CN107980200A - 非对称切换电容器调节器 - Google Patents

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Abstract

本公开提供了一种能够以高效率提供覆盖宽电压范围的输出电压的非对称切换电容器调节器。所公开的切换电容器调节器被配置为通过将切换电容器调节器中的一个或多个切换电容器两端的电压与其余切换电容器两端的电压差分来产生宽范围的输出电压。

Description

非对称切换电容器调节器
相关申请的交叉引用
本发明基于35U.S.C.§119(e)要求2015年4月17日提交的题为“ASYMMETRICSWITCHING CAPACITOR REGULATOR”的美国临时申请No.62/148,901的最早申请日的权益，其整体通过引用合并于本文。
关于联邦资助的研究或发展的声明
本发明是在政府支持下基于由国家科学基金会(NSF)授予的1353640和1447003而做出的。政府对本发明享有一定权利。
技术领域
本公开涉及非对称切换电容器调节器。
背景技术
存在对减小电子系统尺寸的强烈需求。尺寸的减小在空间稀缺的移动电子器件中是尤为期望的，但在放置于大数据中心中的服务器中同样是期望的，因为在不动资产中尽可能多地压缩服务器很重要。
电子系统中的最大部件之一包括电压调节器(也被称为功率调节器)。功率调节器通常包括向集成芯片递送电压的大量的大体积片外部件，其包括处理器、存储器装置(例如动态读存取存储器(DRAM))、射频(RF)芯片、WiFi整合(combo)芯片、和功率放大器。因此，期望的是减小电子系统中的电压调节器的尺寸。
功率调节器包括诸如DC-DC调节器芯片之类的将来自电源(例如电池)的电力递送给输出负载的半导体芯片。输出负载可以包括电子装置中的各种集成芯片(例如，应用处理器、DRAM、NAND闪速存储器)。为了有效递送电力，电压调节器可以使用“buck(降压型)”拓扑。这样的调节器被称为降压调节器。降压调节器使用电感器将来自电源的电荷转移至输出负载。降压调节器可以使用功率开关来将电感器与多个电压中的一个进行连接/断开连接，从而提供了作为所述多个电压的加权平均的输出电压。降压调节器可以通过控制电感器被耦接到所述多个电压中的一个的时间量来调整输出电压。
遗憾的是，降压调节器不适合高度集成的电子系统。降压调节器的转换效率取决于电感器的尺寸，尤其是当功率转换比率很高时以及当输出负载消耗的电流量很高时。因为电感器会占据很大面积并且体积大，从而无法片上集成或封装件上(on-package)集成，所以现有的降压调节器通常使用大量片外电感器部件。这一策略通常需要印刷电路板上的很大面积，这转而增大了电子装置的尺寸。该挑战随着移动片上系统(SoC)变得更复杂并且电压调节器要递送的电压域数量越来越多而加剧。
另一类型的功率调节器是切换电容器调节器，其中使用电容器替代电感器。遗憾的是，切换电容器仅在特定的输入-输出电压比率处有效，并在该比率偏离预定值时变得功率无效。
发明内容
所公开的主题的一些实施例包括一种电压调节器。所述电压调节器被配置为在输入节点接收输入电压并且在输出节点提供输出电压。所述电压调节器包括：电感器；第一电容器，其被配置为容纳第一电压；以及第二电容器，其被配置为容纳第二电压。所述电压调节器还包括开关矩阵，其被配置为在第一配置与第二配置之间交替，其中，在所述第一配置中，所述开关矩阵被配置为通过所述电感器以并联关系耦接所述第一电容器和所述第二电容器，并且其中，在所述第二配置中，所述开关矩阵被配置为以串联方式将所述第一电容器和所述第二电容器耦接在所述输入节点与地节点之间。所述电压调节器还包括多个功率开关，其被配置为在所述第一配置中通过所述电感器感生电流以提供所述第一电压与所述第二电压之间的电压差分。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，在所述第一配置中，所述电感器和所述第一电容器为串联关系，并且所述电感器与所述第一电容器共同地与所述第二电容器为并联关系。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，所述第一电容器是切换电容器，并且所述第二电容器是去耦电容器。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，所述第一电容器和所述第二电容器是切换电容器，它们在所述第一配置中是在将所述输入节点与所述地节点耦接的电容器的堆叠的相同层处。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，在所述第二配置中，所述第二电容器耦接到所述输出节点并且与去耦电容器并联。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，所述多个功率开关包括第一开关和第二开关，其中，在所述第一配置中，所述第一开关和所述第二开关被配置为以预定占空比在第一状态与第二状态之间交替，以提供所述第一电容器与所述第二电容器之间的电压差分。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，在所述第一状态中，所述第一开关接通并且所述第二开关断开以通过所述电感器并联地耦接所述第一电容器和所述第二电容器，并且在所述第二状态中，所述第一开关断开并且所述第二开关接通以将所述第一电容器与所述第二电容器去耦。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，所述第一开关被布置在所述输出节点与所述电感器之间。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，所述第一开关被布置在所述电感器与所述第一电容器之间。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，所述电压调节器的所述输出电压基于所述预定占空比而被确定。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，所述电压调节器还包括第三电容器，其中，在所述第二配置中，所述开关矩阵被配置为使得所述第三电容器与所述第一电容器为串联关系。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，在所述第一配置中，所述开关矩阵被配置为将所述第三电容器与所述第二电容器并联地耦接到所述输出节点。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，在所述第一配置中，所述开关矩阵被配置为使得所述第三电容器并联地耦接到所述第一电容器。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，所述电感器具有在1-100nH的范围中的电感值。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，所述电感器是片上的或封装件上的。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，所述电感器具有在100nH-10uH的范围中的电感值。
所公开的主题的一些实施例包括一种电子系统。所述电子系统包括根据一些实施例的电压调节器，其中所述电压调节器被配置为以相反方向操作，在所述相反方向中，所述电压调节器中的所述输出节点耦接到输入电压源并且所述电压调节器的所述输入节点耦接到目标负载。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，以所述相反方向操作所述电压调节器的所述电子系统被配置为将所述电压调节器作为递升式调节器来操作。
所公开的主题的一些实施例包括一种电子系统，其包括根据一些实施例的电压调节器以及耦接到所述电压调节器的目标负载系统，其中所述电压调节器的所述输出节点耦接到所述目标负载系统。
在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，所述电子系统包括移动通信装置。
因此，已经泛泛地概述了所公开的主题的特征，以便可以更好地理解下文的详细描述并且更好地体会本发明对技术做出的贡献。当然，还有下文将描述的以及将形成所附权利要求的主题的所公开主题的附加特征。
在这方面，在详细说明所公开的主题的至少一个实施例之前，将理解所公开的主题不限于其对在以下说明中阐述的或在附图中示出的部件的构造细节和布置的应用。所公开的主题能够应用于其他实施例并且能够以各种方式实践和执行。同样，将会理解，本文采用的短语和术语是出于说明的目的而不应被视为限制。
这样，本领域技术人员将会理解，本公开所基于的构思可以容易地用作设计用于执行所公开的主题的若干目的的其他结构、系统和方法的基础。因此，重要的是，权利要求书应当被视为包括不脱离所公开的主题的精神和范围的这种等价构造。
与所公开的主题的其他目的一起的这些目的以及表现所公开的主题的特征的各种新颖特征在所附的且形成本公开的一部分的权利要求书中被特别指出。为了更好地理解所公开的主题、其操作优点及其使用所达到的特定目的，应当参照示出了所公开的主题的优选实施例的附图和所叙述的事物。
附图说明
参照所公开的主题的以下详细描述并结合以下附图进行考虑，将会更全面地理解所公开的主题的各种目的、特征和优点，其中，类似参考符号识别类似的元素。
图1A-图1B示出对称切换电容器调节器及其操作。
图2A-图2B示出3:1阶梯式(ladder)切换电容器调节器及其操作。
图3A-图3B示出降压调节器及其操作及其操作。
图4A-图4C示出根据一些实施例的非对称切换电容器调节器，其能够提供在期望的输出电压范围的下半部分中的输出电压。
图5A-图5B示出根据一些实施例的非对称切换电容器调节器，其能够提供在期望的输出电压范围的上半部分中的输出电压。
图6A-图6C示出根据一些实施例的非对称切换电容器调节器，其能够提供在整个期望的输出电压范围中的输出电压。
图7A-图7B示出根据一些实施例的基于3:1切换电容器调节器的非对称切换电容器调节器。
图8A-图8B示出根据一些实施例的基于阶梯式切换电容器调节器的非对称切换电容器调节器。
图9A-图9B示出根据一些实施例的递升式(step-up)非对称切换电容器调节器。
图10是包括根据一些实施例的非对称切换电容器调节器的计算装置的框图。
图11A-图11B示出根据一些实施例如何可以在两个电容器之间引入电压差分以及该电压差分如何可以用于产生输出电压。
具体实施方式
在下面的描述中，为了提供对所公开的主题的透射理解，阐述了与所公开的主题的系统和方法以及这种系统和方法可在其中操作的环境等有关的许多特定细节。然而，对于本领域技术人员而言显然的是，可以在没有这样的特定细节的情况实践所公开的主题，并且本领域中公知的某些特征没有详细描述，以避免使所公开的主题变得复杂。另外，将会理解，下文提供的示例是例示性的，并且可以想到处于所公开的主题的范围之内的其他系统和方法。
现代的电子系统已被紧密地集成为片上系统(SoC)，其在单个芯片之内结合了多个处理核和异构部件(例如存储器控制器、硬件加速器)。SoC的普及加上较紧的功率预算，促进了以块特有的粒度(block-specific granularity)来控制电压和频率。块特有的电压控制可以允许电子系统仅升高要求更高性能的计算块(例如处理器核)的电压。这样的块特有的电压控制可以提高功率和/或性能。
然而，由于片外电压调节器的成本和尺寸限制，已经以粗颗粒水平执行了动态电压和频率缩放(DVFS)的传统方法。而且，由于片外电压调节器的慢速，传统DVFS方案被限制到在微妙时间尺度处的慢电压/频率缩放。在纳秒时间尺度上的较快DVFS针对快速改变的计算需求通过密切跟踪SoC电压可以显著节省更多由SoC所消耗的功率。
考虑到片外电压调节器的缺点，已经对构建集成电压调节器(IVR)-与其他部件(例如处理器核)一起集成在单个芯片或在单个封装件中的一种电压调节器-产生浓厚兴趣，以减小板尺寸并且实现每核DVFS的纳秒时间尺度。
IVR可以包括各种电压调节器，包括切换调节器和低压差线性调节器。可以减小板尺寸并且可以实现每核DVFS的纳秒时间尺度的IVR在以下文献中被公开：Wonyoung Kim等人2008年2月在IEEE International Symposium on High-Performance ComputerArchitecture(HPCA)中发表的“System Level Analysis of Fast,Per-Core DVFS usingOn-Chip Switching Regulators”；Hanh-Phuc Le等人2011年9月在IEEE Journal ofSolid-State Circuits(JSSC)中发表的题为“Design Techniques for Fully IntegratedSwitched-Capacitor DC-DC Regulators”的论文；以及Wonyoung Kim等人2012年1月在IEEE Journal of Solid-State Circuits(JSSC)中发表的题为“A Fully-Integrated 3-Level DC/DC Regulator for Nanosecond-Scale DVFS”的论文，它们中的每一个的全部内容通过引用并入本文。
切换调节器可以包括切换电容器(SC)调节器。切换电容器调节器可以使用一个或多个电容器替代电感器将来自电源的电荷转移至输出负载。切换电容器调节器可以通过改变电容器彼此相连的配置和顺序来控制输出电压。
很遗憾，切换电容器调节器的效率在不是输入电压的预定分数的输出电压处会劣化。例如，切换电容器调节器在输入电压的1/2、1/3、2/3、2/5、3/5处能够实现高效率。然而，相同的切换电容器调节器在输出电压偏离这些值时不能提供高效率。对于在连续电压范围内或在以5-10mV为步长的电压范围内操作的许多SoC，这是个问题。
图1A-图1B示出了可在输出电压VOUT 104接近于输入电压VIN 102的分数时实现高效率的对称切换电容器调节器。在该具体示例中，所述分数为1/3。该切换电容器调节器包括多个电容器CSW1 106、CSW2 108、和COUT 119以及开关矩阵(为简明起见图中未示出)。开关矩阵可以包括多个开关。
在切换电容器调节器中，可以根据开关矩阵如何被连接和断开连接来以各种方式连接切换电容器CSW1 106和CSW2 108，而去耦电容器COUT 119则总是耦接到输出VOUT 104以减小输出中的噪声。去耦电容器COUT 119通常是减小输出电压VOUT 104的噪声或波纹的大电容器。
根据开关矩阵的配置，切换电容器调节器可以处于状态0或状态1中。开关可以周期性地(例如以某个频率)接通和断开，从而切换电容器CSW1 106、CSW2 108也周期性地在状态0与1之间交替。如图1B所示，调节器可以在状态0中花费时间0-T0，并且在状态1中花费时间T0–(T0+T1)。
在状态1中，开关电容器CSW1 106两端的第一电压VSW1和CSW2 108两端的第二电压VSW2等于输出电压VOUT 104。假设切换电容器CSW1 106、CSW2 108足够大，则第一和第二电压(VSW1和VSW2)在两个状态0和1中可以大体上保持相同。因此，当电容器配置改变到状态0时，VIN 102与VOUT 104之间的关系可以被计算为VIN＝VOUT+VSW1+VSW2＝3×VOUT。因此，在该特定示例中，输出电压VOUT 104可以被设置为VIN 102的1/3。该切换电容器调节器有时被称为3:1递降式切换电容器调节器。更具体地，该特定类型的切换电容器调节器有时被称为3:1串并切换电容器调节器，因为这两个切换电容器CSW1 106、CSW2 108在状态0中串联连接，而在状态1中并联连接。消耗电流118的输出负载可以是任何类型的电子装置，包括处理器、存储器(例如DRAM、NAND闪存)、RF芯片、WiFi整合芯片和功率放大器。
通常，由状态0期间输入节点与地之间叠加的电容器的数量来确定切换电容器调节器实现高效率所处的输入电压VIN 102的分数值。例如，在图1A中，在输入节点(例如设置输入电压VIN 102的节点)与地节点之间的叠加的电容器的数量为3。因此，切换电容器调节器在其输出电压为输入电压VIN 102的1/3时实现高效率。当输入节点与地节点之间叠加的电容器的数量增大到N时，切换电容器调节器可以在其输出电压为输入电压VIN 102的1/N时实现高效率。
叠加电容器配置中的电容器可以与该堆叠内的“层”相关联。例如，如图1A的状态0所示，当输入节点与地节点之间的叠加电容器配置具有3个电容器时，连接到地节点的电容器(例如COUT 110)被认为在第一层；连接到输入节点的电容器(例如CSW1 106)被认为在第三层；并且夹在第一层与第三层之间的电容器(例如CSW2 108)被认为在第二层。在一些情况中，可以通过对特定电容器与地之间的具有串联关系的电容器的最小数量进行计数来确定在电容器的堆叠内的该特定电容器的层。第一电容器和第二电容器在如下情况下被认为在电容器的堆叠内的同一层：(1)第一电容器与地节点之间的具有串联关系的电容器的最小数量和(2)第二电容器与地节点之间的具有串联关系的电容器的最小数量相同。
图2A-图2B示出3:1阶梯式切换电容器调节器，其在如何连接切换电容器方面与图1具有微小不同。与图1类似，使用对切换电容器进行连接和断开连接的开关矩阵(为简明起见在该图中未示出)使得电容器在状态0与1之间交替。如图2B所示，调节器可以在状态0中花费时间0-T0，并且在状态1中花费时间T0–(T0+T1)。
在状态0中，CSW4 216两端的电压VSW4等于输出VOUT 104，并且CSW2 208两端的电压VSW2等于CSW3 214两端的电压VSW3。在状态1中，CSW3 214两端的电压VSW3等于输出电压VOUT104，并且CSW4 216两端的电压VSW4等于CSW1 206两端的电压VSW1。概括而言：
在状态0中：VSW4＝VOUT，VSW2＝VSW3，VIN＝VSW1+VSW2+VOUT
在状态1中：VSW3＝VOUT，VSW4＝VSW1，VIN＝VSW1+VSW2+VOUT
假设所有电容器值都足够大到使得它们两端的电压在状态0和1中均保持大体相同，则VSW1、VSW2、VSW3、VSW4全部变得大体等于VOUT。结果，VIN 102与VOUT 104之间的关系可以被计算为VIN＝VSW1+VSW2+VOUT＝3×VOUT。这一特定类型的切换电容器调节器被称为3:1阶梯式切换电容器调节器，因为两个切换电容器CSW4 216、CSW2 208串联连接、并且两个切换电容器CSW3 214、CSW3 214串联连接的这一方式看起来像并列的两个阶梯。
更一般地说，与图1A的切换电容器调节器类似，当输入节点与地节点之间的叠加电容器的数量(例如串联关系的电容器的数量)为N时，阶梯式切换电容器调节器可以在其输出电压为输入电压VIN 102的1/N时实现高效率。在图2A的具体情况中，串联关系的电容器的数量为3(例如，CSW1 206–CSW3 214–COUT110)。因此，该特定阶梯式切换电容器调节器可以在其输出电压为输入电压VIN 102的1/3时实现高效率。
在图1-图2所示的两个示例中，切换电容器调节器可以将VOUT 104设置为具有相对高的功率效率(例如，没有显著的功率损失)的VIN 102的1/3。然而，考虑到现实世界的二阶效应，电容器电压没有如上述等式中假设的那样保持稳定在状态0和1中，而是随着电容器在时间上被充电和放电而改变。这允许切换电容器调节器提供偏离了VIN 102的1/3的输出电压VOUT 104。
然而，随着输出电压VOUT 104进一步偏离VIN 102的1/3，切换电容器调节器将会消耗更多功率来调节输出电压VOUT。结果，随着输出电压VOUT 104进一步偏离VIN 102的1/3，切换电容器调节器的功率效率将会劣化。对于需要调节器来提供以小步长(大约5mV)覆盖宽电压范围的电压的SoC，这是个问题。
本公开提供了一种非对称切换电容器调节器，其能够提供覆盖了宽电压范围的具有高效率的输出电压。所公开的切换电容器调节器被配置为通过将切换电容器调节器中的一个或多个切换电容器两端的电压与其余切换电容器两端的电压差分来产生宽范围的输出电压。
传统切换电容器调节器仅擅于在某种程度上将输出电压设置为输入电压的预定分数，这是因为所有切换电容器两端的电压在例如图1A的状态1期间相等。使用更多切换电容器在这方面没有帮助。通过叠加更多的在状态0中的切换电容器，调节器可以将输出设置为输入电压的1/2、1/3、1/4、1/5(等)，但调节器不能提供与输入电压的分数偏离的具有高效率的输出电压。
然而，当一个或多个切换电容器与不同电压相关联时，切换电容器的输出电压可以在高效率的情况下偏离输入电压的分数。例如，代替叠加三个具有全等于VOUT的电压的切换电容器，假设三个具有分别等于VOUT、VOUT、1.2x VOUT的电压的切换电容器。在该情况下，VIN将会被计算为VIN＝VOUT+VOUT+1.2xVOUT＝3.2x VOUT。因此，输出电压VOUT可以被设置为VIN的1/(3.2)，其不是基于堆叠中的电容器的数量而确定的输入电压分数值。
这表明，如果切换电容器调节器可以将切换电容器的电压设置为任意值，则切换电容器调节器可以提供不被固定到输入电压VIN的分数值的任意输出电压。本公开提供了能够将切换电容器两端的电压设置为任意值的切换电容器调节器。这样，调节器可以提供不是基于电容器堆叠中的电容器的数量而确定的输入电压分数值的输出电压。本文公开的非对称切换电容器调节器的若干实施例使用了一个或多个电感器将切换电容器两端的电压设置为任意值。本文公开的电压调节器被统称为非对称切换电容器调节器。
非对称切换电容器调节器有至少两个主要优点。首先，该调节器可以将VOUT设置为任何值而不固定在VIN的预定比率处。第二，该调节器可以使用比对称切换电容器调节器少的电容器在VOUT的宽范围上进行调节。例如，假设输出电压VOUT的期望范围为0.6～1.4V并且VIN为3.6V。对称切换电容器调节器需要电容器电压为VOUT，因此其需要至少六个(3.6/0.6＝6)叠加的电容器来支持0.6V的最小VOUT。然而，非对称切换电容器调节器可以将切换电容器电压设置为不同于VOUT。因此，非对称切换电容器调节器中的电容器的数量可以少于对称切换电容器调节器中的电容器的数量。
非对称切换电容器调节器的操作涉及降压调节器。图3A-图3B示出了降压调节器及其操作。降压调节器300可以包括电感器308和两个开关314、316。降压调节器300可以通过一组功率开关314、316将电感器308连接到第一电压源VIN 102和第二电压源112。在一些情况中，第二电压源112可以包括地电压源。可以使用外部输入来接通和断开功率开关314、316。在一些情况中，功率开关314、316可以被控制为使得这两个开关不会同时被接通。功率开关314、316可以包括晶体管。
如图3B所示，随着功率开关314、316按周期T接通和断开，电感器VX 302的输入会按周期T在0与VIN 102之间摆动。电感器308和电容器110作为在时间上对VX 302进行平均的低通滤波器而操作，从而产生了具有小电压波纹的在调节器输出VOUT 310处的信号。输出电压VOUT 104可以取决于电感器308被耦接到第一电压源VIN 102的时间量和电感器308被耦接到第二电压源318的时间量。例如，降压调节器300可以将输出电压VOUT 310调节到VIND+(0V)(1-D)，其中D为在0与1之间的数字，是VX被耦接到VIN的这部分时间。D也被称为占空比。
在一些实施例中，非对称切换电容器调节器可以使用降压调节器300的如下性质：其可以通过利用电感器308将输入节点(例如耦接到输入电压VIN的节点)暂时地耦接到输出节点(例如耦接到输出电压VOUT的节点)来提供输出电压VOUT 310与输入电压VIN之间的电压差分。在非对称切换电容器调节器中使用该性质来感生出非对称切换电容器调节器中的电容器之间的电压差分：通过利用电感器暂时地将第一电容器与第二电容器耦接。
图11A-图11B示出了根据一些实施例如何可以在两个电容器之间引入电压差分以及电压差分如何可以被用于产生输出电压。图11A示出包括第一电容器1102、第二电容器1104和电感器1106的调节器。该调节器可以在状态0中发起其操作，其在图11A中示出。在该状态下，第一电容器1102和第二电容器1104通过电感器1106以并联关系被耦接：与传统切换电容器调节器不同，第二电容器1104经由电感器1106连接到输出节点。当两个电容器在没有电容器之间所布置的电感器的情况下为并联关系时，两个电容器被认为是通过电感器处于并联关系。
在该状态下，非对称切换电容器调节器可以通过感生出通过电感器1106的电流来感生出第一电容器1102与第二电容器1104之间的电压差分。在一些实施例中，电感器1106可以如在降压调节器中那样被连接到(例如被切换到)不同的电压，以感生出通过电感器1106的电流，并且通过电感器1106的该电流可以在第一电容器1102与第二电容器1104之间产生电压差分。
一旦在第一电容器1102与第二电容器1104之间出现电压差分，调节器可以切换到状态1，如图11B所示。在该状态下，第一电容器1102和第二电容器1104与电感器1106无关地以串联关系耦接在输入节点与地节点之间。因此，输入电压VIN是第一电容器1102两端的电压V1(其等于VOUT)与第二电容器1104两端的电压V2之和。换句话说，VOUT＝VIN-V2。由于可以(例如通过改变在状态0期间切换电感器1106的占空比)连续地改变第二电容器1104两端的电压V2，因此也可以连续地改变输出电压VOUT。
在一些实施例中，第一电容器1102可以为始终被耦接到输出节点和地节点的去耦电容器，并且第二电容器1104可以为切换电容器。在其他实施例中，第一电容器1102和第二电容器1104可以均为切换电容器。
在一些实施例中，当第一电容器1102和第二电容器1104均为切换电容器时，则第一电容器1102和第二电容器1104可以在状态0期间与切换电容器的电容器堆叠之内的相同层关联。
图4A示出根据一些实施例的非对称切换电容器调节器。与图1-图2公开的对称切换电容器相似，存在可以使用开关矩阵(为简明起见在图4A中未示出)来切换位置的一个输出去耦电容器COUT 110和一个切换电容器CSW1 406。
非对称切换电容器调节器被配置为基于CSW1 406被如何连接而在状态0与状态1之间交替。图4B示出根据一些实施例的耦接到图4A的非对称切换电容器调节器的开关矩阵。该开关矩阵包括用于在状态0和状态1中将切换电容器CSW1 406的顶板和底板连接到不同节点和与不同节点断开连接的四个开关SW3 430、SW4 432、SW5 434和SW6 436。例如，在状态0中，开关SW3 430、SW4 432接通，并且开关SW5 434、SW6 436断开；在状态1中，开关SW3 430、SW4 432断开，并且开关SW5 434、SW6 436接通。为简明起见，在后续附图中省略了与一个或多个切换电容器关联的开关矩阵。
图4A的非对称对称切换电容器与图1-图2的对称切换电容器调节器之间的差别在于，在状态1中，在COUT 110与CSW1 406之间存在电感器428。该电感器426允许COUT 110两端的电压(其等于输出电压VOUT 104)和CSW1 406两端的电压(VCSW1 426)不同。此外，在状态1中通过功率开关420、422接通和断开的占空比来确定VCSW1 426。
图4C示出根据一些实施例的在图4A中示出的非对称切换电容器调节器的操作。在状态0中，开关420、422两者均可以断开，VX 424可以等于VOUT 104。在该状态下，输出电压VIN102与VX 424无关，并且它可以被计算为VIN 102＝VCSW1 426+VOUT 104。
在状态1中，开关420、422可以与图3A所示的降压调节器的功率开关类似地操作。例如，在状态1中，该配置类似于其中降压调节器的输入为VCSW1 426并且降压调节器的输出为VOUT 104的降压调节器。因此，电感器VX 424的输入电压可以按照等于或小于T1的周期在0与VCSW1 426之间摆动。在某种意义上，非对称切换电容器调节器在状态1内的两个子状态中操作。例如，在状态1的子状态0中，对于时段DT1，SW1接通并且SW2断开，而在状态1的子状态1中，对于时段(1-D)T1，SW1断开并且SW2接通。在一些情况下，在状态1之内，两个开关SW1和SW2可以在两个子状态之间交替多次。
两个开关420、422可以将VOUT 104的电平调节到VCSW1D+(0V)(1-D)，其中具有在0与1之间的值的占空比D指示了VX被耦接到VCSW1 426的T1的分数。由于假设输入电压VIN 102和输出电压VOUT 104在状态0和状态1中保持恒定，因此VIN 102与VOUT 104之间的关系可以被确定为如下：
DVOUT 104＝VCSW1D+(0V)(1-D)＝VCSW1D
VIN 102＝VCSW1 426+VOUT 104
＝VCSW1 426+VCSW1D
＝VCSW1(1+D)
＝VOUT(1+D)/D
因此，非对称切换电容器调节器的输出电压被确定为如下：
由于D指示占空比，因此D的值在0与1之间。因此，输出电压VOUT 104的范围为0V和没有电感器428的典型2:1切换电容器调节器仅当VOUT 104在VIN 102的1/2左右时有效。然而，通过电感器428的引入，图4A中公开的非对称切换电容器调节器通过调节D的值而在整个宽电压范围(0V和)内有效。由于图4A的非对称切换电容器调节器提供了在范围0-VIN的下半部分中的输出电压，因此图4A的非对称切换电容器调节器可以被称为下非对称切换电容器调节器。
图5A示出根据一些实施例的能够提供处于范围0-VIN的上半部分中的输出电压的非对称切换电容器调节器。这样的非对称切换电容器有时被称为上非对称切换电容器。图4A的非对称切换电容器调节器与图5A的非对称切换电容器调节器之间的差别是开关SW3430和SW4 432相对于电感器428的位置。开关SW3 430和SW4 432同样与降压调节器中的功率开关类似地操作。然而，在图5A中，对降压调节器的输入电压是VOUT 104，并且对降压调节器的输出电压是VCSW1 426，这与图4A中的配置相反。与图4A中的调节器类似，VIN 102与VOUT104之间的关系可以被计算如下：
VCSW1 426＝VOUTD+(0V)(1-D)＝VOUTD
VIN 102＝VCSW1 426+VOUT 104
＝VOUTD+VOUT
＝VOUT(1+D)
因此，图5A中的非对称切换电容器调节器的输出电压被确定为如下：
由于D指示占空比，因此D的值在0与1之间。因此，图5A中的非对称切换电容器调节器的输出电压VOUT 104的范围为和VIN 102。
在一些实施例中，图4A的下非对称切换电容器调节器和图5A的上非对称切换电容器调节器可以组合成单个非对称切换电容器调节器，从而提供了在全范围0V-VIN中的输出电压。
图6A示出根据一些实施例的能够提供在全范围0V-VIN中的输出电压的非对称切换电容器调节器。该非对称切换电容器调节器包括四个开关SW1 426、SW2 428、SW3 430和SW4432。通过以特定图案接通和关断开关SW1 426、SW2 428、SW3 430和SW4 432，该调节器可以如下非对称切换电容器调节器或者如上非对称切换电容器调节器那样操作。例如，如图6B所示，通过在整个状态0和状态1期间关闭SW3 430并接通SW4 432，图6A的非对称切换电容器调节器可以被用作下非对称切换电容器调节器。作为另一示例，如图6C所示，通过在整个状态0和状态1期间关闭SW2 422并接通SW1 420，图6A的非对称切换电容器调节器可以被用于上非对称切换电容器调节器。这样，VOUT 104可以被有效地调节到在0与VIN 102之间的值。
在一些实施例中，非对称切换电容器调节器可以包括多个切换电容器。图7A-图7B示出根据一些实施例的不是基于如图4-图6中的2:1切换电容器调节器而是基于3:1串并切换电容器调节器的非对称切换电容器调节器。
图7A示出其中CSW1 406和CSW2 702在状态1中被切换到VOUT 104的相对侧的调节器。图7B示出其中CSW2 702在状态1中被切换到VOUT 104的相同侧的调节器。CSW2 702的切换位置可以基于目标输入-输出比率而被确定。
例如，在图7A中，通过开关SW1 426、SW2 428、SW3 430和SW4 432的占空比来设置分别为CSW1 406和CSW2 702的两端的电压VSW1和VSW2。假设对于整个状态0和状态1，SW1 420接通并且SW2 422断开，并且SW4 432和SW3 430按照占空比D来接通和断开。VIN 102与VOUT 104之间的关系可以被计算如下：
VCSW1＝VCSW2＝VOUTD+(0V)(1-D)＝VOUTD
VIN 102＝VCSW1+VCSW2+VOUT 104
＝2VOUTD+VOUT
＝VOUT(1+2D)
结果，可以在1与3之间。
作为另一示例，在图7B中，VSW2等于VOUT 104，并且通过开关的占空比仅设置VSW1。假设如下相同状况，其中，对于整个状态0和状态1，SW1 420接通并且SW2 422断开，并且SW4432和SW3 430按照占空比D来接通和断开。VIN 102与VOUT 104之间的关系可以被计算如下：
VCSW1＝VOUTD+(0V)(1-D)＝VOUTD
VCSW2＝VOUT
VIN 102＝VCSW1+VCSW2+VOUT 104
＝VOUTD+VOUT+VOUT
＝VOUT(2+D)
结果，可以在2与3之间。
在一些实施例中，非对称切换电容器调节器可以具有切换电容器的多于3个的堆叠(例如，4个堆叠，5个堆叠、6个堆叠，等等)。这样，非对称切换电容器调节器可以基于例如4:1、5:1、6:1串并切换电容器调节器而被形成。
在一些实施例中，当非对称切换电容器调节器包括多个切换电容器时，如图7A所示，每个切换电容器可以与图4B中提供的开关矩阵相关联。在一些情况下，每个开关矩阵可以包括四个开关。
在一些实施例中，非对称切换电容器调节器可以被设计为不仅基于串并切换电容器调节器，还基于阶梯式切换电容器调节器，其示例如图2所示。
图8A-图8B示出根据一些实施例的基于阶梯式切换电容器调节器的非对称切换电容器调节器。图8A-图8B中使用的阶梯式切换电容器调节器为3:1阶梯式切换电容器调节器。与图2所示的传统3:1阶梯式切换电容器调节器不同，在CSW2 208与CSW3 214之间存在电感器802，使得分别在这两个电容器两端的电压VCSW2和VCSW3可以不同。与图4-图7中的之前的示例类似，可以通过以某个占空比将电感器802进行连接和断开连接的开关矩阵SW1 820、SW2 822、SW3 830、SW4 832来设置VCSW2与VCSW3之间的关系。
在一些实施例中，类似于图6A，通过按特定图案接通和断开SW1 820、SW2 822、SW3830、SW4 832，图8A中的调节器可以如下非对称切换电容器调节器或者如上非对称切换电容器调节器那样操作。
例如，在状态0中，SW1 820可以接通并且SW2 822可以断开，并且SW4 832和SW3830可以以占空比D0接通和断开。同样，在状态1中，SW4 832可以接通并且SW3 830可以断开，并且SW1 820和SW2 822可以以占空比D1接通和断开。在该示例中，VIN 102与VOUT 104之间的关系可以被计算如下：
VCSW4＝VOUT
VCSW3＝VOUT
VCSW1+VCSW3＝VCSW2+VCSW4→VCSW1＝VCSW2
VCSW3＝D0VCSW2→VOUT＝D0VCSW1
VCSW4＝D1VCSW1→VCSW1＝VOUT/D1
D0＝D1
VIN 102＝VCSW1+VCSW3+VOUT
＝VOUT/D1+VOUT+VOUT
＝(2+1/D1)VOUT
结果，可以等于或大于3。与图2A的阶梯式切换电容器调节器相反，VCSW1、VCSW2不等于VOUT(例如，VCSW1＝VOUT/D1)。因此，输出电压VOUT不是由堆叠的数量确定的输入电压VIN的分数。
作为另一示例，在状态0中，SW4 832可以接通并且SW3 830可以断开，并且SW1 820和SW2 822可以以占空比D0接通和断开。同样，在状态1中，SW1 820可以接通并且SW2 822可以断开，并且SW3 830和SW4 832可以以占空比D1接通和断开。在该示例中，假设D0＝D1，VIN102与VOUT 104之间的关系可以被计算如下：
VCSW4＝VOUT
VCSW3＝VOUT
VCSW1+VCSW3＝VCSW2+VCSW4→VCSW1＝VCSW2
VCSW2＝D0VCSW3→VCSW1＝D0VOUT
VCSW1＝D1VCSW4→VCSW1＝D1VOUT
因此，D0＝D1。基于该关系，输入电压VIN 102可以被表示为如下：
VIN＝VCSW1+VCSW3+VOUT
＝D0VOUT+VOUT+VOUT
＝(2+D0)VOUT
结果，可以在2与3之间。与之前的示例中公开的操作的模式相结合，图8A中的调节器可以将调节为等于或大于2。
在一些实施例中，电感器802可以与调节器之内的其他切换电容器串联地设置。例如，在图8B中，电感器802处于不同位置。与图2所示的传统3:1阶梯式切换电容器调节器不同，在CSW4 216与COUT 110之间存在电感器802，使得分别在这两个电容器两端的电压VCSW4和VOUT可以不同。
在一些实施例中，在状态0中，SW1 820可以接通并且SW2 822可以断开，并且SW4832和SW3 830可以以占空比D0接通和断开。同样，在状态1中，SW4 832可以接通并且SW3830可以断开，并且SW1 820和SW2 822可以以占空比D1接通和断开。VIN 102与VOUT 104之间的关系可以被计算如下：
VCSW3＝VOUT
VCSW1+VCSW3＝VCSW1+VCSW2→VCSW3＝VCSW2＝VOUT
VCSW2+VCSW4＝VCSW3+VOUT→VCSW4＝VOUT
D0VCSW4＝VOUT→D0＝1
D1VCSW3＝VCSW1+VCSW3-VCSW4→D1VOUT＝VCSW1
VIN 102＝VCSW1+VCSW3+VOUT
＝D1VOUT+VOUT+VOUT
＝(2+D1)VOUT
结果，可以在2与3之间。
在一些实施例中，在状态0中，SW4 832可以接通并且SW3 830可以断开，并且SW1820和SW2 822可以以占空比D0接通和断开。同样，在状态1中，SW1 820可以接通并且SW2822可以断开，并且SW3 830和SW4 832可以以占空比D1接通和断开。VIN 102与VOUT 104之间的关系可以被计算如下：
VCSW3＝VOUT
VCSW1+VCSW3＝VCSW1+VCSW2→VCSW3＝VCSW2＝VOUT
VCSW2+VCSW4＝VCSW3+VOUT→VCSW4＝VOUT
D0VOUT＝VCSW4→D0＝1
D1(VCSW1+VCSW3-VCSW4)＝VCSW3→D1VCSW1＝VOUT
VIN 102＝VCSW1+VCSW3+VOUT
＝VOUT/D1+VOUT+VOUT
＝(2+1/D1)VOUT
结果，可以等于或大于3。与上述段落中的配置相结合，该调节器可以将调节为等于或大于2。
在一些实施例中，根据切换电容器中的哪一个或哪些具有非对称电压，电感器802可以放置在不同的位置，如图8A-图8B所示。图8A-图8B的配置利用了其间具有电感器的任何切换电容器会具有非对称电压的特性。
在一些实施例中，非对称切换电容器调节器可以基于其他类型的切换电容器调节器。例如，非对称切换电容器调节器可以基于迪克逊式切换电容器调节器。通过在两个或更多切换电容器之间插入一个或多个电感器，可以将任何类型的切换电容器调节器转化成非对称切换电容器调节器。
在一些实施例中，非对称切换电容器调节器可以作为电压调节器系统的一部分操作。电压调节器系统可以在多个交织相位中(例如在单个周期上以时间交织方式)操作，并且非对称切换电容器调节器可以被用于在交织阶段中的一个阶段中提供输出电压。例如，电压调节器系统可以包括三组非对称切换电容器，每组分别异相地操作0度、120度、240度。作为另一示例，电压调节器系统可以包括两组切换电感器调节器和非对称切换电容器调节器，每个分别异相地操作0度、120度、240度。
在一些实施例中，通过将非对称切换电容器调节器的输入节点和输出电压节点对换，非对称切换电容器调节器可以被用作递升式调节器。
图9A-图9B示出根据一些实施例的递升式非对称切换电容器调节器。图9A-图9B的递升式非对称切换电容器调节器分别类似于图8A-图8B中的递降式调节器，只除了VIN 102和V OUT 104的位置对换并且VIN 102低于V OUT 104。IOUT118和COUT 110仍然连接到输出V OUT104。按类似方式，通过将图4-图7中的非对称切换电容器调节器的输入节点和输出电压节点对换，图4-图7中的非对称切换电容器调节器可以被改变为递升式调节器。
在一些实施例中，非对称切换电容器调节器可以被用于包括电源管理集成电路(PMIC)、电池充电器、LED驱动器、包络跟踪功率放大器的各种应用。
在一些实施例中，切换电容器的电容值可以被设置为与非对称切换电容器调节器的输出电流成比例。切换电容器的电容值可以根据目标功率效率处于0.1nF/mA和10nF/mA的范围中。非对称切换电容器调节器可以通过使用较大数量的电容器来提高其效率。
与需要在100nH至100uH的范围中的大体积分立电感器的降压调节器相比，非对称切换电容器调节器可以使用有时足够小到被集成在晶片上或被集成在封装件上的小得多的电感器。在一些实施例中，非对称切换电容器调节器可以使用具有在1-100nH的范围中的电感值的电感器。这样的电感器可以被集成在芯片上或在封装件上。在一些实施例中，非对称切换电容器调节器可以使用具有在100nH-10uH的范围中的电感值的电感器。这样的电感器可以是设置在印刷电路板(PCB)上的分立电感器。PCB上的电感器因为电感值较大而可以提高非对称切换电容器调节器的功率效率。然而，其比具有较小电感值的片上或封装件上电感器占据更大的覆盖面积。
在一些实施例中，非对称切换电容器调节器可以以相反方向操作以将其作为递升式调节器而操作。例如，非对称切换电容器调节器的输入节点可以耦接到目标负载，例如芯片，并且非对称切换电容器调节器的输出节点可以耦接到输入电压源，例如电池。
在一些实施例中，非对称切换电容器调节器可以以相反方向操作以将其作为电池充电器而操作。例如，非对称切换电容器调节器的输入节点可以耦接到电源，例如通用串行总线(USB)的电源线，并且非对称切换电容器调节器的输出节点可以耦接到电池。
在一些实施例中，非对称切换电容器调节器可以以相反配置操作(例如，非对称切换电容器调节器的输入节点和输出节点被切换)。非对称切换电容器调节器的操作方向可以被灵活地修改为顺应与非对称切换电容器调节器的输入节点和输出节点耦接的各种类型的输入电压源和输出负载。
所公开的非对称切换电容器调节器的各种实施例可以被用作电池带动的装置中的电池充电器。例如，非对称切换电容器调节器的输出节点可以耦接到电池以使得非对称切换电容器调节器的输出电压和输出电流用于对电池充电。
非对称切换电容器调节器在对手持式装置中的电池进行充电方面可以是尤其有用的。诸如智能手机之类的手持式装置可以使用锂离子(Li-Ion)电池，锂离子电池被配置为根据电池是否被充电而提供在大约2.8-4.3V的范围之内的电压输出(例如，当完全充电时为4.3V，当完全放电时为2.8V)。手持式装置中的锂离子电池可以使用通用串行总线(USB)来充电。USB电源线的当前版本使用5V(并且USB的未来版本可以使用甚至更高的电压)，其比锂离子电池的电压输出高。因此，来自USB电源线的电压在其可以被用于对锂离子电池充电之前应当被递降。为此，非对称切换电容器调节器可以被配置为接收来自USB的电源线电压和电流并且将电源线电压和电流的递降版本提供给锂离子电池以使得锂离子电池可以基于来自USB的电压和电流而被充电。
在一些实施例中，其中使用USB电源线对电池进行充电的上述配置可以被相反地用作USB On-The-Go(OTG)，其中第一装置中的电池可以经由USB将电力递送到第二装置以对第二装置充电。在这种情景下，第一装置中的电池被配置为通过USB将电流递送到第二装置的电池。尽管第一装置中的电池的输出电压可能低于USB电源线电压，然而非对称切换电容器调节器可以以递升式配置操作以将电池的输出电压递升到USB电源线的输出电压。这样，第一装置中的电池可以经由USB电源线对第二装置中的电池充电。
图10是根据一些实施例的包括非对称切换电容器调节器的计算装置的框图。计算装置1000包括处理器1002、存储器1004、一个或多个接口1006、加速器1008、和电源调节器系统1010。计算装置1000可以包括附加的模块、更少的模块、或者执行任何适当操作或操作组合的模块的任何其他适当组合。
在一些实施例中，加速器1008可以使用专用集成电路(ASIC)以硬件实施。加速器1008可以是片上系统(SOC)的一部分。在其他实施例中，加速器1008可以使用逻辑电路、可编程逻辑阵列(PLA)、数字信号处理器(DSP)、现场可编程门阵列(FPGA)、或任何其他集成电路以硬件实施。在一些情况下，加速器1008可以被封装在与其他集成电路一样的封装件中。
在一些实施例中，电压调节器系统1010可以被配置为将电源电压提供给处理器1002、存储器1004和/或加速器1008中的一个或多个。电压调节器系统1010可以包括一个或多个电压调节器(VR)模块1012-1、...1012-N。VR模块1012-1、...1012-N中的一个或多个可以是例如图4-图10中公开的非对称切换电容器调节器。VR模块1012-1、...1012-N中的一个或多个可以在多个交织相位中操作。
计算装置1000可以经由接口1006与其他计算装置(未示出)通信。接口1006可以以硬件实施以在诸如光学、铜、和无线的各种介质中按照许多不同的协议(它们中的一些可以是非暂时性的)发送和接收信号。
在一些实施例中，计算装置1000可以包括用户设备。用户设备可以与一个或多个无线接入网络以及与有限通信网络通信。用户设备可以是具有电话通信功能的蜂窝电话。用户设备还可以是提供诸如文字处理、网页浏览、游戏、电子书功能、操作系统和全键盘之类的服务的智能手机。用户设备还可以是提供网络接入和由智能手机提供的大多数服务的平板电脑。用户设备使用操作系统操作，诸如塞班OS、iPhone OS、RIM的黑莓、WindowsMobile、Linux、惠普WebOS、泰泽和安卓。屏幕可能是用于将数据输入移动装置的触摸屏，在该情况下，可以使用屏幕而非全键盘。用户设备还可以保持全球定位坐标、配置文件信息或其他位置信息。用户设备还可以是可穿戴电子装置。
计算装置1000还可以包括能够计算和通信的任何平台。非限制性示例包括电视机(TV)、视频投影机、机顶盒或电视机顶盒、数字视频记录器(DVR)、计算机、笔记本电脑、膝上型电脑和具有计算功能的任何其他音频/视觉设备。计算装置1000可以配置有处理指令并且运行可被存储在存储器中的软件的一个或多个处理器。处理器还与存储器和接口通信以与其他装置通信。处理器可以是任何适用的处理器，比如结合了CPU、应用程序处理器和闪速存储器的片上系统。计算装置1000还可以提供各种用户接口，比如键盘、触摸屏、轨迹球、触摸板和/或鼠标。在一些实施例中，计算装置1000还可以包括扬声器和显示装置。计算装置1000还可以包括生物医学电子装置。
将会理解，所公开的主题不限于其对以下说明中所阐述的或附图中所示的构造的细节以及部件的布置的应用。所公开的主题能够应用于其他实施例并且能够以各种方式实践和执行。同样，将会理解，本文采用的短语和术语是出于说明的目的而不应被视为限制。
这样，本领域技术人员将会理解，本公开所基于的构思可以容易地用作设计用于执行所公开的主题的若干目的的其他结构、系统和方法的基础。因此，重要的是，权利要求书应当被视为包括不脱离所公开的主题的精神和范围的这种等价构造。
尽管在前述示例实施例中已经描述和示出了所公开的主题，然而将会理解，本公开仅以示例的方式做出，并且可以在不脱离仅由所附权利要求限定的所公开的主题的精神和范围的情况下做出对所公开的主题的实施方式的细节上的许多改变。

Claims (20)

1.一种电压调节器，被配置为在输入节点接收输入电压并且在输出节点提供输出电压，所述电压调节器包括：
电感器；
第一电容器，其被配置为容纳第一电压；
第二电容器，其被配置为容纳第二电压；
开关矩阵，其被配置为在第一配置与第二配置之间交替，其中，在所述第一配置中，所述开关矩阵被配置为通过所述电感器以并联关系耦接所述第一电容器和所述第二电容器，并且其中，在所述第二配置中，所述开关矩阵被配置为以串联方式将所述第一电容器和所述第二电容器耦接在所述输入节点与地节点之间；以及
多个功率开关，其被配置为在所述第一配置中通过所述电感器感生电流以提供所述第一电压与所述第二电压之间的电压差分。
2.根据权利要求1所述的电压调节器，其中，在所述第一配置中，所述电感器和所述第一电容器为串联关系，并且所述电感器与所述第一电容器共同地与所述第二电容器为并联关系。
3.根据权利要求1-2中的任一项所述的电压调节器，其中，所述第一电容器是切换电容器，并且所述第二电容器是去耦电容器。
4.根据权利要求1-2中的任一项所述的电压调节器，其中，所述第一电容器和所述第二电容器是切换电容器，它们在所述第一配置中是在将所述输入节点与所述地节点耦接的电容器的堆叠的相同层处。
5.根据权利要求4所述的电压调节器，其中，在所述第二配置中，所述第二电容器耦接到所述输出节点并且与去耦电容器并联。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的电压调节器，其中，所述多个功率开关包括第一开关和第二开关，其中，在所述第一配置中，所述第一开关和所述第二开关被配置为以预定占空比在第一状态与第二状态之间交替，以提供所述第一电容器与所述第二电容器之间的电压差分。
7.根据权利要求6所述的电压调节器，其中，在所述第一状态中，所述第一开关接通并且所述第二开关断开以通过所述电感器并联地耦接所述第一电容器和所述第二电容器，并且在所述第二状态中，所述第一开关断开并且所述第二开关接通以将所述第一电容器与所述第二电容器去耦。
8.根据权利要求6-7中的任一项所述的电压调节器，其中，所述第一开关被布置在所述输出节点与所述电感器之间。
9.根据权利要求6-7中的任一项所述的电压调节器，其中，所述第一开关被布置在所述电感器与所述第一电容器之间。
10.根据权利要求6-9中的任一项所述的电压调节器，其中，所述电压调节器的所述输出电压基于所述预定占空比而被确定。
11.根据权利要求3所述的电压调节器，还包括第三电容器，其中，在所述第二配置中，所述开关矩阵被配置为使得所述第三电容器与所述第一电容器为串联关系。
12.根据权利要求11所述的电压调节器，其中，在所述第一配置中，所述开关矩阵被配置为将所述第三电容器与所述第二电容器并联地耦接到所述输出节点。
13.根据权利要求11所述的电压调节器，其中，在所述第一配置中，所述开关矩阵被配置为使得所述第三电容器并联地耦接到所述第一电容器。
14.根据权利要求1-13中的任一项所述的电压调节器，其中，所述电感器具有在1-100nH的范围中的电感值。
15.根据权利要求14所述的电压调节器，其中，所述电感器是片上的或封装件上的。
16.根据权利要求1-13中的任一项所述的电压调节器，其中，所述电感器具有在100nH-10uH的范围中的电感值。
17.一种电子系统，包括：
根据权利要求1-16中的任一项所述的电压调节器，其中，所述电压调节器被配置为以相反方向操作，在所述相反方向中，所述电压调节器中的所述输出节点耦接到输入电压源并且所述电压调节器的所述输入节点耦接到目标负载。
18.根据权利要求17所述的电子系统，其中以所述相反方向操作所述电压调节器的所述电子系统被配置为将所述电压调节器作为递升式调节器来操作。
19.一种电子系统，包括：
根据权利要求1-16中的任一项所述的电压调节器；以及
目标负载系统，其被耦接到所述电压调节器，其中所述电压调节器的所述输出节点耦接到所述目标负载系统。
20.根据权利要求19所述的电子系统，其中，所述电子系统包括移动通信装置。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111030446A (zh) * 2019-11-21 2020-04-17 华为技术有限公司 直流转直流dc/dc变换拓扑电路和装置
CN115336156A (zh) * 2020-03-26 2022-11-11 莱恩半导体股份有限公司 用于开关电容式电压变换器的电路

Families Citing this family (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8619445B1 (en) 2013-03-15 2013-12-31 Arctic Sand Technologies, Inc. Protection of switched capacitor power converter
WO2018085448A1 (en) * 2016-11-01 2018-05-11 Lion Semiconductor Inc. Feedback control for efficient high-speed battery charging
WO2018085438A1 (en) * 2016-11-01 2018-05-11 Lion Semiconductor Inc. Charge recycling switched capacitor regulators
US10601311B2 (en) * 2018-02-13 2020-03-24 Lion Semiconductor Inc. Circuits and methods for hybrid 3:1 voltage regulators
US11764669B2 (en) * 2020-09-30 2023-09-19 The Trustees Of Princeton University Power converter
US20230402915A1 (en) * 2022-06-08 2023-12-14 Mediatek Inc. Voltage regulator with reduced power loss and chip using the voltage regulator

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040245972A1 (en) * 2001-12-20 2004-12-09 Guillaume Vire Series chopper with synchronous switching
CN102428637A (zh) * 2009-04-23 2012-04-25 三菱电机研发中心欧洲有限公司 用于控制由多个桥接器件构成的升压转换器的输出电压的方法和设备
US20140184189A1 (en) * 2013-01-02 2014-07-03 Loai Galal Bahgat Salem Inductively assisted switched capacitor dc-dc converter
GB2510395A (en) * 2013-02-01 2014-08-06 Nujira Ltd Voltage supply stage for an envelope tracking modulated power supply
US20150061613A1 (en) * 2013-08-28 2015-03-05 Fujitsu Limited Dc-dc converter and method of controlling dc-dc converter

Family Cites Families (17)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP3628576B2 (ja) * 1999-02-14 2005-03-16 矢崎総業株式会社 微少電流検出装置
JP3726584B2 (ja) * 1999-09-16 2005-12-14 セイコーエプソン株式会社 電源回路および電気光学装置
JP2002233139A (ja) * 2001-02-05 2002-08-16 Matsushita Electric Ind Co Ltd Ｄｃ−ｄｃコンバータ
US20070279021A1 (en) * 2004-12-28 2007-12-06 Rohm Co., Ltd. Power Supply Circuit, Charge Pump Circuit, and Portable Appliance Therewith
US20070146020A1 (en) * 2005-11-29 2007-06-28 Advanced Analogic Technologies, Inc High Frequency Power MESFET Gate Drive Circuits
JP4867657B2 (ja) * 2006-12-28 2012-02-01 ソニー株式会社 電圧供給回路、表示装置、および電子機器、並びに電圧供給方法
JP2010004691A (ja) * 2008-06-23 2010-01-07 Mitsumi Electric Co Ltd フラッシュ用電源装置
FR2954018B1 (fr) * 2009-12-16 2012-08-24 St Microelectronics Tours Sas Alimentation a decoupage multiniveaux
FR2959624A1 (fr) * 2010-04-28 2011-11-04 St Ericsson Sa Circuit de conversion de tension continue
US20110285369A1 (en) * 2010-05-20 2011-11-24 Cuks, Llc Three-switch step-down converter
EP2466738B1 (en) * 2010-12-20 2018-04-04 ams AG Voltage converter and method for voltage conversion
KR101773196B1 (ko) * 2010-12-29 2017-09-12 엘지디스플레이 주식회사 액정표시장치의 직류-직류 변환기
EP2748918B1 (en) * 2011-11-14 2015-03-04 Cognipower, LLC Switched-mode compound power converter with main and supplemental regulators
KR101961116B1 (ko) * 2012-11-19 2019-03-25 삼성디스플레이 주식회사 전원제어장치 및 이를 포함하는 표시장치
US9231477B2 (en) * 2013-04-23 2016-01-05 Nvidia Corporation Control of a soft-switched variable frequency buck regulator
US10840805B2 (en) 2013-09-24 2020-11-17 Eta Devices, Inc. Integrated power supply and modulator for radio frequency power amplifiers
CN105612470B (zh) * 2013-10-07 2019-04-30 莱恩半导体股份有限公司 混合电压调节器中的反馈控制

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040245972A1 (en) * 2001-12-20 2004-12-09 Guillaume Vire Series chopper with synchronous switching
CN102428637A (zh) * 2009-04-23 2012-04-25 三菱电机研发中心欧洲有限公司 用于控制由多个桥接器件构成的升压转换器的输出电压的方法和设备
US20140184189A1 (en) * 2013-01-02 2014-07-03 Loai Galal Bahgat Salem Inductively assisted switched capacitor dc-dc converter
GB2510395A (en) * 2013-02-01 2014-08-06 Nujira Ltd Voltage supply stage for an envelope tracking modulated power supply
US20150061613A1 (en) * 2013-08-28 2015-03-05 Fujitsu Limited Dc-dc converter and method of controlling dc-dc converter

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111030446A (zh) * 2019-11-21 2020-04-17 华为技术有限公司 直流转直流dc/dc变换拓扑电路和装置
CN111030446B (zh) * 2019-11-21 2021-04-09 华为技术有限公司 直流转直流dc/dc变换拓扑电路和装置
CN115336156A (zh) * 2020-03-26 2022-11-11 莱恩半导体股份有限公司 用于开关电容式电压变换器的电路
CN115336156B (zh) * 2020-03-26 2023-08-08 莱恩半导体股份有限公司 用于开关电容式电压变换器的电路

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