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Dokumentenidentifikation DE69935099T2 06.06.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0000987615
Titel Leistungsschaltung mit Einschaltstrombegrenzung, und integrierte Schaltung mit dieser Leistungsschaltung
Anmelder Matsushita Electric Industrial Co., Ltd., Kadoma, Osaka, JP
Erfinder Kinoshita, Masayoshi, Hirakata-shi, Osaka 573-0084, JP;
Sakiyama, Shiro, Kadoma-shi, Osaka 571-0070, JP;
Kajiwara, Jun, Kyoto-shi, Kyoto 612-8485, JP;
Satomi, Katsuji, Osaka-shi, Osaka 535-0003, JP;
Yamamoto, Hiroo, Takatsuki-shi, Osaka 567-0045, JP;
Ootani, Katsuhiro, Kashihara-shi, Nara 634-0063, JP
Vertreter Grünecker, Kinkeldey, Stockmair & Schwanhäusser, 80538 München
DE-Aktenzeichen 69935099
Vertragsstaaten DE, FR, GB, IT, NL
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 15.09.1999
EP-Aktenzeichen 991183302
EP-Offenlegungsdatum 22.03.2000
EP date of grant 14.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.06.2007
IPC-Hauptklasse G05F 1/573(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf eine Leistungsschaltung zur Konvertierung einer Versorgungsspannung und zum Ausgeben der konvertierten Spannung, und insbesondere auf eine Technik zur Begrenzung eines Einschaltstromstoßes während des anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung.

Eine integrierte Schaltung kann mehrere Komponenten enthalten, die bei einer von der gegebenen Betriebsspannung abweichenden Spannung arbeiten. In einer derartigen Situation wird eine Leistungsschaltung verwendet, um die Versorgungsspannung auf die erforderliche Spannung zu konvertieren um die konvertierte Spannung auszugeben.

17 illustriert den Aufbau einer herkömmlichen Leistungsschaltung. Die in 17 gezeigte Leistungsschaltung enthält einen Ausgangstransistor 1, einen Differenzverstärker 2 und einen Glättungskondensator 3. Der Ausgangstransistor 1 liefert einen Strom an die an einem Ausgangsanschluss 4 angeschlossene Last. Der Differenzverstärker 2 steuert den von dem Ausgangstransistor 1 gelieferten Strom auf einen derartigen Wert, dass eine über den Ausgangsanschluss 4 ausgegebene Ausgangsspannung OUT an eine an einem Referenzanschluss 5 angelegte Referenzspannung REF angeglichen wird. Der Glättungskondensator 3 ist vorgesehen, um plötzliche Schwankungen im Ausgangsstrom der Last zu entfernen.

In der in 17 gezeigten herkömmlichen Leistungsschaltung kann jedoch der Ausgangstransistor 1 einen maximal möglichen Strom während des anfänglichen Betriebs der Schaltung liefern. Demzufolge kann ein übermäßig großer Strom, d.h. der so genannte Einschaltstromstoß, von einer Spannungsversorgung 100 in den Glättungskondensator 3 über den Ausgangstransistor 1 fließen. Ein derartiger Einschaltstromstoß kann die Vorrichtungen einer LSI, inklusive der Leistungsschaltung oder externer Komponenten nachteilig beeinflussen oder schädigen.

Gemäß einer beispielhaften Technik zur Unterdrückung der Erzeugung des Einschaltstromstoßes wird ein bipolarer Transistor zur Begrenzung des Einschaltstromstoßes in Serie mit einem Ausgangstransistor geschaltet (siehe z.B. die offengelegte japanische Veröffentlichung Nr. 8-154338). Im Allgemeinen ist das Verhältnis des Emitter-Kollektor-Stroms eines Bipolartransistors zu seinem Basisstrom gleich oder kleiner als das Stromverstärkungsverhältnis des Basisstroms. Demzufolge unterdrückt die vorgeschlagene Schaltung angeblich die Erzeugung des Einschaltstromstoßes durch eine Begrenzung des Basisstroms des bipolaren Transistors zur Begrenzung des Einschaltstromstoßes.

In diesem Fall ist jedoch ein Prozess zur Herstellung des bipolaren Transistors erforderlich. Demzufolge wird, wenn der Ausgangstransistor und der Differenzverstärker z.B. als MOS-Transistoren implementiert sind, der Herstellungsprozess einer derartigen Schaltung übermäßig kompliziert.

Außerdem ist der Transistor zur Begrenzung des Einschaltstromstoßes in Serie mit dem Ausgangstransistor 1 geschaltet. Demgemäß sollte der Kanal des Einschaltstromstoß-Begrenzungstransistors breit genug sein, um einen großen Strom als Ausgangsstrom zu liefern, wodurch die Layoutfläche und die Gesamtkosten der Leistungsschaltung vergrößert werden. Zusätzlich ist, wenn ein großer Strom ausgegeben wird, der Spannungsabfall zwischen dem Emitter und dem Kollektor des Einschaltstromstoßbegrenzungstransistors groß. Demzufolge ist es nicht möglich, eine Ausgangsspannung zu liefern, die ungefähr so groß ist wie die Versorgungsspannung. Um den durch den Einschaltstromstoßbegrenzungstransistor verursachten Spannungsabfall zu unterdrücken, sollte seine Kanalbreite erhöht werden. In einem derartigen Fall erhöht sich jedoch die Layoutfläche der Leistungsschaltung noch weiter.

Ein Spannungsregler mit niedrigem Leistungsverbrauch und schneller Antwort auf plötzliche Änderungen in der elektrischen Last ist aus dem europäischen Patent EP 0 810 508 bekannt. Der Spannungsregler umfasst ein serielles Ausgangselement, das durch einen Fehlerverstärker gesteuert wird, der die Differenz zwischen der Ausgangsspannung und einer Referenzspannung misst und damit die Ausgangsspannung in der Art einer geschlossenen Schleife regelt. Die schnelle Antwortcharakteristik wird durch eine zusätzliche Schaltstufe erreicht, die das serielle Ausgangselement bei Detektion einer Ungleichgewichtssituation des differentiellen Fehlerverstärkers schnell ausschaltet. Auf diese Weise kann ein Überschießen der Ausgangsspannung im Falle einer plötzlichen Reduktion des Ausgangsstroms begrenzt werden.

Ein Spannungsregler mit einer Anschaltvorrichtung ist in der deutschen Patentschrift DE 42 42 989 beschrieben. Dieses Dokument bezieht sich auf einen Spannungsregler mit verbesserter Isolation gegenüber elektrischen Störungen zwischen Eingang und Ausgang. Der Spannungsregler umfasst ein Referenznetzwerk, einen Differenzverstärker und einen Ausgangsregler. Rauschen in der ungeregelten Versorgungsspannung wird in der regulierten Ausgangsspannung dadurch unterdrückt, dass ein Teil der Regulationsschaltung mit der regulierten Ausgangsspannung betrieben wird. Obwohl dies keinerlei Problem während des regulären Betriebs darstellt, müssen besondere Vorkehrungen während des Anschaltens des Systems getroffen werden. Insbesondere offenbart dieses Dokument eine Anschaltvorrichtung, die den Betriebszustand des Referenznetzwerks und des Differenzverstärkers überwacht. Sofern der Betriebszustand nicht innerhalb gewisser Grenzen liegt, werden in der Anschaltphase Steuersignale generiert, die die Regelschaltung in Richtung des regulären Betriebsmodus ziehen.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Leistungsschaltung zur Verfügung zu stellen, die den Einschaltstromstoß während ihres anfänglichen Betriebs begrenzen kann, indem ein vom herkömmlichen Aufbau unterschiedlicher Aufbau verwendet wird.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Implementierung einer Leistungsschaltung zur Begrenzung des Einschaltstromstoßes, die im wesentlichen ohne eine Vergrößerung ihrer Layoutfläche auskommt.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung der Leistungsschaltung alleine durch einen CMOS-Prozess.

Insbesondere ist eine Leistungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung darauf angepasst, eine Versorgungsspannung zu konvertieren und die konvertierte Spannung auszugeben. Die Leistungsschaltung enthält: einen Ausgangstransistor zur Lieferung eines Stroms von einer Stromversorgung an einen Ausgangsanschluss; einen Differenzverstärker zur Steuerung des von dem Ausgangstransistor gelieferten Stroms in einer Weise, dass die Spannung an dem Ausgangsanschluss auf Basis einer voreingestellten Referenzspannung geregelt wird; eine Einrichtung zur Begrenzung eines Einschaltstromstoß durch eine allmähliche Erhöhung des von dem Ausgangstransistor gelieferten Stroms während eines anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung.

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird der von dem Ausgangstransistor gelieferte Strom durch die Einschaltstromstoßbegrenzungseinrichtung während des anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung allmählich erhöht. Dadurch ist es möglich, die Erzeugung des Einschaltstromstoßes während des anfänglichen Betriebs unter Verwendung einer anderen als der herkömmlichen Konfiguration zu unterdrücken.

In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung enthält die Einschaltstromstoßbegrenzungseinrichtung vorzugsweise: einen Begrenzungstransistor, der eine derartige Sourcespannung hat, dass die Gatespannung des Ausgangstransistors gesteuert wird, und auf einem Strompfad in einer Ausgangsstufe des Differenzverstärkers vorgesehen ist; und eine Betriebssteuerung zur Steuerung einer Gatespannung des Begrenzungstransistors.

In einer derartigen Ausführungsform wird die Gatespannung des Ausgangstransistors auf Basis der Sourcespannung des Begrenzungstransistors gesteuert und die Gatespannung des Begrenzungstransistors wird von der Betriebssteuerung gesteuert. Daher kann während des anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung der Begrenzungstransistor als Sourcefolger betrieben werden und die Gatespannung des Begrenzungstransistors kann durch die Betriebssteuerung auf einen derartigen Wert gesteuert werden, dass verhindert wird, dass der Ausgangstransistor einen übermäßig großen Strom liefert. Auf diese Weise kann die Erzeugung des Einschaltstromstoßes während des anfänglichen Betriebs unterdrückt werden.

Da der Begrenzungstransistor als MOS-Transistor implementiert werden kann, ist zusätzlich kein bipolarer Prozess erforderlich und eine Leistungsschaltung zur Einschaltstromstoßbegrenzung kann alleine durch einen CMOS-Prozess hergestellt werden.

Da der Begrenzungstransistor nicht in Serie mit dem Ausgangstransistor geschaltet ist, sondern auf dem Strompfad in der Ausgangsstufe des Differenzverstärkers vorgesehen ist, fließt darüber hinaus der Ausgangsstrom nicht durch den Begrenzungstransistor. Demzufolge muss die Kanalbreite des Begrenzungstransistors nicht vergrößert werden und daher kann die Erzeugung des Einschaltstromstoßes im wesentlichen ohne eine Vergrößerung der Layoutfläche der Leistungsschaltung unterdrückt werden. Darüber hinaus verringert sich die Ausgangsspannung nicht aufgrund des Spannungsabfalls an dem Begrenzungstransistor. Daher kann selbst wenn ein großer Strom als Ausgangsstrom geliefert werden soll, eine Ausgangsspannung geliefert werden, die der Versorgungsspannung angenähert ist.

In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung steuert die Betriebssteuerung vorzugsweise die Gatespannung des Begrenzungstransistors auf einen derartigen Wert, dass verhindert wird, dass der Ausgangstransistor einen übermäßig großen Strom während des anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung liefert. Andererseits steuert die Betriebssteuerung während des normalen Betriebs der Schaltung die Gatespannung des Begrenzenzungstransistors auf einen derartigen Wert, dass der Begrenzungstransistor eingeschaltet ist.

In einer weiteren Ausführungsform enthält die Betriebssteuerung vorzugsweise: einen Kondensator, bei dem die Spannung an einem Anschluss verwendet wird, um die Gatespannung des Begrenzungstransistors zu steuern; eine Kondensatorinitialisierungseinrichtung zur Einstellung einer Spannung des Kondensators auf eine vorbestimmte Spannung bevor die Leistungsschaltung zu arbeiten beginnt; und eine Stromquelle, die wahlweise eingeschaltet wird, um den Kondenstor allmählich zu laden oder zu entladen.

In dieser besonderen Ausführungsform enthält die Kondensatorinitialisierungseinrichtung vorzugsweise einen Schalter, der wahlweise eingeschaltet ist, und einen Transistor, der so beschaltet ist, dass er eine Diode bildet. Der Schalter und der zu einer Diode beschaltete Transistor sind beide in Serie zwischen dem Anschluss des Kondensators und einem Spannungsversorgungsanschluss oder einem Masseanschluss verbunden.

In einer anderen Ausführungsform kann die Betriebssteuerung eine Mehrzahl von Stromquellen enthalten, die wahlweise eingeschaltet sind.

In einer weiteren alternativen Ausführungsform kann die Betriebssteuerung eine Mehrzahl von Kondensatoren enthalten, die wahlweise geladen oder entladen sind.

In noch einer weiteren Ausführungsform kann die Betriebssteuerung mit einer ersten und einer zweiten Steuerspannung versehen sein, die von der Betriebssteuerung jeweils während des anfänglichen Betriebs und des normalen Betriebs ausgewählt werden. Die Betriebssteuerung kann die Gatespannung des Begrenzungstransistors in Übereinstimmung mit der ausgewählten Steuerspannung steuern.

In noch einer weiteren Ausführungsform kann die Betriebssteuerung enthalten: eine Reihe von Widerständen, die in Serie zueinander geschaltet sind, wobei die Reihe eine Spannung zwischen ihren beiden Anschlüssen in eine Mehrzahl von Spannungen teilt; und eine Einrichtung zur Auswahl einer der von der Reihe erzeugten Spannungen. Die Betriebssteuerung kann die Gatespannung des Begrenzungstransistors in Übereinstimmung mit der von der Auswahleinrichtung gewählten Spannung steuern.

In noch einer weiteren Ausführungsform enthält die Einschaltstromstoßbegrenzungseinrichtung vorzugsweise: einen Begrenzungstransistor, der zwischen der Spannungsversorgung und dem Ausgangsanschluss vorgesehen ist, und in Serie mit dem Ausgangstransistor geschaltet ist und eine Betriebssteuerung zur Steuerung einer Gatespannung des Begrenzungstransistors.

In dieser besonderen Ausführungsform steuert die Betriebssteuerung die Gatespannung des Begrenzungstransistors auf einen derartigen Wert, dass verhindert wird, dass der Ausgangstransistor einen übermäßig großen Strom während des anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung liefert. Andererseits steuert die Betriebssteuerung die Gatespannung des Begrenzungstransistors während des normalen Betriebs der Schaltung auf einen derartigen Wert, dass der Begrenzungstransistor eingeschaltet ist.

In noch einer anderen Ausführungsform kann die Betriebssteuerung enthalten: einen Kondensator, bei dem die Spannung an einem Anschluss verwendet wird, um die Gatespannung des Begrenzungstransistors zu steuern; eine Kondensatorinitialisierungseinrichtung zur Einstellung einer Spannung des Kondensators auf eine vorbestimme Spannung, bevor die Leistungsschaltung zu arbeiten beginnt; und eine Stromquelle, die wahlweise eingeschaltet wird, um den Kondensator allmählich zu laden oder zu entladen.

In noch einer anderen Ausführungsform erhöht die Einschaltstromstoßbegrenzungseinrichtung eine Gate-Sourcespannung des Ausgangstransistors ausgehend von einem sehr kleinen Wert während des anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung. Eine integrierte Schaltung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält die Leistungsschaltung der vorliegenden Erfindung und arbeitet bei einer Spannung, die durch die Leistungsschaltung konvertiert und ausgegeben wurde.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

1 ist ein Diagramm, das einen Aufbau einer Leistungsschaltung mit einem Einschaltstromstoßbegrenzer gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung schematisch darstellt.

2(a) und 2(b) sind Graphen, die die Funktionsweise der in 1 gezeigten Leistungsschaltung durch die Variation der Gate-Sourcespannung Vgs über die Zeit und die Variation des durch den Ausgangstransistor gelieferten Stroms Id über die Zeit illustrieren.

3 ist ein Diagramm, dass eine beispielhafte Realisierung der in 1 gezeigten Leistungsschaltung illustriert.

4 ist ein Diagramm, das eine andere beispielhafte Realisierung der in 1 gezeigten Leistungsschaltung illustriert.

5 ist ein Diagramm, das eine erste alternative Konfiguration des Einschaltstromstoßbegrenzers illustriert.

6 ist ein Diagramm, das eine zweite alternative Konfiguration des Einschaltstromstoßbegrenzers illustriert.

7 ist ein Diagramm, das eine dritte alternative Konfiguration des Einschaltstromstoßbegrenzers illustriert.

8 ist ein Diagramm, das eine vierte alternative Konfiguration des Einschaltstromstoßbegrenzers illustriert.

9 ist ein Diagramm, das eine fünfte alternative Konfiguration des Einschaltstromstoßbegrenzers illustriert.

10 ist ein Diagramm, das eine sechste alternative Konfiguration des Einschaltstromstoßbegrenzers illustriert.

11 ist ein Diagramm, das ein abgewandeltes Beispiel der in 3 gezeigten Leistungsschaltung illustriert, in der die Ausgangsspannung unter Verwendung von Widerständen geteilt wird und sodann die geteilte Spannung an den Differenzverstärker zurückgekoppelt wird.

12 ist ein Diagramm, das ein anderes modifiziertes Beispiel der in 3 gezeigten Leistungsschaltung illustriert, in der der Ausgangstransistor und der entsprechende Transistor des Differenzverstärkers als bipolare Transistoren implementiert sind.

13 ist ein Diagramm, das ein anderes abgewandeltes Beispiel der in 3 gezeigten Leistungsschaltung illustriert, in der der Ausgangstransistor als n-Kanaltransistor implementiert ist.

14 ist ein Diagramm, das einen beispielhaften Schaltungsaufbau einer Leistungsschaltung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert.

15 ist ein Diagramm, das einen anderen beispielhaften Schaltungsaufbau der Leistungsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform illustriert.

16 ist ein Diagramm, das den schematischen Aufbau einer integrierten Schaltung, die die Leistungsschaltung der vorliegenden Erfindung enthält, illustriert.

17 ist ein Diagramm, das den Aufbau einer herkömmlichen Leistungsschaltung, die den Einschaltstromstoßbegrenzer nicht enthält, illustriert.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungformen

Im folgenden werden bevorzugten Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.

Ausführungsform 1

1 illustriert schematisch den Aufbau einer Leistungsschaltung mit einem Einschaltstromstoßbegrenzer gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in 1 gezeigte Leistungsschaltung enthält auch den Ausgangstransistor 1, den Differenzverstärker 2 und den Glättungskondensator 3. Der Ausgangstransistor 1 liefert einen Strom von dem Stromversorgungsanschluss 100 an den Ausgangsanschluss 4. Der Differenzverstärker 2 steuert den von dem Ausgangstransistor 1 gelieferten Strom auf einen derartigen Wert, dass die Ausgangsspannung OUT am Ausgangsanschluss 4 mit der an dem Referenzanschluss 5 angelegten Referenzspannung REF übereinstimmt. Der Differenzverstärker 2 enthält einen Einschaltstromstoßbegrenzer 10 zur allmählichen Erhöhung des von dem Ausgangstransistor 1 während des anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung gelieferten Stroms.

Im einzelnen steuert der Differenzverstärker 2 den Ausgangstransistor 1 in einer vorgeschriebenen Weise, so dass die Gate-Sourcespannung Vgs des Transistors 1 ausgehend von einem sehr kleinen Wert allmählich durch den Einschaltstromstoßbegrenzer 10 während des anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung erhöht wird. Sobald die Schaltung begonnen hat normal zu arbeiten, führt der Differenzverstärker 2 seine ursprünglich vorgesehene Funktion der Steuerung des Ausgangstransistors 1 in einer Weise, dass seine Ausgangsspannung OUT mit der Referenzspannung REF übereinstimmt, aus.

Die 2(a) und 2(b) illustrieren die Funktionsweise der in 1 gezeigten Leistungsschaltung. Im Einzelnen ist 2(a) ein Graph, der die jeweilige Variation der Gate-Sourcespannung Vgs des Ausgangstransistors 1 über die Zeit illustriert. In 2(a) repräsentiert die durchgezogene Linie A1 die Vgs Variation einer Leistungsschaltung mit dem Einschaltstromstoßbegrenzer 10, während die strichpunktierte Linie A2 die Vgs-Variation einer Leistungsschaltung ohne den Einschaltstromstoßbegrenzer 10 repräsentiert. 2(b) ist ein Graph, der die jeweilige Variation des von dem Ausgangstransistor 1 gelieferten Stroms Id über die Zeit illustriert. In 2(b) repräsentiert die durchgezogene Linie b1 die Id-Variation einer Leistungsschaltung mit dem Einschaltstromstoßbegrenzer 10, während die strichpunktierte Linie b2 die ID-Variaton einer Leistungsschaltung ohne den Einschaltstromstoßbegrenzer 10 repräsentiert.

Wie durch die strichpunktierten Linien A2 und B2 in 2(a) und 2(b) dargestellt, ist, wenn der Einschaltstromstoßbegrenzer 10 nicht vorgesehen ist, die Gate-Sourcespannung Vgs während des anfänglichen Betriebs hoch und daher fließt unbeabsichtigter Weise ein übermäßig Strom, d.h. der so genannte Einschaltstromstoß. Im Gegensatz dazu erhöht sich die Gate-Sourcespannung Vgs ausgehend von einem sehr kleinen Wert allmählich während des anfänglichen Betriebs, wenn der Einschaltstromstoßbegrenzer 10 vorgesehen ist. Nachdem die Schaltung begonnen hat normal zu arbeiten, wird der Ausgangstransistor 1 in ähnlicher Weise gesteuert, wie in einer Schaltung, die den Einschaltstromstoßbegrenzer nicht enthält. Durch die Durchführung einer derartigen Steuerung kann die Erzeugung des Einschaltstromstoßes während des anfänglichen Betriebs unterdrückt werden, wie durch die durchgezogenen Linien A1 und B1 dargestellt wird. Es wird festgestellt, dass die anfängliche Betriebsweise zu einem Zeitpunkt in die normale Betriebsweise geändert wird, wenn ein vorbestimmtes Intervall nach dem Start des Betriebs vergangen ist oder wenn die durch den Einschaltstromstoßbegrenzer 10 gesteuerte Spannung Vgs die Spannung Vgs für den normalen Betrieb überschreitet.

3 illustriert eine beispielhafte detaillierte Realisierung der in 1 gezeigten Leistungsschaltung. Wie in 3 gezeigt, ist ein Begrenzungstransistor 11 zwischen einem Transistorpaar 31 und 32 vorgesehen, die zusammen einen Strompfad in der Ausgangsstufe des Differenzverstärkers 2 bilden. Außerdem ist eine Betriebssteuerung 15 zur Steuerung der Gatespannung des Begrenzungstransistors 11 vorgesehen. Der Einschaltstromstoßbegrenzer 10 besteht aus dem Begrenzungstransistor 11 und der Betriebssteuerung 15. In einer Schaltung, die den Begrenzungstransistor 11 nicht enthält, ist die Referenzspannung REF höher als die Ausgangsspannung OUT während des anfänglichen Betriebs. Demzufolge liefert der Transistor 31 keine Ladung an das Gate des Ausgangstransistors 1 und der Transistor 32 zieht Ladungen vom Gate des Ausgangstransistors 1 ab. Im Ergebnis fällt die Gatespannung des Ausgangstransistors 1 ab, um den Einschaltstromstoß zu erzeugen.

Um den Einschaltstromstoß zu begrenzen, ist der Begrenzunstransistor 11 gemäß dieser Ausführungsform vorgesehen, wodurch die Betriebsweise des Transistors 32 unterdrückt wird, die Ladungen vom Gate des Ausgangstransistors 1 abzuziehen. Da der Begrenzungstransistor 11 in der Tat als Source-Folgeschaltung arbeitet, ist die Gatespannung des Ausgangstransistors 1 gleich der Summe der Gatespannung des Begrenzungstransistors 11 und der Schwellenspannung des Transistors 1. Demzufolge kann, wenn die Gatespannung des Begrenzungstransistors 11 gesteuert wird, die Gate-Sourcespannung Vgs des Ausgangstransistors 1 gesteuert werden.

Daher stellt die Betriebssteuerung 15 die Gatespannung des Begrenzungstransistors 11 während des anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung relativ hoch ein und verringert dann allmählich die Spannung mit dem Verlauf der Zeit. Demzufolge erhöht sich die Gate-Sourcespannung Vgs des Ausgangstransistors 1 ausgehend von einem sehr kleinen Wert allmählich und deshalb kann die Erzeugung des Einschaltstromstoßes unterdrückt werden. Sobald eine vorbestimmte Zeit vergangen ist, ist die Gatespannung des Begrenzungstransistors 11 hinreichend niedrig. Zusätzlich beginnt, da die Ausgangsspannung OUT an die Referenzspannung REF angeglichen wird, der Transistor 31 Ladung an das Gate des Ausgangstransistors 1 zu liefern. In einer derartigen Situation hat der Begrenzungstransistor 11 keinen weiteren Einfluss auf die Funktion des Differenzverstärkers 2 und die Leistungsschaltung beginnt automatisch normal zu arbeiten.

Die Betriebssteuerung 15 enthält einen Kondensator 16, eine geschaltete Stromquelle 17 und einen Ladeschalter 18. Ein Anschluss des Kondensators 16 ist mit dem Gate des Begrenzungstransistors 11 verbunden, wohingegen sein anderer Anschluss geerdet ist. Die Spannung an dem ersteren Anschluss wird verwendet, um die Gatespannung des Begrenzungstransistors 11 zu steuern. Der positive Anschluss der geschalteten Stromquelle 17 ist mit dem nicht geerdeten Anschluss des Kondensators 16 verbunden und ihr negativer Anschluss ist geerdet. Während der Schalter eingeschaltet ist, funktioniert die Stromquelle so, dass in dem Kondensator 16 gespeicherte Ladungen allmählich abgezogen werden. Der Ladeschalter 18, der beispielhaft der in den beigefügten Ansprüchen definierten Kondensatorinitialisierungseinrichtung entspricht, ist zwischen dem nicht geerdeten Anschluss des Kondensators 16 und der Spannungsversorgung vorgesehen. In seinem eingeschalteten Zustand lädt der Schalter 18 den Kondensator 16 auf die Versorgungsspannung. Bevor die Leistungsschaltung zu arbeiten beginnt, schaltet die Betriebssteuerung 15 den Ladeschalter 18 ein, ohne die geschaltete Stromquelle 17 einzuschalten, wodurch der Kondensator 16 vorgeladen wird. Im Ergebnis ist der Kondensator 16 auf die Versorgungsspannung geladen und die Gatespannung des Begrenzungstransistors 11 ist auf die Versorgungsspannung eingestellt. Wenn die Leistungsschaltung zu arbeiten beginnt, schaltet die Betriebssteuerung 15 den Ladeschalter 18 aus und die geschaltete Stromquelle 17 ein. Im Ergebnis wird der Kondensator 16 allmählich entladen, d.h., seine Spannung verringert sich allmählich, während des anfänglichen Betriebs. Demzufolge verringert sich auch die Gatespannung des Begrenzungstransistors 11 allmählich.

4 illustriert eine andere beispielhafte detaillierte Realisierung der in 1 gezeigten Leistungsschaltung. In 4 ist der Differenzverstärker 2A als Operalionstranskonduktanzverstärker (OTA) implementiert. Wie in 4 gezeigt, ist der Begrenzungstransistor 11 zwischen einem Transistorpaar 41 und 42 vorgesehen, die zusammen einen Strompfad in der Ausgangsstufe des Differenzverstärkers 2A vom OTA-Typ bilden. Die Betriebssteuerung 15 hat den gleichen Aufbau wie das in 3 illustrierte Gegenstück. Der in 4 gezeigte Einschaltstromstoßbegrenzer 10 arbeitet auch in der gleichen Weise wie das in 3 gezeigte Gegenstück und die zugehörige Beschreibung wird hiermit übersprungen.

In der Leistungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung muss im Gegensatz zu einer herkömmlichen Schaltung außer dem Ausgangstransistor 1 kein Transistor zwischen dem Spannungsversorgungsanschluss 100 und dem Ausgangsanschluss 4 vorgesehen werden. Das bedeutet, da kein großer Transistor in Serie zu dem Ausgangstransistor 1 geschaltet sein sollte, kann die Erzeugung des Einschaltstromstoßes im wesentlichen ohne eine Vergrößerung der Layoutfläche der Leistungsschaltung unterdrückt werden. Außerdem kann, selbst wenn ein großer Strom als Ausgangsstrom zur Verfügung gestellt werden sollte, eine Ausgangsspannung annähernd in der Größe der Versorgungsspannung geliefert werden.

In der vorangegangenen Beschreibung wurde eine Leistungsschaltung mit einem einstufigen Differenzverstärker oder einem Differenzverstärker vom OTA-Typ veranschaulicht. Es ist allerdings festzustellen, dass die vorliegende Erfindung in keiner Weise auf diese speziellen Ausführungsformen beschränkt ist. Daher kann jeder andere Differenzverstärker, wie z.B. ein zweistufiger Differenzverstärker ebenfalls verwendet werden. In einem derartigen Fall kann der Einschaltstromstoßbegrenzer ebenso leicht durch die Vorsehung des Begrenzungstransistors auf dem Strompfad in der Ausgangsstufe des Differenzverstärkers gebildet werden. Obwohl ein n-Kanal-Differenzverstärker in der vorangegangenen Ausführungsform verwendet wurde, kann natürlich auch p-Kanaldifferenzverstärker verwendet werden.

Nachfolgend werden verschiedene alternative Beispiele des Einschaltstromstoßbegrenzers gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulicht.

Alternatives Beispiel 1

5 illustriert eine erste alternative Konfiguration des Einschaltstromstoßbegrenzers gemäß der ersten Ausführungsform. In der in 5 gezeigten Betriebssteuerung 15A sind der Ladungsschalter 18 und die als Dioden geschalteten Transistoren 21 und 22 in Serie zwischen einem Anschluss des Kondensators 16 und der Spannungsversorgung geschaltet. Die in den beigefügten Ansprüchen definierte beispielhafte Kondensatorinitialisierungseinrichtung besteht aus dem Schalter 18 und den Transistoren 21 und 22. Durch die zusätzliche Zurverfügungstellung der als Dioden geschalteten Transistoren 21 und 22 kann der Kondensator 16 auf eine Spannung geladen werden, die dargestellt wird als (Versorgungsspannung – Schwellenspannung des Transistors × 2) bevor die Leistungsschaltung zu arbeiten beginnt.

Der Ausgangstransistor 1 beginnt einen Strom zu liefern, wenn seine Gatespannung den Wert (Versorgungsspannung – Schwellenspannung des Transistors) erreicht, d.h., wenn die Schwellenspannung des Begrenzungstransistors 11 den Wert (Versorgungsspannung – Schwellenspannung des Transistors × 2) erreicht. Demzufolge kann eine Leistungsschaltung mit dem in 5 gezeigten Einschaltstromstoßbegrenzer normalerweise früher zu arbeiten beginnen, als die in 3 oder 4 gezeigte, und zwar um die Zeit, die die Gatespannung des Ausgangstransistors 1 benötigt, um den Wert (Versorgungsspannung – Schwellenspannung des Transistors) zu erreichen.

Selbst wenn nur ein einzelner als Diode geschalteter Transistor vorgesehen ist, kann der gleiche Effekt erzielt werden. Das bedeutet, dass die Leistungsschaltung normalerweise früher zu arbeiten beginnen kann als das in 3 oder 4 gezeigte Gegenstück.

Alternatives Beispiel 2

6 illustriert eine zweite alternative Konfiguration des Einschaltstromstoßbegrenzers gemäß der ersten Ausführungsform. Die in 6 gezeigte Betriebssteuerung 15B enthält eine Mehrzahl von geschalteten Stromquellen 17, die wahlweise eingeschaltet sind. Wenn nur eine geschaltete Stromquelle 17 vorgesehen ist, wie in 3 oder 4, ist die Entladungsrate des Kondensators 16 durch die Leistungsfähigkeit der einzelnen Stromquelle 17 definiert. Demzufolge ist auch die Anstiegszeit der Leistungsschaltung festgelegt. Im Gegensatz dazu kann gemäß der in 6 gezeigten Konfiguration die Entladungsrate des Kondensators variabel sein, indem wahlweise eine beliebige Zahl von Stromquellen 17 eingeschaltet wird. Wenn z.B. keine Bedenken bestehen, hinsichtlich der Erzeugung eines Einschaltstromstoßes, dann kann die Anstiegszeit der Leistungsschaltung verkürzt werden, indem die Entladerate des Kondensators 16 erhöht wird.

Wenn außerdem z.B. keine Ladung in dem Glättungskondensator 3 gespeichert ist, entsteht mit größerer Wahrscheinlichkeit ein Einschaltstromstoß. Demzufolge kann in einer derartigen Situation der Einschaltstromstoß begrenzt werden, indem eine Stromquelle mit relativ geringer Leistungsfähigkeit eingeschaltet wird (oder lediglich eine von mehreren Stromquellen mit gleicher Leistungsfähigkeit). Wenn andererseits bereits eine bestimmte Ladungsmenge in dem Glättungskondensator 3 gespeichert ist, ist die Entstehung eines Einschaltstromstoßes weniger wahrscheinlich. Demzufolge kann die Leistungsschaltung schneller aktiviert werden, indem eine Stromquelle mit relativ hoher Leistungsfähigkeit eingeschaltet wird (oder mehrere Stromquellen mit gleicher Leistungsfähigkeit zur gleichen Zeit).

In diesem Fall kann die Entladungsrate des Kondensators 16 geändert werden, indem entweder gezielt eine der Stromquellen 17 mit untereinander verschiedenen Leistungsfähigkeiten eingeschaltet wird oder die erforderliche Anzahl von Stromquellen 17 mit gleicher Leistungsfähigkeit eingeschaltet wird.

Alternatives Beispiel 3

7 illustriert eine dritte alternative Konfiguration des Einschaltstromstoßbegrenzers der ersten Ausführungsform. Die in 6 gezeigte Betriebssteuerung 15B enthält eine Mehrzahl von geschalteten Stromquellen 17, wohingegen stattdessen die Betriebssteuerung 15C eine Mehrzahl von Kondensatoren 16 enthält. Außerdem sind zusätzlich Schalter 23 zwischen dem Gate des Begrenzungstransistors 11 und den entsprechenden Transistoren 16 vorgesehen, so dass die Kondensatoren 16 wahlweise geladen oder entladen werden. Gemäß der in 7 gezeigten Konfiguration kann die Gesamtkapazität der Kondensatoren 16 geändert werden, indem wahlweise eine beliebige Anzahl von Kondensatoren 16 unter Verwendung der Schalter 23 geladen oder entladen wird.

Wenn die Gesamtkapazität der Kondensatoren 16 relativ groß ist, dann dauert es länger, bis die Stromquelle 17 die Kondensatoren 16 entladen hat, so dass der Einschaltstromstoß begrenzt wird. Wenn umgekehrt die Gesamtkapazität der Kondensatoren 16 relativ klein ist, dann sind die Kondensatoren 16 schneller entladen. Im Ergebnis kann die Leistungsschaltung in einer kürzeren Zeit aktiviert werden. In anderen Worten, die Gatespannung des Begrenzungstransistors 11 nimmt mit einer Rate ab, die mit der Gesamtkapazität der Kondensatoren 16 variiert. Demzufolge kann der Einschaltstromstoßbegrenzer 15C die gleiche Funktion ausführen, wie der in 6 gezeigte Einschaltstromstoßbegrenzer 15B.

In diesem Fall kann die Gesamtkapazität der Kondensatoren 16 geändert werden, indem entweder gezielt ein geeigneter der Kondensatoren 16 mit jeweils unterschiedlicher Kapazität oder eine erforderliche Anzahl von Kondensatoren 16 mit gleicher Kapazität geladen oder entladen wird.

Alternatives Beispiel 4

8 illustriert eine vierte alternative Konfiguration des Einschaltstromstoßbegrenzers gemäß der ersten Ausführungsform. Die in 8 gezeigte Betriebssteuerung 15D enthält ein Paar von Anschlüssen 24a und 24b, an die jeweils eine erste und zweite Steuerspannung CTL1 und CTL2 angelegt werden. Die Steuerung 15D enthält außerdem ein Paar von Schaltern 25A und 25B, um jeweils wahlweise die erste und die zweite Steuerspannung CTL1 und CTL2 an das Gate des Begrenzungstransistors 11 anzulegen.

Die erste Steuerspannung CTL1 ist auf einen derartigen Wert voreingestellt, dass die Erzeugung des Einschaltstromstoßes durch die Funktion des Begrenzungstransistors 11 unterdrückt wird, wenn die Spannung CTL1 an das Gate des Begrenzungstransistors angelegt wird. Andererseits ist die zweite Steuerspannung CTL2 auf einen derartigen Wert voreingestellt, dass selbst wenn die Spannung CTL2 an das Gate des Begrenzungstransistors 11 angelegt wird, der normale Betrieb des Differenzverstärkers nicht durch den Begrenzungstransistor 11 beeinflusst wird.

Während des anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung ist der Schalter 25a eingeschaltet und die erste Steuerspannung CTL1 ist am Gate des Begrenzungstransistors 11 angelegt. Wenn die Leistungsschaltung, nachdem eine vorbestimmte Zeit vergangen ist, normal zu arbeiten beginnt, wird der Schalter 25b eingeschaltet und die zweite Steuerspannung CTL2 wird an das Gate des Begrenzungstransistors angelegt. Durch die Ausführung dieses Betriebsablaufs kann die Erzeugung eines Einschaltstromstoßes unterdrückt werden.

In Abhängigkeit von dem gewünschten Betriebsablauf kann eine Mehrzahl von ersten Steuerspannungen CTL1 vorbereitet und wahlweise angelegt werden.

Alternatives Beispiel 5

9 illustriert eine fünfte alternative Konfiguration des Einschaltstromstoßbegrenzers gemäß der ersten Ausführungsform. Die in 9 gezeigte Betriebssteuerung 15E stellt Spannungen, die jeweils der in 8 gezeigten ersten und zweiten Steuerspannung CTL1 und CTL2 entsprechen, über eine Teilung der Versorgungsspannung unter Verwendung von Widerständen ein. Im Einzelnen wird eine Reihe 26 von in Serie geschalteten Widerständen zwischen der Spannungsversorgung und der Masse zur Verfügung gestellt, wodurch die dazwischen liegende Spannungsdifferenz in eine Mehrzahl von Spannungen geteilt wird, wobei eine davon durch einen Spannungswähler 27 ausgewählt wird, der aus einer Mehrzahl von Schaltern besteht. Die ausgewählte Spannung wird an das Gate des Begrenzungstransistors angelegt.

Während des anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung legt der Spannungswähler 27 nacheinander die Spannungen an das Gate des Begrenzungstransistors 11 in aufsteigender Reihenfolge, d.h. beginnend mit der höchsten. Als Ergebnis kann die Erzeugung des Einschaltstromstoßes unterdrückt werden. Andererseits legt der Spannungswähler 27 während des normalen Betriebs das Massepotential an das Gate des Begrenzungstransistors 11 an, wodurch der Begrenzungstransistor 11 eingeschaltet wird. Demzufolge arbeitet der Differenzverstärker normal.

Alternatives Beispiel 6

10 illustriert eine sechste alternative Konfiguration des Einschaltstromstoßbegrenzers gemäß der ersten Ausführungsform. Die Betriebssteuerung 15F enthält des Weiteren ein paar von als Dioden geschaltete Transistoren 28 und 29 zwischen der Spannungsversorgung und der Widerstandsreihe 26 der in 9 gezeigten Betriebssteuerung 15E.

Wie in dem ersten alternativen Beispiel beschrieben, beginnt der Ausgangstransistor 1 einen Strom zu liefern, wenn die Gatespannung des Begrenzungstransistors 11 den Wert (Versorgungsspannung – Schwellenspannung des Transistors × 2) erreicht. Demzufolge ist in der in 10 gezeigten Betriebssteuerung 15F die Spannung am oberen Ende der Widerstandsreihe 26 auf den Wert (Versorgungsspannung – Schwellenspannung des Transistors × 2) gesetzt, indem das Paar der als Dioden geschalteten Transistoren 28 und 29 vorgesehen wird. In einer derartigen Konfiguration kann der Widerstand der Widerstandsreihe 26 im Vergleich zu dem in 9 illustrierten Beispiel reduziert werden.

Die gleichen Effekte sind auch mit nur einem als Diode geschalteten Transistor erreichbar.

  • (Abgeändertes Beispiel der in 3 gezeigten Leistungsschaltung)

11 illustriert ein abgeändertes Beispiel der in 3 gezeigten Leistungsschaltung. In 11 wird die Ausgangsspannung OUT durch die Widerstände 51 und 52 geteilt und die zugeteilte Spannung wird an den Differenzverstärker zurückgekoppelt. In dieser Weise kann die Ausgangsspannung OUT auf einen höheren Wert eingestellt werden, als die Referenzspannung REF.

Die in 3 gezeigte Leistungsschaltung enthält MOS Transistoren. Die vorliegende Erfindung ist jedoch in keiner Weise auf eine derartige Ausführungsform beschränkt. So ist die vorliegende Erfindung z.B. leicht auf die in 12 gezeigte alternative Leistungsschaltung anwendbar, in der der Ausgangstransistor 1A und die entsprechenden Transistoren des Differenzverstärkers 2B als bipolare Transistoren implementiert sind.

Außerdem ist in der in 3 gezeigten Leistungsschaltung ein p-Kanaltransistor als Ausgangstransistor 1 verwendet worden. Alternativ kann auch ein n-Kanaltransistor als Ausgangstransistor 1B verwendet werden, wie in 13 gezeigt wird. In einem derartigen Fall erhöht der Einschaltstromstoßbegrenzer 10A die Gatespannung des Ausgangstransistors 1B ausgehend von dem Massepotential allmählich während des anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung.

Im Gegensatz zu dem in 3 gezeigten Einschaltstromstoßbegrenzer 10 enthält der in 13 gezeigte Einschaltstromstoßbegrenzer 10A einen n-Kanalbegrenzungstransistor 51 und eine Betriebssteuerung 55. Der n-Kanalbegrenzungstransistor 51 ist zwischen einem Paar von Transistoren 31 und 32 vorgesehen, die zusammen einen Strompfad in der Ausgangsstufe des Differenzverstärkers 2C bilden. Die Betriebssteuerung 55 steuert die Gatespannung des Begrenzungstransistors 51.

Die Betriebssteuerung 55 enthält einen Kondensator 56, eine geschaltete Stromquelle 57 und einen Entladungsschalter 58. Ein Anschluss des Kondensators 56 ist mit dem Gate des Begrenzungstransistors 51 verbunden, wohingegen sein anderer Anschluss geerdet ist. Die Spannung am ersteren Anschluss wird verwendet, um die Gatespannung des Begrenzungstransistors 51 zu steuern. Der positive Anschluss der geschalteten Stromquelle 57 ist mit dem Spannungsversorgungsanschluss verbunden und ihr negativer Anschluss ist mit dem nicht-geerdeten Anschluss des Kondensators 56 verbunden. Während der Schalter eingeschaltet ist, arbeitet die Stromquelle 57 so, dass allmählich Ladungen an den Kondensator 56 geliefert werden. Der Entladeschalter 58, der der in den beigefügten Ansprüchen definierten beispielhaften Kondensatorinitialisierungseinrichtung entspricht, ist zwischen dem nicht-geerdeten Anschlusskondensator 56 und dem Masseanschluss vorgesehen. In seinem eingeschalteten Zustand entlädt der Schalter 58 den Kondensator 56.

Bevor die Leistungsschaltung zu arbeiten beginnt, schaltet die Betriebssteuerung 55 den Entladeschalter 58 ein, ohne die geschaltete Stromquelle 57 einzuschalten, wodurch der Kondensator 56 vorentladen wird. Im Ergebnis ist der Kondensator 56 auf 0 Volt entladen und die Gatespannung des Begrenzungstransistors 51 ist auf das Massepotential gesetzt. Wenn die Leistungsschaltung zu arbeiten beginnt, schaltet die Betriebssteuerung 55 den Entladeschalter 58 aus und die geschaltete Stromquelle 57 ein. Im Ergebnis wird der Kondensator 56 allmählich geladen, d.h. seine Spannung erhöht sich allmählich während des anfänglichen Betriebs. Demgemäß erhöht sich auch die Gatespannung des Begrenzungstransistors 51 allmählich. Da der Begrenzungstransistor 51 als Sourcefolgeschaltung arbeitet, erhöht sich die Gatespannung des Ausgangstransistors 1B allmählich und die Erzeugung des Einschaltstromstoßes kann unterdrückt werden.

Ausführungsform 2

14 illustriert eine beispielhafte Schaltungskonfiguration einer Leistungsschaltung mit einem Einschaltstromstoßbegrenzer gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 14 ist ein Begrenzungstransistor 61 in Serie mit dem Ausgangstransistor 1 geschaltet und eine Betriebssteuerung 65 ähnlich zu der der ersten Ausführungsform ist mit dem Gate des Begrenzungstransistors 61 verbunden. Das bedeutet, dass die Betriebssteuerung 65 auch einen Kondensator 66, eine geschaltete Stromquelle 67 und einen Ladeschalter 68 enthält. Ein Einschaltstromstoßbegrenzer 60 besteht aus dem Begrenzungstransistor 61 und der Betriebssteuerung 65.

Während des anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung legt die Betriebssteuerung 65 eine Spannung von einem Anschluss des Kondensators 66, die ausgehend von der Betriebsspannung allmählich abnimmt an das Gate des Begrenzungstransistors an, womit die Erzeugung des Einschaltstromstoßes unterdrückt wird. Andererseits ist die Gatespannung des Begrenzungstransistors 61 während des normalen Betriebs der Leistungsschaltung gleich dem Massepotential. Demzufolge ist der Begrenzungstransistor 61 eingeschaltet und beeinflusst den Betrieb der Leistungsschaltung kaum. In dieser Ausführungsform fließt jedoch ein Strom, der dem Ausgangsstrom entspricht, durch den Begrenzungstransistor 61 während des normalen Betriebs der Leistungsschaltung und deshalb sollte der Begrenzungstransistor 61 relativ groß sein. Demzufolge wird im Vergleich zu der Leistungsschaltung der ersten Ausführungsform die Layoutfläche eher größer sein.

15 illustriert ein abgewandeltes Beispiel der in 14 gezeigten Leistungsschaltung. Wie in der in 5 gezeigten Betriebssteuerung 15A gemäß der ersten Ausführungsform enthält die Betriebssteuerung 65A einen Ladeschalter 68 und einen als Diode geschalteten Transistor 69, die in Serie zwischen dem Versorgungsspannungsanschluss und dem Kondensator 66 geschaltet sind. Der Begrenzungstransistor 61 beginnt einen Strom zu liefern, wenn seine Gatespannung den Wert (Versorgungsspannung – Schwellenspannung des Transistors) erreicht. Demzufolge kann die Anstiegszeit der Leistungsschaltung verkürzt werden, indem die Spannung, auf die der Kondensator 66 geladen wird, auf den Wert (Versorgungsspannung – Schwellenspannung des Transistors) gesetzt wird, unter Verwendung des als Diode geschalteten Transistors 69.

Jedes der im Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschriebenen alternativen Beispiele des Einschaltstromstoßbegrenzers ist auch auf die Leistungsschaltung gemäß der zweiten Ausführungsform anwendbar.

Es wird festgestellt, dass zusätzlich eine Steuerung zur Sperrung des Einschaltstromstoßbegrenzers für die Leistungsschaltung gemäß der ersten und der zweiten Ausführungsform vorgesehen werden kann.

Der Einschaltstromstoß entsteht, wenn im Wesentlichen keine Ladung in dem Glättungskondensator 3 gespeichert ist und die Ausgangsspannung viel kleiner ist, als die voreingestellte Referenzspannung, bevor die Leistungsschaltung zu arbeiten beginnt. Wenn jedoch der Glättungskondensator 3 auf eine Spannung in der Nähe der Referenzspannung geladen wurde, bevor die Leistungsschaltung zu arbeiten beginnt, dann wird kein Einschaltstromstoß erzeugt.

Demzufolge muss, wenn der Glättungskondensator 3 bereits geladen wurde, bevor die Leistungsschaltung zu arbeiten beginnt, der Einschaltstromstoßbegrenzer gemäß der vorliegenden Erfindung nicht in Betrieb genommen werden. Sollte der Einschaltstromstoßbegrenzer in einer derartigen Situation aktiviert werden, so wird die Anstiegszeit der Leistungsschaltung im Gegenteil länger. Demzufolge kann in einer Leistungsschaltung die eine derartige Steuerung zur Sperrung des Einschaltstromstoßbegrenzers enthält, die Erzeugung des Einschaltstromstoßes erforderlichenfalls unterdrückt werden. Wenn keine Notwendigkeit besteht, den Einschaltstromstoß zu begrenzen, kann der Einschaltstromstoßbegrenzer gesperrt werden und die Leistungsschaltung kann ausreichend schnell aktiviert werden.

Z.B. sollte eine derartige Steuerung zur Sperrung des Einschaltstromstoßbegrenzers in einem System vorgesehen werden, indem beabsichtigt wird, die Leistungsschaltung mit Unterbrechungen zu betreiben, so dass der Leistungsverbrauch reduziert werden kann, wenn der Ausgangsstrom klein ist. In einem derartigen Fall wird die Leistungsschaltung abwechselnd und wiederholt ein- und ausgeschaltet, wobei der Glättungskondensator stets geladen ist. Demzufolge sollte der Einschaltstromstoßbegrenzer nur aktiviert werden, wenn die Leistungsschaltung das erste Mal eingeschaltet wird. Das bedeutet, dass eine derartige Leistungsschaltung vorzugsweise in kurzer Zeit aktiviert werden sollte und der Einschaltstromstoßbegrenzer andernfalls gesperrt sein sollte. Demgemäß enthält ein derartiges System vorzugsweise die Steuerung zur Sperrung des Einschaltstromstoßbegrenzers.

16 illustriert ein LSI System, das eine Leistungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung enthält. Wie in 16 gezeigt, enthält die integrierte Schaltung 70: einen LSI Kern 71; einen Gleichspannungswandler 73 als die Leistungsschaltung; und einen Kondensator 67 als externe Komponente. Die integrierte Schaltung 70 enthält des Weiteren Kontaktierungsfelder 73a bis 73e. Der Gleichspannungswandler 72 enthält den Einschaltstromstoßbegrenzer der vorliegenden Erfindung, wandelt die Versorgungsspannungen Vdd und Vss, die an den Kontaktierungsfelder 73a und 73b angelegt werden, in eine Spannung Vnd durch den oben beschriebenen Betriebsablauf und gibt die Spannung Vnd am Feld 73c aus. Die Ausgangsspannung Vnd des Gleichspannungswandlers 72 wird als Spannung Vout ausgegeben. Die Ausgangsspannung Vout wird als interne Versorgungsspannung für den LSI Kern 71 geliefert.

Wie aus der vorangegangenen Beschreibung ersichtlich, kann der durch den Ausgangstransistor gelieferte Strom durch den Einschaltstromstoßbegrenzer allmählich erhöht werden, in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung während des anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung. Demzufolge kann die Erzeugung des Einschaltstromstoßes während des anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung unterdrückt werden, indem eine andere als die herkömmliche Konfiguration verwendet wird. Außerdem kann der in dem Einschaltstromstoßbegrenzer enthaltene Begrenzungstransistor z.B. ein MOS Transistor sein. Demzufolge ist kein bipolarer Prozess erforderlich und die Leistungsschaltung mit dem Einschaltstromstoßbegrenzer kann durch einen CMOS Prozess alleine gefertigt werden. Darüber hinaus kann, wenn der Begrenzungstransistor auf dem Strompfad in der Ausgangsstufe des Differenzverstärkers vorgesehen ist, die Erzeugung des Einschaltstromstoßes im Wesentlichen unterdrückt werden, ohne die Layoutfläche der Leistungsschaltung zu vergrößern. Darüber hinaus kann, selbst wenn ein großer Strom als Ausgangsstrom geliefert werden soll, eine Ausgangsspannung in der Nähe der Versorgungsspannung geliefert werden.


Anspruch[de]
Leistungsschaltung zur Konvertierung einer Versorgungsspannung (100) und zur Ausgabe der konvertierten Spannung (OUT) mit:

einem Ausgangstransistor (1) zur Lieferung eines Stroms von einer Spannungsversorgung (100) an einen Ausgangsanschluss (4), und

einen Differenzverstärker (2) zur Steuerung des von dem Ausgangstransistor (1) gelieferten Stroms derart, dass eine Spannung an dem Ausgangsanschluss (4) auf Basis einer voreingestellten Referenzspannung (REF) reguliert wird,

gekennzeichnet durch

eine Einrichtung (10; 60) zur Begrenzung eines Einschaltstromstoßes, umfassend einen Begrenzungstransistor (11, 61) zur Begrenzung des Stroms durch den Ausgangstransistor (1), und

eine Betriebssteuerung (15; 65) zur Steuerung einer Gate-Spannung des Begrenzungstransistors (11, 61), um den von dem Ausgangstransistor (1) gelieferten Strom während eines anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung allmählich zu erhöhen.
Die Schaltung aus Anspruch 1, wobei der Begrenzungstransistor (11) eine Gate-Spannung des Ausgangstransistors (1) steuert, und der Begrenzungstransistor (11) auf einem Strompfad in einer Ausgangsstufe des Differenzverstärkers (2) vorgesehen ist. Die Schaltung aus Anspruch 1, wobei der Begrenzungstransistor (61) zwischen der Spannungsversorgung (100) und dem Ausgangsanschluss (4) vorgesehen ist und in Serie mit dem Ausgangstransistor (1) geschaltet ist. Die Schaltung aus einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei während des anfänglichen Betriebs der Leistungsschaltung die Betriebssteuerung (15, 65) die Gate-Spannung des Begrenzungstransistors (11, 61) bei einem derartigen Wert steuert, dass verhindert wird, dass der Ausgangstransistor (1) einen übermäßig großen Strom liefert, und wobei während eines normalen Betriebs der Leistungsschaltung die Betriebssteuerung (15; 65) die Gate-Spannung des Begrenzungstransistors (11; 61) an einem derartigen Wert regelt, dass der Begrenzungstransistor (11; 61) eingeschaltet ist. Die Schaltung aus einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Betriebssteuerung (15, 65) umfasst:

einen Kondensator (16; 56; 66), wobei eine Spannung an einem Anschluss des Kondensators (16; 56; 66) verwendet wird, um die Gatespannung des Begrenzungstransistors (11; 61) zu steuern;

eine Kondensatorinitialisierungseinrichtung zur Einstellung einer Spannung des Kondensators (16; 56; 66) auf eine vorbestimmte Spannung, bevor die Leistungsschaltung zu arbeiten beginnt; und

eine Stromquelle (17, 67), die wahlweise eingeschaltet wird, um den Kondensator (16; 56; 66) allmählich zu laden oder zu entladen.
Die Schaltung aus Anspruch 5, wobei die Kondensatorinitialisierungseinrichtung umfasst:

einen Schalter (18; 68), der wahlweise eingeschaltet ist; und einen Transistor (69), der angeschlossen ist, um eine Diode zu bilden,

wobei der Schalter (18; 68) und der zu einer Diode geschaltete Transistor (69) beide zwischen einem Anschluss des Kondensators (16; 56; 66) und einem Spannungsversorgungsanschluss (100) oder einem Masseanschluss in Serie geschaltet sind.
Die Schaltung aus Anspruch 5 oder 6, wobei die Betriebssteuerung (15; 65) eine Mehrzahl von Stromquellen (17) umfasst, die wahlweise eingeschaltet werden. Die Schaltung aus einem der Ansprüche 5 bis 7, wobei die Betriebssteuerung (15; 65) eine Mehrzahl der Kondensatoren (16) enthält, die wahlweise geladen oder entladen werden. Die Schaltung aus einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Betriebssteuerung (15; 65) mit einer ersten und einer zweiten Steuerspannung (CTL1, CTL2) versorgt ist, die durch die Betriebssteuerung (15; 65) während des anfänglichen Betriebs bzw. des normalen Betriebs der Leistungsschaltung ausgewählt werden, und wobei die Betriebssteuerung (15; 65) die Gate-Spannung des Begrenzungstransistors (11; 61) in Übereinstimmung mit der gewählten Steuerspannung steuert. Die Schaltung aus einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Betriebssteuerung (15; 65) umfasst:

eine Reihe von Widerständen (26), die in Serie zueinander geschaltet sind, wobei die Reihe eine Spannung zwischen ihren beiden Anschlüssen in eine Mehrzahl von Spannungen teilt; und

eine Einrichtung (27) zur Auswahl einer der von der Reihe erzeugten Spannungen, und

wobei die Betriebssteuerung (15; 65) die Gate-Spannung des Begrenzungstransistors (11; 61) in Übereinstimmung mit der von der Auswahleinrichtung (27) ausgewählten Spannung steuert.
Integrierte Schaltung (70) mit einer Leistungsschaltung (72) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10, die bei einer Spannung arbeitet, die von der Leistungsschaltung (72) konvertiert und ausgegeben wurde. Die Schaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei der Begrenzungstransistor (11; 61) ein MOS-Transistor ist.






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