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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Vermindern der Spannung über
einen Ableitungsspannungsregler.
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Allgemeiner
Stand der Technik
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Bei
elektronischen Vorrichtungen und speziell, aber nicht notwendigerweise,
bei drahtlosen Mobilkommunikationsvorrichtungen bestehen mehrere unterschiedliche
Betriebsspannungen, die den notwendigen Funktionen entsprechend
ein- und ausgeschaltet werden. Eine langlebige und kleine, aufladbare
Spannungsquelle war ein bevorzugtes Merkmal bei Mobilkommunikationsvorrichtungen
und tragbaren elektronischen Vorrichtungen im Allgemeinen. Im beständigen Verlauf
der Entwicklung der Schaltungsgestaltungstechnologie wurde es möglich, Vorrichtungen
mit einer niedrigeren Betriebsspannung als zuvor herzustellen. Die
Entwicklung machte es außerdem
möglich,
Größe und Gewicht
von aufladbaren Stromquellen, wie etwa Mobiltelefonbatterien, herabzusetzen,
ohne die Betriebszeit der Vorrichtung erheblich zu verkürzen.
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Bei
Mobilkommunikationsvorrichtungen treten sowohl Hochstrom- als auch
Schwachstrombetriebszustände
in Erscheinung, wobei bei Hochstrombetriebszuständen besonders das Senderteil den
merklichsten Anteil der Kapazität
der Spannungsquelle verbraucht. Die Stromversorgung einer Mobilkommunikationsvorrichtung
wurde herkömmlicherweise
nahezu allein mit Ableitungsspannungsreglern ausgeführt, auch
als lineare Regler bekannt, mit der einzigen Ausnahme von Ladepumpenreglern, die
für das
HF-Teil bestimmt waren. Bei Ableitungsspannungsreglern wird die
Strommenge mit einem Regelkreis geregelt, der die erforderliche Spannungsableitung
zwischen dem Eingangs- und dem Ausgangskreis erzeugt (dV = Vin – Vout).
Der Regelkreis fungiert als der spannungsvermindernde Widerstand
R, der mit der Belastung in Reihe geschaltet ist. Die gesamte Strombelastung
fließt
durch ihn, wodurch ein Leistungsabfall erzeugt ist, der proportional zum
Quadrat der Strombelastung ist (Ploss = R·I2). Ein
Ableitungsspannungsregler ist unten unter Verwendung eines linearen
Reglers als Beispiel kurz dargestellt. Als Spannungsregler ist die
Lösung
des linearen Reglers an sich einfach und leicht umzusetzen und funktioniert
gut in Schwachstrombetriebzuständen,
wenn sich eine Mobilkommunikationsvorrichtung etwa im Ruhemodus
befindet, aber mit hohem Strom bewirkt sie, dass sich der lineare
Regler und die gesamte Vorrichtung überhitzen und beispielsweise
während
eines Anrufs Spannungsquellenkapazität verlieren.
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US-Patentschrift
Nr. 5,592,072 offenbart einen Spannungsregler, der einen Umschaltmodusregler
und einen linearen Regler enthält.
Der Schaltregler ist zum Regeln der Eingangsspannung abwärts auf
eine Zwischenspannung auf einem Zwischenknoten betriebsfähig. Der
lineare Regler ist zwischen dem Zwischenknoten und einem Ausgangsknoten zum
Regeln der Zwischenspannung abwärts
auf einen vorgegebenen Ausgangsspannungspegel angeschlossen, der
die geregelte Ausgangsspannung umfasst. Die Reglersteuerung steuert
den Schaltregler als Funktion der Spannung auf dem linearen Regler,
sodass die Spannung auf dem linearen Regler im Wesentlichen konstant
gehalten ist.
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1 stellt
einen linearen Regler dar, dessen Anschluss 11 an die Stromquelle
angeschlossen ist und dessen Anschluss 12 an Erde gelegt
ist. Die Eingangsspannung Vin verläuft zwischen Anschluss 11 und 12,
und die Ausgangsspannung Vout des linearen Reglers verläuft zwischen
dem Anschluss 12 und 13. Eine Spannungsdifferenz
von zumindest dV muss auf dem linearen Regler verbleiben, um die
gewünschte
Ausgangsspannung Vout zu erzielen. Der Wert der Ausgangsspannung
Vout hängt
nicht davon ab, um wie viel Vin größer als der Minimumwert (Vout +
dV) ist. Eine zu geringe Spannungsdifferenz dV wird außerdem als
Abfall der Ausgangsspannung Vout angesehen, der unerwünscht sein
könnte.
Folgendes Beispiel veranschaulicht die Zunahme des Leistungsabfalls
des linearen Reglers im Verlauf der Stromzunahme. Das Beispiel nutzt
die Situationen und Werte, bei denen Vin = 3,6 V, Vout = 1,8 V,
Belastungsstrom im Ruhemodus la = 5 mA und im Anrufmodus lb = 100
mA ist. Der Leistungsverbrauch des linearen Reglers im Ruhemodus
beträgt
Pa = 9 mW, und wenn wir uns dem Anrufmodus zuwenden, so beträgt der Leistungsverbrauch
des linearen Reglers nun Pb = 180 mW. Die oben dargestellten Werte sind
nur Richtlinien und veranschaulichen nur die Tatsache, dass der
Stromverbrauch im Ruhemodus gewöhnlich
allenfalls wenige Milliampere beträgt, wohingegen der Stromverbrauch
im Anrufmodus mehrere hundert Milliampere beträgt.
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Es
wurden mehrere unterschiedliche Lösungen zum Minimieren des Energieverbrauchs
und dadurch zum Verlängern
der Betriebszeit der Vorrichtung entwickelt. Ein Beispiel ist das
Regeln der Übertragungsleistung
während
der Übertragung,
wodurch die Betriebszeit verbessert ist. Diese Lösung beseitigt jedoch das Problem
nicht, das sich in Verbindung mit dem Regeln der Batteriespannung
als Überhitzung
des linearen Reglers und der Vorrichtung und als Leistungsabfall
bemerkbar macht.
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Es
ist bekannt, dass die Schrift
US 5 592 072 A eine Lösung offenbart, bei der eine
Umschaltmodusstromversorgung benutzt ist, um die Spannung auf einem
linearen Regler im Wesentlichen konstant zu halten.
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Kurzdarstellung
der Erfindung
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Gemäß der Erfindung
ist eine elektronische Vorrichtung implementiert, die durch die
Merkmale gekennzeichnet ist, welche im kennzeichnenden Teil des
an die elektronische Vorrichtung gerichteten, unabhängigen Anspruchs
vorgetragen sind.
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Außerdem gemäß der Erfindung
ist ein Verfahren zum Benutzen eines Ableitungsspannungsreglers
implementiert, das durch die Merkmale gekennzeichnet ist, welche
im kennzeichnenden Teil des an ein Verfahren gerichteten, unabhängigen Anspruchs
vorgetragen sind.
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Die
Erfindung nutzt abhängig
vom Belastungsniveau des Ableitungsspannungsreglers das bestmögliche Regelverfahren
durch Kombinieren der besten Vorzüge der Umschaltmodus- und Ableitungsspannungsregler.
Wenn der Belastungsstrom schwach ist, kann der lineare Regler allein
benutzt sein, da die Wärme
und Kapazitätsverluste
niedrig sind, auch wenn die Spannung auf dem linearen Regler hoch
ist. Wenn der Belastungsstrom hoch ist, beispielsweise während eines
Anrufs, ist ein Umschaltmodusspannungsregler zum Vorregeln der Spannung
auf einen derartigen Pegel benutzt, dass die Wärmeabgaben in dem linearen
Regler danach niedrig gehalten sind. Die Ausgangsspannung des linearen
Reglers ist stets dieselbe, ungeachtet des benutzten Regelverfahrens.
Der Umschaltmodusspannungsregler arbeitet als Leistungstransformator,
d.h. er verliert nicht so viel Batteriekapazität bei Wärmeabgaben. Dies ist besonders
zutreffend bei großen Belastungsströmen, in
welchem Falle die Effizienz des Umschaltmodusspannungsreglers am
besten ist. Bei schwachem Strom setzt der Stromverbrauch infolge
des Verbindungsverlusts des Umschaltmodusspannungsreglers die Effizienz
herab und seine Benutzung ist nicht mehr gerechtfertigt.
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Mit
der Erfindung ist ein einfaches Mittel zum Vermindern der Spannung
auf dem Ableitungsspannungsregler erzielt, wenn große Belastungsströme in Benutzung
sind. Die Überhitzung
und der Leistungsabfall des betreffenden Spannungsreglers sind im Vergleich
zu vorher ebenfalls herabgesetzt. Der Gebrauch des Verfahrens ermöglicht eine
effiziente Nutzung der Kapazität
der Spannungsquelle, auf deren Grundlage dieselbe Kapazität eine längere Betriebszeit
als zuvor gewährt.
Die Erfindung ermöglicht
es außerdem,
stets das beste Regelverfahren in verschiedenen Situationen zu benutzen,
da der Übergang
von einem Modus zum anderen keine Unterbrechung der Eingangsspannung
des linearen Reglers bewirkt. Daher kann beispielsweise der Übergang vom
Ruhemodus in den Anrufmodus und umgekehrt in einer Mobilkommunikationsvorrichtung
glatt erfolgen.
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Im
Folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegenden
Zeichnungen detailliert erläutert.
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Es
zeigen:
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1 den
Betrieb eines Spannungsreglers,
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2 eine
Vorrichtung gemäß der Erfindung bei
der Stromabgabe einer Mobilkommunikationsvorrichtung als Blockdiagramm,
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3 ein
Ablaufdiagramm des Verlaufs der verschiedenen Funktionsphasen,
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4 eine
bevorzugte Implementierungsform der Erfindung und
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5 eine
Mobilkommunikationsvorrichtung, die zumindest einen linearen Regler
und eine Vorrichtung zum Vermindern der Eingangsspannung des linearen
Reglers umfasst.
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1 stellt
den Betrieb eines bekannten, obigen linearen Reglers dar. Die Erfindung
ist unten hauptsächlich
unter Bezugnahme auf 2 bis 5 beschrieben.
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2 stellt
eine Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung dar, umfassend einen linearen Regler 201,
Schalter 202, 203, 204, die vorzugsweise
als Transistoren implementiert sind, eine Umschaltmodusstromversorgungs-Steuervorrichtung 205 (SMPS-Steuerung)
zum Steuern der Schalter (202 bis 204), eine Spule 206 und
einen Kondensator 207 zum Filtern der Spannung der Umschaltmodusstromversorgung,
einen Spannungsversorgungsausgang 208, einen geregelten
Spannungsausgang 209 und ein Erdpotential 210.
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Der
Ausgangsanschluss des Schalters 203 ist an das Erdpotential 210 angeschlossen,
der Steueranschluss ist an den Ausgang 214 der Steuervorrichtung 205 angeschlossen,
und der Eingangsanschluss ist an den Ausgangsanschluss des Schalters 202 angeschlossen.
Der Ausgangsanschluss des Schalters 202 ist ferner parallel
an den Ausgang des Schalters 204 angeschlossen, der Steueranschluss ist
an den Ausgang 215 der Steuervorrichtung 205 angeschlossen,
und der Eingangsanschluss ist parallel an den Eingangsanschluss
des Schalters 204 angeschlossen. Der Ausgangsanschluss
des Schalters 204 ist ferner an das erste Ende der Spule 206 angeschlossen,
der Steueranschluss ist an den Ausgang 216 der Steuervorrichtung 205 angeschlossen, und
der Eingangsanschluss ist ferner an den Spannungsversorgungsausgang 208 angeschlossen.
Das andere Ende der Spule 206 ist parallel an das erste Ende
des Kondensators 207 angeschlossen und ferner über den
Eingang 211 des linearen Reglers 201 mit einer
Rückkopplung 212 an
den Eingang 213 der Steuervorrichtung 205 angeschlossen.
Das andere Ende des Kondensators ist an das Erdpotential 210 angeschlossen.
Der erste Ausgang des linearen Reglers 201 an den Ausgang 209 angeschlossen, und
der andere Ausgang ist an das Erdpotential 210 angeschlossen.
Die Steuervorrichtung 205 umfasst ferner Eingänge zum
Ein- und Ausschalten 219 (EIN/AUS) der Anlage, Umschaltmodusaktivierungssignal 217 (ENABLE)
und Uhrsignale 218 (CLK).
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3 zeigt
ein Ablaufdiagramm, das eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung
darstellt, bei dem der Strom zuerst auf die Anlage geschaltet wird,
wonach der Prozess in den linearen Modus übergeht.
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Die
Aktivierung des Systems findet durch Einschalten des Stroms statt,
woraufhin die Steuervorrichtung 205 ein Signal an den Anschluss 219 empfängt (Schritt 301),
woraufhin sie den Schalter 204 schließt. Die Leistung fließt nun durch
den Schalter 204 und die Spule 206, wodurch der
Kondensator 207 auf die Spannungsversorgung Vbat geladen wird.
Danach wird der Schalter 202 ebenfalls geschlossen, wonach
der Schalter 204 geöffnet
wird und der Prozess in den linearen Modus übergeht (Schritt 302).
Der Widerstand des Schalters 204 ist größer als der der Schalter 202 und 203 und
für die verzögerte Anfangsladung
des Kondensators 207 bestimmt, weil der Belastungsstrom
durch den Schalter 204 läuft. Der lineare Modus kann
außerdem
derart implementiert sein, dass nur der Schalter 204 während dieses
Modus benutzt wird, in welchem Falle der Schalter 202 geschlossen
ist und der Schalter 204 bis zur Initiierungsstufe 304 des
Umschaltmoduszustands nicht geöffnet
wird. Die Ausgangsspannung wird nun vom Ausgang 209 empfangen
(Vout). Der lineare Modus kann benutzt werden, sooft der Stromverbrauch
niedrig ist (sich auf wenige Milliampere beläuft), z.B. wenn die Mobilkommunikationsvorrichtung
im Ruhemodus ist. Der Belastungsstrombetrag kann während der
linearen Phase fortlaufend am Ausgang 219 überwacht
werden, oder alternativ kann der Punkt, an dem ein Vorgang, der
den Belastungsstrom erhöht,
z.B. ein Anruf, initiiert wird (Schritt 303), überwacht
werden.
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Wenn
der Belastungsstrom am Ausgang 209 eine bestimmte Grenze übersteigt,
wird die Umschaltmodussteuervorrichtung 205 aktiviert (Schritt 304)
und der Prozess geht in die Umschaltmodusstufe über (Schritt 305).
Zum Beispiel ist eine typische Situation, dass eine Mobilkommunikationsvorrichtung
im Ruhemodus erkennt, dass ein Anruf ankommt. während des Anrufs beläuft sich
der Stromverbrauch der Vorrichtung typischerweise auf Hunderte von
Milliampere. Die Steuerung der Schalter 202 und 203 findet
durch Programm mithilfe des Aktivierungssignals (ENABLE) und des
Uhrsignals (CLK) statt.
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Wenn
die Umschaltmodussteuervorrichtung 205 eingeschaltet ist, öffnet sie
die Schalter 202 und 204, wenn sie nicht bereits
geöffnet
sind. Die Schalter 202 und 203 bleiben offen,
bis der Belastungsstrom einiges der Ladung in den Kondensator 207 geladen
hat und die Eingangsspannung 211 (Vs) des linearen Reglers
bis nahe an den Pegel der Ausgangsspannung 209 (Vout) gefallen
ist.
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Eine
Umschaltmodusstromversorgung wird zum Überwachen des Pegels der Spannung 211 (Vs) an
den Eingang 213 der Steuervorrichtung 205 rückgekoppelt 212.
Nach dem Öffnen
des Schalters 202 erkennt die Steuervorrichtung 205 die
Abnahme der Spannung 211 (Vs) und beginnt zu arbeiten.
Mithilfe der Schalter 202 und 203 bildet die Steuervorrichtung 205 einen
Rechteckspannungsimpuls, bei dem sich für die erste Halbperiode der
Schalter 202 schließt, während der
Schalter 203 offen ist, und sich für die zweite Halbperiode der
Schalter 202 öffnet,
während der
Schalter 203 geschlossen wird, um ein Anhalten des Stromflusses
zu vermeiden. Der Strom 1 fließt daher für die erste Halbperiode durch
den Schalter 202 und für
die zweite Halbperiode durch den Schalter 203. Die Steuervorrichtung 205 überwacht
fortlaufend den Spannungsbetrag Vs während der Umschaltmodusstufe.
Bei Bedarf ändert
die Steuervorrichtung 205 das gesteuerte Impulsverhältnis der Schalter 202 und 203,
um die Spannung Vs auf einem spezifischen Wert zu erhalten.
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Ohne
die Umschaltmodusstromversorgung würden die Wärmeabgaben des linearen Reglers
im Verlauf der Zunahme des Belastungsstroms 1 erheblich
ansteigen. Jetzt liegt, auch wenn der Belastungsstrom 1 hoch
ist, nicht viel Wärmeabgabe
vor, weil der Spannungsabfall gering ist. Neben der Umschaltmodusausgangsspannung 211 (Vs)
ist der Betrag des oben genannten Spannungsabfalls durch die Spannungstoleranzen
davon sowie des linearen Reglers beeinflusst.
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Der
Zustand der Vorgänge,
die den Belastungsstrom- oder Belastungsleistungsbetrag erhöhen, wird
während
der Umschaltmodusstufe fortlaufend überwacht (Schritt 306).
Wenn der Belastungsstrom am Ausgang 219 unter einen bestimmten
Pegel fällt,
oder der Vorgang, der den Belastungsstrom erhöht, endet, besteht kein Grund,
die Umschaltmodusstromversorgung zugunsten des linearen Reglers allein
zu benutzen, sodass der Prozess zu Schritt 302 übergeht.
Eine derartige Situation entsteht beispielsweise, wenn ein Anruf
endet und der Prozess in den Ruhemodus übergeht. Die Umschaltmodusstromversorgung
wird angehalten, sodass der Schalter 202 geschlossen bleibt
und der Schalter 203 geöffnet bleibt.
Die Batteriespannung (Vbat) kann nun das Laden des Kondensators 207 wiederaufnehmen,
und die Eingangsspannung 211 (Vs) des linearen Reglers steigt
auf den Pegel der Batteriespannung (Vbat). Die Leistungsabfälle und
Wärmeabgaben
sind jedoch aufgrund der Tatsache niedrig gehalten, dass der Strom 1 nun
auf einem niedrigen Pegel ist.
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Das
folgende Beispiel stellt den Betrieb der Regelungskopplung unter
Bezugnahme auf 2 dar. Die angegebenen Spannungspegel
sind Beispiele, andere Werte können
unter der Voraussetzung ebenfalls benutzt werden, dass die Ausgangsspannung
(Vs) der Umschaltmodusstromversorgung geringer als die Eingangsspannung
(Vbat) ist und dass die Ausgangsspannung (Vout) des linearen Reglers
geringer als der Ausgang (Vs) der Umschaltmodusstromversorgung ist.
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Es
wird davon ausgegangen, dass die Batteriespannung Vbat 3,6V beträgt, der
Ausgang des gesamten Systems Vout 1,8V beträgt und die Ausgangsspannung
der eigentlichen Umschaltmodusstromversorgung 211 (Vs)
2,6 V beträgt,
während
die Umschaltmodusstromversorgung in Betrieb ist. Zudem sind die
für den
Belastungsstrom benutzten Werte die vorher angegebenen Werte im
Ruhemodus la = 5 mA und im Anrufmodus lb = 100 mA. Wenn das System
in den Ruhemodus aktiviert wird, wird der Schalter 204 geschlossen,
woraufhin die Leistung durch die Spule 206 fließt und den
Kondensator 207 auf die Batteriespannung (Vbat) 3,6V lädt. Das System
benutzt nun nur den linearen Regler, dessen Leistungsverbrauch im
Ruhemodus Pa = 9 mW beträgt,
wie oben angegeben. Wenn ein Anruf empfangen wird, geht der Prozess
in den Umschaltmoduszustand über,
woraufhin der Schalter 202 geöffnet wird und der Schalter 204 geöffnet wird,
wenn dies nicht bereits vorher erfolgte. Der Schalter 202 ist
nun geschlossen, woraufhin der Belastungsstrom die Ladung des Kondensators
entlädt
und die Rückkopplung 212 der
Steuervorrichtung 205 am Eingang 213 die abnehmende
Spannung überwacht.
Wenn die Spannung 211 (Vs) in die Nähe von 2,3 V abfällt, schließt sich
der Schalter 202, und die Impulsspannung, die durch die
Schalter (202, 203) gebildet ist, ist nun auf
dem Pegel des Ausgangs 208 der Spannungsversorgung (erste
Halbperiode). Die Steuervorrichtung 205 öffnet dann
den Schalter 202, während
sie den Schalter 203 schließt, woraufhin die Impulsspannung
auf dem Pegel des Erdpotentials 210 ist (zweite Halbperiode).
Der Strom fließt
daher während
der ersten Halbperiode durch den Schalter 202 und während der
zweiten Halbperiode durch den Schalter 203. Die Spannung auf
dem linearen Regler im Anrufmodus ist 0,5 V, daher ist der Leistungsverbrauch
nun Pb = 50 mW. Es wurde vorher angegeben, dass der Leistungsverbrauch
im Anrufmodus mit dem entsprechenden Belastungsstrom Pb = 180 mW
ist, wenn der lineare Regler allein benutzt ist.
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4 stellt
eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung dar, bei der der Transistorschalter 203 entsprechend 2 durch
eine Diode 403 ersetzt ist. Der Strom fließt nun während der
ersten Halbperiode durch den Schalter 202 und während der
zweiten Halbperiode durch die Diode 403. Der andere der
Schalter 204 (oder 202) kann außerdem gänzlich aus
der Kopplung ausgelassen sein und nur die Kombination des Schalters 202 (oder 204)
und der Diode 403 oder die Kombination der Schalter 202 (oder 204)
und 203 benutzt sein.
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5 stellt
eine Mobilkommunikationsvorrichtung 50 dar, umfassend eine
Stromquelle 199, zumindest einen linearen Regler 190 und
eine Vorrichtung 200 zum Vermindern der Eingangsspannung
Vs des linearen Reglers, um die Ausgangsspannung Vout des linearen
Reglers bereitzustellen.
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Die
Reglerkopplung gemäß der Erfindung
ist nicht lediglich zum Gebrauch in einer Mobilkommunikationsvorrichtung
beschränkt;
sie kann in jeglicher elektronischen Vorrichtung benutzt sein, deren
Leistungsverbrauch und Aufwärmung
mit dem Verfahren und der Vorrichtung der Erfindung vermindert sein kann.
Der Gebrauch von Ableitungsspannungsreglern ist außerdem nicht
auf einen beschränkt;
stattdessen können
mehrere Ableitungsspannungsregler, wie etwa lineare Regler, parallel
an die Umschaltmodusstromversorgung angeschlossen sein. Die Reglerkopplung
kann mit Ausnahme der Spule 206 und des Kondensators 207 als
integrierte Schaltung implementiert sein. Die Uhr und Steuersignale 217 bis 219 und
die Rückkopplung 213 können in
derselben integrierten Schaltung hergestellt sein oder von außerhalb
der Schaltung kommen. Die zum Ersetzen des Schalters 203 benutzte
Diode kann außerdem als
in die Schaltung integriert implementiert sein. Die Schalter 202 bis 204 (oder 202 und 203)
können ebenfalls
separat sein, und die Steuervorrichtung 205 kann als eigene
Schaltung separat sein. Der lineare Regler 201 kann außerdem in
die Steuervorrichtung 205 integriert sein oder eine separate
Komponente bilden.
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Diese
Schrift legt die Implementierung und Ausführungsformen der Erfindung
mithilfe von Beispielen dar. Ein Fachmann wird erkennen, dass die vorliegende
Erfindung nicht auf Details der oben dargelegten Ausführungsformen
beschränkt
ist, und dass die Erfindung außerdem
in anderer Form implementiert sein kann, ohne von den Kennzeichen
der Erfindung abzuweichen. Die dargelegten Ausführungsformen sollten als veranschaulichend,
jedoch nicht als einschränkend
betrachtet werden. Daher sind die Implementierungs- und Benutzungsmöglichkeiten
der Erfindung nur durch die beiliegenden Ansprüche beschränkt, und die verschiedenen
Implementierungsoptionen der Erfindung, wie in den Ansprüchen festgelegt,
gehören
ebenfalls zum Anwendungsbereich der Erfindung.