gemäß einer Ausführungsform. Die vorgelagerte Steuereinheit 305 ist dazu ausgebildet, mit den Gates der Schaltmechanismen M1 und M2 gekoppelte Signale zu generieren, die die Schaltmechanismen M1 und M2 aktivieren und deaktivieren. Wird der Schaltmechanismus M1 aktiviert, wird die Stromquelle (d. h. die Spule L1 oder L11) mit der elektrischen Energiequelle 108 gekoppelt, und wenn der Schaltmechanismus M2 deaktiviert wird, wird die Stromquelle von der Stromsenke entkoppelt oder isoliert. Wird der Schaltmechanismus M2 aktiviert, wird die Stromquelle mit der Stromsenke gekoppelt, und wenn der Schaltmechanismus M1 deaktiviert wird, wird die Stromquelle von der elektrischen Energiequelle 108 entkoppelt oder isoliert. Die vorgelagerte Steuereinheit 305 aktiviert und deaktiviert die Schaltmechanismen M1 und M2 zur Generierung des Stroms I_L1 oder I_L11.
Die vorgelagerte Steuereinheit 305 kann dazu ausgestaltet (konfiguriert) sein, eine Strommodussteuerung durchzuführen, da die vorgelagerte Steuereinheit 305 die Summe der Phasenströme anstatt eines nachgelagerten Spannungspegels regelt, wenn mehrere Spannungssteuerungsmechanismen ausgestaltet sind, um in verschiedenen Phasen zu arbeiten, um V_L zu regulieren, wie für 1B beschrieben. Während in einigen Ausführungsformen die vorgelagerte Steuereinheit 305 zum Regeln eines absoluten Spulenstroms I_L1 oder I_L11 ausgebildet sein kann, ist es in einigen Fällen möglich, dass ein Anteil des Spulenstroms I_L1 oder I_L11, der von der Last 110 oder 170 verbraucht wird, geregelt wird.
Die vorgelagerte Steuereinheit 305 empfängt ein Signal D von der nachgelagerten Steuereinheit 310. Das Signal D steuert den Betrieb des Spannungssteuerungsmechanismus und entspricht dem Tastgrad der nachgelagerten Steuereinheit 310. Im Besonderen steuert das Signal D den Teilstrom, der der Last 110 oder 170 bereitgestellt wird, und entspricht daher dem Anteil des Stroms I_L1 oder I_L11, der von der Last 110 oder 170 verbraucht wird.
In einer Ausführungsform ist die nachgelagerte Steuereinheit 310 ein Zweipunktregelkreis (Bang-Bang Control Circuit), der dazu ausgestaltet ist, den Spannungspegel bei der Last 110 V_L in einem angegebenen Spannungsbereich zwischen einem Mindestspannungspegel (Vmin) und einem maximalen Spannungspegel (Vmax) zu halten. Wenn zum Beispiel der Nennspannungspegel von V_L 1 Volt ist und eine Welligkeit von 20 mV angegeben wird, wird Vmin als 0,99 V und Vmax als 1,01 V angegeben.
Die nachgelagerte Steuereinheit 310 ist dazu ausgebildet, mit den Gates der Schaltmechanismen M3 und M4 gekoppelte Signale zu generieren, die die Schaltmechanismen M3 und M4 aktivieren und deaktivieren. Wird der Schaltmechanismus M3 aktiviert, wird die Stromquelle (das heißt die Spule L1) mit der Stromsenke (d. h. der Masse) gekoppelt, und wenn der Schaltmechanismus M3 deaktiviert wird, wird die Stromquelle von der Stromsenke entkoppelt oder isoliert. Wird der Schaltmechanismus M4 aktiviert, wird die Stromquelle mit der Last 110 gekoppelt, und wenn der Schaltmechanismus M4 deaktiviert wird, wird die Stromquelle von der Last 110 entkoppelt oder isoliert.
Wie in 3A dargestellt, ist in einer Ausführungsform der Schaltmechanismus M3 ein planarer MOS-Transistor des N-Typs, und der Schaltmechanismus M4 ist ein planarer MOS-Transistor des P-Typs. Die von der nachgelagerten Steuereinheit 310 generierten Signale sind dazu ausgestaltet, Überlappungsstrom und Überspannung an den Drains der Schaltmechanismen M3 und M4 zu verhindern. Im Besonderen ist zu einem Zeitpunkt nur einer der Schaltmechanismen M3 und M4 aktiv.
Der Schaltmechanismus M3 wird vor der Aktivierung der Schaltmechanismus M4 deaktiviert, um eine „Totzeit” sicherzustellen, wenn beide Schaltmechanismen M3 und M4 deaktiviert sind. Die parasitäre Kapazität der Drains der Schaltmechanismen M3 und M4 wird vom Strom I_L1 während der Totzeit geladen, und der Schaltmechanismus M4 wird aktiviert, wenn die Spannung über die parasitäre Kapazität zu V_L wird, sodass der Strom nicht von der Last 110 zum Spule L1 fließt. Die Totzeit zwischen der Deaktivierung des Schaltmechanismus M3 und der Aktivierung der Schaltmechanismus M4 wird gesteuert, um der Spule L1 das Laden des Drains des Schaltmechanismus M4 auf V_L zu ermöglichen, bevor der Schaltmechanismus M4 aktiviert wird. Die Totzeit stellt auch sicher, dass der Schaltmechanismus M3 deaktiviert ist, wenn der Schaltmechanismus M4 aktiviert ist, um einen Kurzschluss (Shoot-through) von der Last 110 über die Schaltmechanismen M4 und M3 zur Masse zu vermeiden.
Ebenso wird die Totzeit zwischen der Deaktivierung des Schaltmechanismus M4 und der Aktivierung des Schaltmechanismus M3 gesteuert, um zu verhindern, dass der Drain des Schaltmechanismus M4 durch I_L1 zu hoch geladen wird, bevor der Schaltmechanismus M3 aktiviert wird. Die Totzeit zwischen der Deaktivierung des Schaltmechanismus M4 und der Aktivierung des Schaltmechanismus M3 stellt auch sicher, dass der Schaltmechanismus M4 deaktiviert ist, wenn der Schaltmechanismus M3 aktiviert ist, um einen Kurzschluss (Shoot-through) von der Last 110 über die Schaltmechanismen M4 und M3 zur Masse zu vermeiden.
Wenn anfangs Energie auf der Umwandlungssystem elektrischer Energie 300 angelegt wird, ist V_L null, und es werden viele Nanosekunden benötigt, um den Kondensator C1 auf eine Spannung zwischen Vmin und Vmax zu laden. Die nachgelagerte Steuereinheit 310 kann dazu ausgestaltet sein, mit einer Hilfsversorgungsspannung V_ST zu arbeiten, die beim Start aktiviert wird, bevor die vorgelagerte Steuereinheit 305 mit der Erzeugung des Stroms I_L1 beginnt. Der Schaltmechanismus M4 wird aktiviert, um C1 zu laden, wenn die Stromquelle startet. In einer Ausführungsform wird die Hilfsversorgungsspannung nicht für die nachgelagerte Steuereinheit 310 verwendet, und die nachgelagerte Steuereinheit 310 ist dazu ausgestaltet, den Schaltmechanismus M3 zu deaktivieren und den Schaltmechanismus M4 zu aktivieren, bis V_L den Wert Vmax erreicht.
3B veranschaulicht Wellenformen des ersten und zweiten Signals, die den Teil des Spulenstroms I_L1, der der Last 110 bereitgestellt wird, des in 3A dargestellten Schaltreglers zum vorübergehenden Speichern von Strom 302 gemäß einer Ausführungsform steuern. In einer Ausführungsform weisen die nicht überlappenden Aktivierungssignale ein erstes Signal und ein zweites Signal auf. Das erste Signal steuert (d. h. aktiviert und deaktiviert) den Schaltmechanismus M4, und das zweite Signal steuert den Schaltmechanismus M3. Wenn der Schaltmechanismus M4 ein MOS-Transistor des P-Typs ist, ist eine invertierte Version des ersten Signals mit den Gates des MOS-Transistors des P-Typs verbunden. Um die in 3B dargestellten Wellenformen verständlich zu machen, wird das invertierte erstes Signal dargestellt. Wenn die invertierte Version des ersten Signals „high” ist, ist der Schaltmechanismus M4 aktiviert, und wenn die invertierte Version des ersten Signals „low” ist, ist der Schaltmechanismus M4 deaktiviert. Ebenso, wenn das zweite Signal „high” ist, ist der Schaltmechanismus M3 aktiviert, wenn das zweite Signal „low” ist, ist der Schaltmechanismus M3 deaktiviert.
Getrennte Verzögerungen können für ein erstes Signal, das den Schaltmechanismus M3 aktiviert, und ein zweites Signal, das den Schaltmechanismus M4 aktiviert, verwendet werden. Weiterhin kann eine andere Verzögerung für einen ansteigenden Übergang als für einen abfallenden Übergang des ersten und/oder zweiten Signals verwendet werden. Die Verzögerungen steuern die Dauer der Totzeiten, wenn beide Schaltmechanismen M3 und M4 deaktiviert sind (das heißt, wenn das invertierte erstes Signal und das zweite Signal negiert sind), und die Stromquelle ist von der Last und von der Stromsenke entkoppelt. Die Dauer einer „Aktivierungs”-Totzeit zwischen der Deaktivierung des Schaltmechanismus M3 und der Aktivierung der Schaltmechanismus M4 kann sich von der Dauer einer „Deaktivierungs”-Totzeit zwischen der Deaktivierung der Schaltmechanismus M4 und der Aktivierung der Schaltmechanismus M3 unterscheiden.
Die „Deaktivierungs”-Totzeit tritt zwischen der Deaktivierung des Schaltmechanismus M4 durch das erste Signal und der Aktivierung des Schaltmechanismus M3 durch das zweite Signal auf. Die „Aktivierungs”-Totzeit tritt zwischen der Deaktivierung des Schaltmechanismus M3 durch das zweite Signal und der Aktivierung des Schaltmechanismus M4 durch das erste Signal auf. Während der Deaktivierungs- und der Aktivierungs-Totzeiten sind die Schaltmechanismen M3 und M4 deaktiviert (d. h., wenn das erste invertierte Signal und das zweite invertierte Signal negiert sind). Daher ist die Stromquelle von der Stromsenke und auch der Last entkoppelt. Die Aktivierungs-Totzeit kann länger dauern als die Aktivierungs-Totzeit, um die parasitäre Kapazität an den Drains der Schaltmechanismen M3 und M4 zwischen der Stromquelle und dem Spannungssteuerungsmechanismus durch den Strom I_L1 zu laden. Wenn der Schaltmechanismus M4 ein MOS-Transistor des N-Typs ist, ist eine invertierte Version des ersten Signals mit dem Gate des Schaltmechanismus M4 gekoppelt.
Wie oben in Verbindung mit 3A erläutert, kann die vorgelagerte Steuereinheit 305 dazu ausgestaltet sein, den Stromsteuerungsmechanismus basierend auf dem Anteil des von der Last 110 verbrauchten Spulenstroms I_L1 zu steuern, was dem Tastgrad des von der nachgelagerten Steuereinheit 310 generierten Signals D entspricht. Daher wird das Signal D der vorgelagerten Steuereinheit 305 als Eingang bereitgestellt. Die vorgelagerte Steuereinheit 305 kann eine Tastgrad-Messeinheit aufweisen, die dazu ausgestaltet ist, den Tastgrad unter Verwendung des Signals D zu messen. In einer Ausführungsform ist die nachgelagerte Steuereinheit 310 dazu ausgebildet, den Tastgrad zur Ausgabe an die vorgelagerte Steuereinheit 305 zu generieren.
3C veranschaulicht eine Tastgrad-Messeinheit 320 gemäß einer Ausführungsform. Die Tastgrad-Messeinheit 320 ist dazu ausgestaltet, den Tastgrad durch Tiefenpassfilterung des Signals D zu messen. Ein einpoliger Tiefenpassfilter, der einen Widerstand R und einen Kondensator C aufweist, generiert DA, eine analoge Version des Tastgradsignals D. Eine digitale Version des nachgelagerten Tastgrads (DDF, Downstream Duty Factor) wird durch Umwandeln von DA in ein digitales Signal unter Verwendung eines Analog-Digital-Wandlers 322 generiert. In der Regel arbeitet die nachgelagerte Steuereinheit 310 in einer Frequenz von Hunderten von MHz, und die vorgelagerte Steuereinheit 305 arbeitet in einer Frequenz von Hunderten von kHz, daher reicht ein einzelner Polfilter mit einem Pol von 1 MHz aus, um den Tastgrad von D zu messen.
3D veranschaulicht eine weitere Tastgrad-Messeinheit 325 der vorgelagerten Steuereinheit 305 gemäß einer Ausführungsform. Die Tastgrad-Messeinheit 325 ist dazu ausgestaltet, den Tastgrad durch Übergabe des Signals D über eine mit Abgriffen versehenen Verzögerungsleitung (Tapped Delay Line) zu messen, und ein Array von durch D getakteten Flipflops 330 ist dazu ausgestaltet, den Ausgang eines jeden Verzögerungselements abzutasten. Ein Tastgradberechner 335 verarbeitet die Ausgänge der Flipflops 330, um die Anzahl der Abtastungen bis zur letzten fallenden Kante des Signals D und die Anzahl der Abtastungen bis zur letzten ansteigenden Kante des Signals D zu bestimmen. Der Tastgrad wird dann aus diesen beiden Messungen als DDF = (R – F)/R berechnet, wobei F die Anzahl der Abtastungen bis zur letzten fallenden Kante und R die Anzahl der Abtastungen bis zur letzten steigenden Kante ist. Bei sehr hohen Tastgraden kann die Zeitspanne von D hinreichend groß sein, dass die letzte ansteigende Kante nicht durch den Tastgradberechner 335 bestimmt werden kann, wobei in diesem Fall der Tastgradberechner 335 DDF auf einem Maximalwert festlegen kann. Bei sehr niedrigen Lastströmen kann die Schaltfrequenz der nachgelagerten Steuereinheit 310 so niedrig sein, dass weder die ansteigende noch die fallenden Kante von D durch den Tastgradberechner 335 bestimmt wird, wobei in diesem Fall der Tastgradberechner 335 DDF auf einen Mindestwert festlegen kann.
4A veranschaulicht die vorgelagerte Steuereinheit 305 des in 3A dargestellten Schaltreglers zum vorübergehenden Speichern von Strom 302 gemäß einer Ausführungsform. Die vorgelagerte Steuereinheit 305 kann dazu ausgestaltet sein, einen Reservebetrag des Stroms I_L1 bereitzustellen, der größer ist als der von der Last 110 verbrauchte Strom. Zum Beispiel kann eine Reserve von 20% bereitgestellt werden, indem I_L1 auf einen Zielstrom von 10 A beibehalten wird, wobei davon ausgegangen wird, dass der von der Last 110 verbrauchte Strom 8 A beträgt. Ein Zieltastgrad wird angegeben, der dem Zielstrom entspricht. DDF (d. h., der gemessene nachgelagerte Tastgrad des Signals D) steigt als Reaktion auf einen höheren Strombedarf durch die Last 110, und wenn DDF höher als der Zieltastgrad ist, wird I_L1 i erhöht, um die Last 110 unter Verwendung eines niedrigeren Tastgrads an der nachgelagerten Steuereinheit 310 (d. h., eines Tastgrads, der näher am Zieltastgrad liegt) mit Strom zu versorgen. Ebenso sinkt DDF in Reaktion auf einen geringeren Strombedarf durch die Last 110, und wenn DDF kleiner als der Zieltastgrad ist, wird I_L1 gesenkt, um unter Verwendung eines Tastgrads, der näher am Zieltastgrad liegt, der Last 110 Strom bereitzustellen.
Die Tastgrad-Messeinheit 420 misst den Tastgrad des Signals D und kann als Tastgrad-Messeinheit 320 oder 325 implementiert werden. Die vorgelagerte Steuereinheit 305 ist als eine PWM-Steuereinheit ausgestaltet, die dazu ausgestaltet ist, DDF über den von einem Tastgradbefehl (DFC, Duty-Factor Command) angegebenen Zieltastgrad zu halten. DFC sollte so niedrig sein, dass DDF über eine gesamte Zeitspanne der vorgelagerten Steuereinheit 305 im Zielbereich bleibt (d. h., der Zeitspanne der PWM-Frequenz).
In einer Ausführungsform variiert der Zieltastgrad basierend auf der Verarbeitungslast für die Last 110. Zum Beispiel wird kurz bevor eine hohe Verarbeitungslast initiiert wird, der Zieltastgrad gesenkt, um den Strom zu erhöhen. Wenn mit dem Zielstrom die Stromgenerierung gesteuert wird, kann der Zielstrom kurz vor Initiierung der hohen Verarbeitungslast erhöht werden.
Ein Set-Reset-Flipflop 415 wird durch einen Oszillator 425 in der PWM-Frequenz (in der Regel 300 kHz) festgelegt und von einem Vergleicher 410 zurückgesetzt, der angibt, wenn DDF unter DFC fällt. Der Ausgang Q des Flipflops 415 steuert eine Stromsteuerungseinheit 405, die Aktivierungssignale für die Schaltmechanismen M1 und M2 der Stromsteuermechanismen generiert. In einer Ausführungsform ist die Stromsteuerungseinheit 405 ein Halbbrückentreiber. Der Ausgang Q ist „high”, wenn der Eingang R „low” ist und der Ausgang des Oszillators 425 „high” ist. Der Ausgang Q bleibt „high”, bis der Eingang R „high” ist. Der Ausgang Q ist dann „low”, wenn der Eingang R „high” ist (wenn DDF unter DFC fällt). Die Stromsteuereinheit 405 aktiviert den Schaltmechanismus M1 und deaktiviert den Schaltmechanismus M2, wenn Q „high” ist, um den Strom I_L1 zu erhöhen. Die Stromsteuereinheit 405 deaktiviert den Schaltmechanismus M1 und aktiviert den Schaltmechanismus M2, wenn Q „low” ist, um den Strom I_L1 zu senken. Die von der Stromsteuereinheit 405 erzeugten Aktivierungssignale sollten nicht überlappend sein, sodass der Ausgang der elektrischen Energiequelle 108 nicht mit der Masse verbunden ist. Das dem Schaltmechanismus M1 bereitgestellte Aktivierungssignal kann dazu ausgestaltet sein, eine Bootstrap-Stromversorgung zu implementieren, um ein Gate-Drive über der Spannung an der elektrischen Energiequelle 108 zu generieren (zum Beispiel 12 V).
4B veranschaulicht eine weitere Version der vorgelagerten Steuereinheit 305 des Schaltreglers zum vorübergehenden Speichern von Strom 302 gemäß einer Ausführungsform. Eine Strommesseinheit 422 ist dazu ausgestaltet, den der Last 110 bereitgestellten Teilstrom, den Strom I_Load, durch DDF zu teilen, um den Strom I_L1 zu berechnen. Ein Vergleicher 412 ist dazu ausgestaltet, den berechneten Strom mit einem von einem Strombefehl (CC, Current Command) angegebenen Zielstrom zu vergleichen. Der Reset geht auf „high”, wenn der berechnete Strom größer ist als der Zielstrom, um den generierten Strom I_L1 zu verringern.
In einer anderen Ausführungsform kann die Strommesseinheit 422 dazu ausgestaltet sein, I_L1 direkt zu messen, und die Tastgrad-Messeinheit 420 entfällt. Der Vergleicher 412 ist hier dazu ausgestaltet, den gemessenen I_L1 mit einem durch den Strombefehl angegebenen Zielstrom zu vergleichen. Der Reset geht auf „high”, wenn der gemessene Strom I_L1 größer ist als der Zielstrom, um den generierten Strom I_L1 zu verringern.
4C veranschaulicht ein Ablaufdiagramm 440 eines Verfahrens für eine vorgelagerte Steuereinheit 305 zur Steuerung des von einem Stromsteuerungsmechanismus generierten Stroms gemäß einer Ausführungsform. In Schritt 205 wird eine Stromquelle von der vorgelagerten Steuereinheit 305 dazu ausgestaltet, einen Strom I_L1 zu generieren. In Schritt 210 wird ein Spannungssteuerungsmechanismus von der nachgelagerten Steuereinrichtung 310 dazu ausgestaltet, der Last einen Teilstrom bereitzustellen und damit den Spannungspegel an der Last 110 zu regeln. In Schritt 407 misst die Tastgrad-Messeinheit 420 den Tastgrad des Signals D, das den der Last 110 bereitgestellten Teilstrom steuert. Die Tastgrad-Messeinheit 420 erzeugt das Ausgangs-DDF. In Schritt 430 bestimmt eine vorgelagerte Steuereinheit 305, ob der erzeugte Strom I_L1 reduziert werden sollte, und wenn nicht gestaltet in Schritt 435 die vorgelagerte Steuereinheit 305 den Stromsteuerungsmechanismus dazu aus, den Strom I_L1 zu erhöhen. Andernfalls gestaltet in Schritt 442 die vorgelagerte Steuereinheit 305 den Stromsteuerungsmechanismus dazu, den generierten Strom I_L1 zu senken.
In einer Ausführungsform wird der gemessene Tastgrad mit einem Zieltastgrad verglichen, um die Aktivierungssignale für den Stromsteuerungsmechanismus zu generieren. Der gemessene Tastgrad (DDF) entspricht dem Teilstrom, der der Last 110 (I_Load) bereitgestellt wird. In einer anderen Ausführungsformen wird I_Load gemessen und mit DDF kombiniert, um einen berechneten Strom zu erzeugen, der mit einem Zielstrom verglichen wird, um die Aktivierungssignale für den Stromsteuerungsmechanismus zu generieren. In jeder dieser Ausführungsformen basiert die Generierung des Stroms I_L1 auf dem der Last 110 bereitgestellten Teilstrom. In wiederum einer anderen Ausführungsform wird der Strom I_L1 gemessen und mit einem Zielstrom verglichen, um die Aktivierungssignale für den Stromsteuerungsmechanismus zu generieren.
5A zeigt ein weiteres Ablaufdiagramm 500 eines Verfahrens zum Regeln des der Last 110 oder 170 bereitgestellten Spannungspegels unter Verwendung der nachgelagerten Steuereinheit 310 oder 360 (oder der Steuereinheit 105 oder 165, die eine nachgelagerte Steuereinheit aufweist) gemäß einer Ausführungsform. In Schritt 502 werden die Schaltmechanismen im Spannungsteuerungsmechanismus initialisiert. Im Besonderen wird der Schaltmechanismus M3 deaktiviert und der Schaltmechanismus M4 aktiviert. In einer anderen Ausführungsform wird die Hilfsversorgungsspannung V_ST der nachgelagerten Steuereinheit bereitstellt, und Schritt 502 wird durch einen Schritt ersetzt, der die Hilfsspannung der nachgelagerten Steuereinheit bereitstellt, bevor die elektrische Energiequelle 108 eine Versorgungsspannung für die Stromquelle bereitstellt.
In Schritt 505 gestaltet die vorgelagerte Steuereinheit 305 (oder die Steuereinheit 105 oder 165) den Stromsteuerungsmechanismus dazu aus, den Strom I_L1 über die Spule L1 zu generieren. Der Stromsteuerungsmechanismus kann dazu ausgestaltet werden, einen Strom bereitzustellen, der größer als ein von der Last 110 oder 170 durchschnittlich benötigter Strom ist. In Schritt 510 gestaltet die nachgelagerte Steuereinrichtung den Spannungssteuerungsmechanismus dazu aus, der Last 110 oder 170 einen Teilstrom bereitzustellen, um den Spannungspegel V_L an der Last 110 zu regeln. In Schritt 515 bestimmt die nachgelagerte Steuereinheit, ob V_L größer ist als Vmax, und wenn dies der Fall ist, dann wird in Schritt 525 der Spannungssteuerungsmechanismus gewechselt, um die Stromquelle von der Last 110 oder 170 zu entkoppeln, und die Stromquelle (d. h. die Spule L1) mit einer Stromsenke (d. h. Masse) zu koppeln, um der Last 110 oder 170 einen kleineren Teil von I_L1 bereitzustellen und damit V_L zu reduzieren. Nach Schritt 525 kehrt die nachgelagerte Steuereinheit zu Schritt 515 zurück.
Wenn in Schritt 515 V_L nicht größer ist als Vmax, dann bestimmt in Schritt 530 die nachgelagerten Steuereinheit, ob V_L kleiner ist als Vmin. Wenn V_L kleiner ist als Vmin, dann gestaltet in Schritt 535 die nachgelagerte Steuereinheit den Spannungssteuerungsmechanismus dazu aus, die Stromquelle mit der Last 110 oder 170 zu koppeln und die Stromquelle von der Stromsenke zu entkoppeln, um der Last 110 oder 170 einen größeren Anteil von I_L1 bereitzustellen und damit V_L zu erhöhen. Nach Schritt 535 kehrt die nachgelagerte Steuereinheit zu Schritt 515 zurück. Andernfalls, wenn V_L nicht größer ist als Vmax und nicht kleiner ist als Vmin (d. h., V_L befindet sich in dem Bereich, der von Vmin und Vmax begrenzt wird), kehrt die nachgelagerte Steuereinheit zu Schritt 515 zurück.
Der der Last 110 oder 170 bereitgestellte Teilstrom wird durch das Signal D festgelegt, das von der nachgelagerten Steuereinheit 310 oder 360 generiert wird. Das Signal D, das abwechselnd den ersten Schaltmechanismus M4 aktiviert, sodass ein Teilstrom zur Last 110 oder 170 fließen kann, während ein zweiter Schaltmechanismus M3 deaktiviert ist, und dann den zweiten Schaltmechanismus aktiviert, um die Spule L1 (oder L2 für die Umwandlungseinrichtung elektrischer Energie 180) mit der Masse zu verbinden, während der zweite Schaltmechanismus deaktiviert wird, um die Last 110 oder 170 von der Spule zu isolieren. Als Reaktion auf einen kurzzeitigen Stromwechsel erhöht oder senkt die nachgelagerte Steuereinheit 310 oder 360 schnell den Teilstrom, der der Last 110 oder 170 bereitgestellt wird, und hält den Spannungspegel V_L in einem bestimmten durch Vmin und Vmax begrenzten Bereich. Im Besonderen, wenn V_L größer ist als Vmax, sinkt D ab, um Strom von der Last 170 abzuleiten, und wenn V_L kleiner ist als Vmin, steigt D an, um der Last 170 Strom zuzuleiten.
5B veranschaulicht gemäß einer Ausführungsform ein System 550 mit einem Schaltregler zum vorübergehenden Speichern von Strom, der zwei Lasten steuert, die Lasten 110-A und 110-B, mit unabhängigen Steuereinheitsspannungen V_LA und V_LB unter Verwendung einer gemeinsamen Stromquelle. Wie in 5B dargestellt, stellt die einzelne Spule L1 den Strom I_L1 bereit, von dem ein Teil jeder der beiden Lasten 110-A und 110-B bereitgestellt wird. In einer Ausführungsform werden die Teile des Stroms I_L1 den beiden Lasten 110-A und 110-B nicht gleichzeitig bereitgestellt. Ein Filterkondensator C1A ist mit der Last 110-A gekoppelt, und ein Filterkondensator C1B ist mit der Last 110-B gekoppelt. Eine eigene nachgelagerte Steuereinheit 510-A und 510-B und zugehörige Schaltmechanismen M4A und M4B sind mit jeder der Lasten verknüpft. Der Schaltmechanismus M3 kann von den nachgelagerten Steuereinheiten 510-A und 510-B jedoch gemeinsam genutzt werden. Die nachgelagerten Steuereinheiten 510-A und 510-B können jeweils eine der nachgelagerten Steuereinheiten 310 oder 360 sein.
Die D-Ausgangssignale, DA und DB, die von der nachgelagerten Steuereinheiten 510-A und 510-B generiert werden, werden kombiniert, um der Last 110-A eine Betriebspriorität zu erteilen. In einer Ausführungsform ist die Last 110-A die kritischste Last oder die mit dem höchsten Strom. Ist DA „high”, wird der Schaltmechanismus M4A deaktiviert, wobei die Stromquelle mit der Last 110-A gekoppelt wird, und die Schaltmechanismen M4B und M3 sind beide deaktiviert. Ist der Schaltmechanismus M4A aktiviert, wird der Strom I_L1 dem Kondensator C1A bereitgestellt und V_LA steigt auf „high”, während V_LB nach „low” abfällt. Wenn DA „low” ist, kann DB „high” sein, wodurch der Schaltmechanismus M4B aktiviert wird und die Schaltmechanismen M4A und M3 deaktiviert werden. Ist der Schaltmechanismus M4B aktiviert, wird der Strom I_L1 dem Kondensator C1B bereitgestellt und V_LB steigt auf „high”, während V_LA nach „low” abfällt. Ist DA wie auch DB „low”, wird der Schaltmechanismus M3 aktiviert und beide Schaltmechanismen M4A und M4B werden deaktiviert, was dazu führt, dass der Strom I_L1 in der Spule L1 „vorübergehenden gespeichert” wird, während sowohl V_LA als auch V_LB nach „low” abfallen. Der wirksame Tastgrad des Systems 550 ist der Tastgrad des Signals, der durch das logische ”ODER” von DA und DB ausgebildet wird, was in 5B als das Signal D dargestellt wird.
5C veranschaulicht ein System 560 mit einem Schaltregler zum vorübergehenden Speichern von Strom gemäß einer Ausführungsform. Der Schaltregler zum vorübergehenden Speichern von Strom im System 560 kann eine der jeweils in 1A und 1C dargestellten Umwandlungseinrichtungen elektrischer Energie sein, oder einer der in 3A, 3C und 4A dargestellten Schaltregler zum vorübergehenden Speichern von Strom sein.
Die elektrische Energiequelle 108 ist mit dem Stromsteuerungsmechanismus und dem Spannungssteuerungsmechanismus des Schaltreglers zum vorübergehenden Speichern von Strom mit der Spule L1 verbunden. In einer alternativen Ausführungsform ist die elektrische Energiequelle 108 mit dem Stromsteuerungsmechanismus und dem Spannungssteuerungsmechanismus des Schaltreglers zum vorübergehenden Speichern von Strom mit den Spulen L11 und L2 verbunden. Die vorgelagerte Steuereinheit 305 ist dazu ausgestaltet, einen Strom durch die Spule L1 zu generieren. Die nachgelagerte Steuereinheit 510 kann eine der nachgelagerten Steuereinheiten 310 oder 360 sein, und ist dazu ausgestaltet, den Spannungspegel bei der Last zu regeln, d. h. der Schaltkreis 580. In einer Ausführungsform ist die nachgelagerte Steuereinheit 510 dazu ausgestaltet, den Spannungspegel im Schaltkreis 580 in einem durch Vmin und Vmax begrenzten bestimmten Bereich beizubehalten.
Die Spule L1 ist außerhalb einer Baugruppe 570 angeordnet, die den Schaltkreis 580 beinhaltet. Eine zweite Spule L2 (nicht dargestellt) kann in der Baugruppe 570 angeordnet werden, um die zweite parasitäre Kapazität CPB im Vergleich zur ersten parasitären Kapazität CPA zu verringern, wie für 1C beschrieben. Die zweite Spule L2, die Schaltmechanismen M3 und M4 (oder M13 und M14) und der Kondensator C1 (oder C11) kann als Teil des IC 575 hergestellt werden, die den Schaltkreis 580 beinhaltet. In einer Ausführungsform ist die zweite Spule L2 eine planare Luftspule, und die Schaltmechanismen M3 und M4 (oder M13 und M14) sind planare MOS-Transistoren. Obwohl in 5B eine einzelne Phase des Schaltreglers zum vorübergehenden Speichern von Strom mit einer geteilten Spule dargestellt wird, können mehrere Phasen des Schaltreglers zum vorübergehenden Speichern von Strom mit einer geteilten Spule oder einer Kombination von einem oder mehreren Schaltreglern zum vorübergehenden Speichern von Strom (mit oder ohne geteilter Spule) mit einer oder mehreren herkömmlichen Umwandlungseinrichtungen elektrischer Energie verwendet werden, um den Schaltkreis 580 mit Energie zu versorgen.
6A veranschaulicht von einem Schaltregler zum vorübergehenden Speichern von Strom 302 generierte Wellenformen 600 gemäß einer Ausführungsform. Die vorgelagerte Steuereinheit ist eine PWM-Steuereinheit, die den Tastgrad des Signals D unter einem Zieltastgrad (wie in 4A dargestellt) beibehält, oder die den Strom über einen Zielstrom beibehält (wie in 4B dargestellt). Die nachgelagerte Steuereinheit kann ein Zweipunktregler sein, der dazu ausgestaltet ist, V_L in einem durch Vmin und Vmax begrenzten Bereich beizubehalten.
Der oberste Trace ist der Tastgrad (DF) des Signals D, das ansteigt, wenn der Strom I_L1 (dritter Trace) sinkt, um der Last einen konstanten Strom bereitzustellen. Der zweite Trace ist das von der vorgelagerten Steuereinheit 305 generierte erste Signal der Aktivierungssteuerungssignale, das mit dem Schaltmechanismus M1 gekoppelt ist (M1-Gate). Wenn das M1-Gate „high” ist, geht der Strom I_L1 durch die Spule L1 steil nach oben, da die vorgelagerte Seite der Spule L1 mit der elektrischen Energiequelle (12 V) 108 verbunden ist. Wenn das M1-Gate „low” ist, sinkt der Strom I_L1 langsam, da die vorgelagerte Seite der Spule L1 über den Schaltmechanismus M2 mit der Masse (GND) verbunden ist.
In der Simulation, die die Wellenformen 600 erzeugt, gibt es einen Stromübergang im Laststrom I_Load von 20 A auf 23 A in 5 μs und eine Schrittänderung im Zieltastgrad von 0,7 auf 0,77 in 12 μs. 6B veranschaulicht eine vergrößerte Ansicht eines Teils der in 6A dargestellten Wellenformen 600 gemäß einer Ausführungsform;
Wie in 6A und ebenso in der vergrößerten Darstellung von 6B dargestellt, führt der Stromübergang zu einer Schritterhöhung im Tastgrad DF und zu einer Schrittverringerung in der Betriebsfrequenz der nachgelagerten Steuereinheit 310 (als Zweipunktregler implementiert), aber die Spannung V_L verbleibt in dem durch Vmin und Vmax begrenzten Bereich. Wie in 6B dargestellt, reagiert die nachgelagerte Steuereinheit 310 sofort auf den Stromübergang durch Erhöhung des Tastgrads DF, sodass V_L im Zielspannungsbereich bleibt. 6B veranschaulicht auch, wie die Frequenz der nachgelagerten Steuereinheit 310 bei einem höheren Tastgrad verringert wird, da die Steigung von V_L gesenkt wird.
6C veranschaulicht eine weitere vergrößerte Ansicht eines Teils der in 6A dargestellten Wellenformen 600 gemäß einer Ausführungsform. 6C veranschaulicht, wie der Tastgrad und die Betriebsfrequenz der nachgelagerten Steuereinheit 310 während des langen Anstiegs des Stroms I_L1 von 6,67 μs auf 7 μs variieren. Zu Beginn des Anstiegs des Stroms I_L1 ist der Tastgrad sehr hoch, über 0,9, und die Betriebsfrequenz der nachgelagerten Steuereinheit 310 ist dementsprechend niedrig. Wenn der Strom I_L1 ansteigt, sinkt der Tastgrad und die Betriebsfrequenz der nachgelagerten Steuereinheit 310 steigt an.
7 veranschaulicht ein beispielhaftes System 700, in dem verschiedene Architekturen und/oder Funktionalitäten der verschiedenen vorhergehenden Ausführungsformen implementiert sein können. Wie dargestellt, wird ein System 700 mit wenigstens einem Hauptprozessor 701 bereitgestellt, das mit einem Kommunikationsbus 702 verbunden ist. Der Kommunikationsbus 702 kann mit jedem geeigneten Protokoll implementiert werden wie PCI (Peripheral Component Interconnect), PCI-Express, AGP (Accelerated Graphics Port), HyperTransport, oder jedem anderen Bus- oder Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsprotokoll(en). Das System 700 kann auch einen Hauptspeicher 704 enthalten. Steuerlogik (Software) und Daten werden im Hauptspeicher 704 gespeichert, der die Form eines Direktzugriffspeichers (RAM, Random Access Memory) annehmen kann.
Das System 700 beinhaltet auch Eingabeeinrichtungen 712, einen Grafikprozessor 706 und einen Bildschirm 708, d. h. ein herkömmlicher CRT (Cathode Ray Tube, Kathodenstrahlröhre)-, LCD (Liquid Crystal Display, Flüssigkristallanzeige), LED (Light Emitting Diode, lichtemittierende Diode), Plasmabildschirm oder Ähnliches. Benutzereingaben können von Eingabeeinrichtungen 712, wie Tastatur, Maus, Touchpad, Mikrofon und Ähnlichem empfangen werden. In einer Ausführungsform kann der Grafikprozessor 706 eine Vielzahl von Shader-Modulen, ein Rasterisierungsmodul usw. enthalten. Ein jedes der oben erwähnten Module kann sogar auf einer einzelnen Halbleiterplattform angeordnet sein, um eine Grafikverarbeitungseinheit (GPU, Graphics Processing Unit) zu bilden.
In der vorliegenden Beschreibung kann eine einzelne Halbleiterplattform sich auf einen einzigen einheitlichen halbleiterbasierten integrierten Schaltkreis oder Chip beziehen. Es ist hervorzuheben, dass sich der Begriff „einzelne Halbleiterplattform” auch auf Mehrchipmodule mit verbesserter Konnektivität beziehen kann, die eine On-Chip-Operation simulieren, und wesentliche Verbesserungen gegenüber der Nutzung einer herkömmlichen zentralen Verarbeitungseinheit (CPU, Central Processing Unit) und Busimplementierung bieten. Natürlich können die verschiedenen Module nach den Vorstellungen der Benutzer auch getrennt angeordnet oder in verschiedenen Kombinationen von Halbleiterplattformen angeordnet werden. Ein oder mehrere der in 5A und 5B dargestellten Systeme 550 und 500 können jeweils in das System 700 integriert werden, um einen oder mehreren Chips mit Leistung zu versorgen.
Das System 700 kann auch einen sekundären Speicher 710 enthalten. Der sekundäre Speicher 710 enthält zum Beispiel ein Festplattenlaufwerk und/oder ein Laufwerk für entfernbaren Speicher, das einen Diskettenlaufwerk, ein Magnetbandlaufwerk, ein CD-Laufwerk, ein DVD(Digital Versatile Disk)-Laufwerk, eine Aufzeichnungseinrichtung und USB(Universal Serial Bus)-Flash-Speicher (DVD) sein kann. Das entfernbare Speicherlaufwerk liest in bekannter Weise von und/oder schreibt auf eine entfernbare Speichereinheit. Computerprogramme oder Algorithmen für die Steuerlogik von Computern können im Hauptspeicher 704 und/oder dem sekundären Speicher 710 gespeichert sein. Diese Computerprogramme ermöglichen bei der Ausführung dem System 700 die Durchführung verschiedener Funktionen. Der Hauptspeicher 704, der Speicher 710 und/oder jede andere Speicher sind mögliche Beispiele von computerlesbaren Medien.
In einer Ausführungsform kann die Architektur und/oder Funktionalität der verschiedenen vorhergehenden Figuren im Kontext des Hauptprozessors 701, des Grafikprozessors 706, eines integrierten Schaltkreis (nicht dargestellt), die wenigstens einen Teil der Funktionen des Hauptprozessors 701 und des Grafikprozessors 706 auszubilden vermag, eines Chipsatzes (d. h. einer Gruppe integrierter Schaltkreise, die für die Funktion als Einheit ausgelegt sind und so verkauft werden, um zugehörige Funktionen durchzuführen usw.) und/oder jeder andere integrierte Schaltkreis zu diesem Zweck implementiert sein.
Weiterhin kann die Architektur und/oder Funktionalität der verschiedenen vorhergehenden Figuren im Kontext eines allgemeinen Computersystems, eines Platinensystems, eines speziell für bestimmte Unterhaltungszwecke konzipierten Spielkonsolensystems, eines anwendungsspezifischen Systems und/oder jedes anderen gewünschten Systems implementiert werden. Zum Beispiel kann das System 700 die Form eines Desktop-Computers, eines Laptop-Computers, eines Servers, Workstation, Spielekonsolen, eines eingebetteten Systems und/oder jeder anderen Art von Logik annehmen. Weiterhin kann das System 700 die Form verschiedener anderer Geräte annehmen, einschließlich, ohne darauf beschränkt zu sein, eines persönlichen digitalen Assistenten (PDA, Personal Digital Assistant), eines Mobiltelefons, eines Fernsehers usw.
Weiterhin, wenngleich nicht dargestellt, kann das System 700 für Kommunikationszwecke mit einem Netzwerk verbunden sein (z. B. einem Telekommunikationsnetzwerk, einem lokalen Netzwerk (LAN), einem Funknetzwerk, einem Weitverkehrsnetzwerk (WAN), wie dem Internet, einem Peer-to-Peer-Netzwerk, einem Kabelnetzwerk usw.).
Wenngleich verschiedene Ausführungsformen oben beschrieben wurden, versteht es sich, dass sie nur in beispielhafter Form und nicht als Einschränkung dargestellt wurden. Somit sind die Breite und der Umfang einer bevorzugten Ausführungsform nicht durch eine beliebige der oben beschriebenen beispielhaften Ausführungsformen beschränkt, sondern sie sind nur gemäß der folgenden Ansprüche und deren Entsprechungen zu definieren.

Claims

Verfahren aufweisend: Konfigurieren einer Stromquelle zum Bereitstellen eines Stroms (I_L1; I_L11) für einen Spannungssteuerungsmechanismus (M3, M4); Konfigurieren des Spannungssteuerungsmechanismus (M3, M4) zum Bereitstellen eines Teils von dem Strom (I_L1; I_L11) für eine Last (110); Generieren des Stroms basierend auf dem der Last (110) bereitgestellten Teil des Stroms (I_L1; I_L11), Messen eines Tastgrades eines Signals, das den der Last (110) bereitgestellten Teil des Stroms (I_L1; I_L11) steuert; und Verringern des Stroms (I_L1; I_L11), der generiert wird, wenn der Tastgrad kleiner als ein Zieltastgrad ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei ein erstes Signal die Stromquelle mit einer elektrischen Energiequelle (108) koppelt und von der elektrischen Energiequelle (108) entkoppelt, um eine Menge des generierten Stroms (I_L1; I_L11) zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei ein zweites Signal die Stromquelle mit einer Stromsenke koppelt und von der Stromquelle entkoppelt, um die Menge des generierten Stroms zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Zieltastgrad gemäß einer Verarbeitungslast festgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Messen ein Filtern des Signals zur Erzeugung des Tastgrades aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Messen ein Abtasten einer mit Abgriffen versehenen Verzögerungsleitung (Tapped Delay Line) zur Erzeugung des Tastgrades aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend Erhöhen des Stroms (I_L1; I_L11), wenn der Tastgrad größer als der Zieltastgrad ist.
Verfahren nach Anspruch 1, ferner aufweisend: Messen des Teils des Stroms (I_L1; I_L11), welcher der Last (110) bereitgestellt wird, um einen gemessenen Strom zu erzeugen; Berechnen des Stroms, der generiert wird, basierend auf dem gemessenen Strom und einem Tastgrad eines Signals, das den der Last (110) bereitgestellten Teil des Stroms (I_L1; I_L11) steuert, um einen berechneten Strom zu erzeugen; und Verringern des Stroms, der generiert wird, wenn der berechnete Strom größer als ein Zielstrom ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Generieren des Stroms aufweist, in abwechselnder Weise gemäß dem der Last (110) bereitgestellten Teil des Stroms (I_L1; I_L11), Aktivieren eines ersten Schaltmechanismus (M1), um die Stromquelle mit einer elektrischen Energiequelle (108) zu koppeln, wobei ein zweiter Schaltmechanismus (M2) deaktiviert wird, um die Stromquelle von einer Stromsenke zu entkoppeln, und dann, gemäß dem der Last bereitgestellten Teil des Stroms (I_L1; I_L11), Deaktivieren des ersten Schaltmechanismus (M1), um die Stromquelle von der elektrischen Energiequelle (108) zu entkoppeln, wobei der zweite Schaltmechanismus (M2) aktiviert wird, um die Stromquelle mit der Stromsenke zu koppeln.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Strom größer ist als ein durchschnittlicher Strom, der zum Regeln eines Ausgangsspannungspegels an der Last (110) erforderlich ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Spannungssteuerungsmechanismus in einer höheren Frequenz arbeitet als die Stromquelle.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Stromquelle eine Spule (L1; L11) aufweist, die zwischen dem Spannungssteuerungsmechanismus und einem Stromsteuerungsmechanismus gekoppelt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Generieren des Stroms aufweist: Koppeln der Stromquelle mit einer elektrischen Energiequelle (108) gemäß einer festen Frequenz, wenn der Strom nicht größer als ein Zielstrom ist; und Entkoppeln der Stromquelle von der elektrischen Energiequelle (108), wenn der Strom größer als der Zielstrom ist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei der Zielstrom gemäß einer Verarbeitungslast festgelegt wird.
Elektrische Energieumwandlungsvorrichtung, aufweisend: einen Stromsteuerungsmechanismus, welcher Schaltmechanismen (M1, M2) umfasst und ausgestaltet ist, um mittels einer Stromquelle einen Strom (I_L1; I_L11) für einen Spannungssteuerungsmechanismus bereitzustellen; den Spannungssteuerungsmechanismus, welcher zwischen der Stromquelle und einer Last (110) gekoppelt ist, welcher Schaltmechanismen (M3, M4) umfasst und ausgestaltet ist, um mittels der Schaltmechanismen (M3, M4) einen Teil des Stroms (I_L1; I_L11) für die Last (110) bereitzustellen; und eine vorgelagerte Steuereinheit (105; 165; 305), die mit dem Stromsteuerungsmechanismus gekoppelt ist und konfiguriert ist, um einen Tastgrad eines Signals, das den der Last (110) bereitgestellten Teil des Stroms (I_L1; I_L11) steuert, zu messen; und um mittels der Schaltmechanismen (M1, M2) des Stromsteuerungsmechanismus den Strom (I_L1; I_L11) zu verringern, wenn der Tastgrad kleiner als ein Zieltastgrad ist.
Elektrische Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei die vorgelagerte Steuereinheit (105; 165; 305) weiterhin konfiguriert ist: die Stromquelle mit einer elektrischen Energiequelle (108) gemäß einer festen Frequenz zu koppeln, wenn der Strom (I_L1; I_L11) nicht größer als ein Zielstrom ist; und die Stromquelle von der elektrischen Energiequelle (108) zu entkoppeln, wenn der Strom größer als der Zielstrom ist.
Elektrische Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 16, wobei der Zielstrom gemäß einer Verarbeitungslast festgelegt wird.
Elektrische Energieumwandlungsvorrichtung nach Anspruch 15, wobei die vorgelagerte Steuereinheit (105; 165; 305) weiterhin dazu konfiguriert ist, in abwechselnder Weise gemäß dem der Last (110) bereitgestellten Teil des Stroms (I_L1; I_L11) einen ersten Schaltmechanismus (M1) zu aktivieren, um die Stromquelle mit einer elektrischen Energiequelle (108) zu koppeln, wobei ein zweiter Schaltmechanismus (M2) deaktiviert wird, um die Stromquelle von einer Stromsenke zu entkoppeln, und dann, gemäß dem der Last bereitgestellten Teil des Stroms (I_L1; I_L11) den ersten Schaltmechanismus (M1) zu deaktivieren, um die Stromquelle von der elektrischen Energiequelle (108) zu entkoppeln, wobei der zweite Schaltmechanismus (M2) aktiviert wird, um die Stromquelle mit der Stromsenke zu koppeln.