CN108880256B - 一种适用于多层堆叠负载的多路输出开关电容变换器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于多层堆叠负载的多路输出开关电容变换器，属于集成电路设计与测试领域，包括第一驱动信号输入端、第二驱动信号输入端、N个内部飞电容、N个输出电容、2N条支路及N个层间负载，其中，第2i条支路、第2i‑1条支路、第i个内部飞电容及第i个输出电容组成第i层电源模块，各层电源模块依次相堆叠，该多路输出开关电容变换器的电压波纹较低，并且转换效率较高。

Description

一种适用于多层堆叠负载的多路输出开关电容变换器
技术领域
本发明属于集成电路设计与测试领域，涉及一种适用于多层堆叠负载的多路输出开关电容变换器。
背景技术
随着生物医疗和信息技术的迅速发展，超低功耗元件在植入式医疗设备及可穿戴器件被普遍使用。由于大多数便携式设备依靠电池供电，所以要尽可能提高能量效率来延长使用寿命。将数字电路组件的电源电压降低到低于或接近阈值的区域对于降低电路的能量消耗非常重要，在最小能量点下达到最佳操作。
降低负载电源电压的常规方法包括使用LDO或降压转换器来将输入电压调节到更低的输出电压。然而，因为输出功率低而且转换器的等效串联电阻的传导损耗高，在这种传统的电路设计中，电压转换比(M＝Vout/Vin)越小，转换效率越低。与LDO或降压转换器相比，开关电容电源转换器在这种低电压调节应用方面具有明显的优势，因为它可以在低电压转换比M时实现更高的效率。
堆叠式负载架构可以缓解供电需求，避免使用M值过低的DC-DC转换器，从而提高能源利用率，提高能源效率。虽然有将两个子系统嵌入能量传输系统的典型架构，无需为超低功耗应用使用开关转换器，即可将系统级能量节省一半，但是，两个相同的子系统核在交换操作实现数据处理和传输时可能在每个核心开始工作时引起大的电源电压纹波，并且这种结构需要至少两倍的芯片面积。尽管有一些有效的方法可以帮助降低电压纹波，例如自适应全数字纹波抑制技术可以实现纹波的控制，但是效率仍然需要提高。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种适用于多层堆叠负载的多路输出开关电容变换器，该多路输出开关电容变换器的电压波纹较低，并且转换效率较高。
为达到上述目的，本发明所述的适用于多层堆叠负载的多路输出开关电容变换器包括第一驱动信号输入端、第二驱动信号输入端、N个内部飞电容、N个输出电容、2N条支路及N个层间负载，其中，第2i条支路、第2i-1条支路、第i个内部飞电容及第i个输出电容组成第i层电源模块，各层电源模块依次相堆叠；
各支路均包括第一开关及第二开关，其中，第一开关的一端与第二开关的一端相连接，各第偶数条支路中第一开关的另一端相连接，各第奇数条支路中第一开关的另一端相连接，第一个输出电容的一端与第一个支路中第二开关的另一端相连接，第一个输出电容的另一端与第二条支路中第二开关的另一端及第三条支路中第二开关的另一端相连接，第j个输出电容的一端与第2j条支路中第二开关的另一端及2j+1条支路中第二开关的另一端相连接，第j个输出电容的另一端与第2j-1条支路中第二开关的另一端及第2j-2条支路中第二开关的另一端相连接，第N个输出电容的一端与第2N条支路中第二开关的另一端相连接，第N个输出电容的另一端与第2N-1条支路中第二开关的另一端及第2N-2条支路中第二开关的另一端相连接，其中，1＜j＜N；
第k个内部飞电容的一端与第2k条支路中第一开关与第二开关之间的线路相连接，第k个内部飞电容的另一端与第2k-1条支路中第一开关与第二开关之间的线路相连接，其中，1≤k≤N；
第i个层间负载与第i个输出电容并联连接，其中，1≤i≤N；
第一驱动信号输入端与各条支路中第二开关的控制端相连接，第二驱动信号输入端与各条支路中第一开关的控制端相连接。
各内部飞电容的电容值相同；各输出电容的电容值相同。
当各支路中的第一开关K1断开，各支路中的第二开关闭合时，则第k个输出电容与第k个内部飞电容并联连接，输出电容与内部飞电容之间实现电荷的分配；
当各支路中第一开关闭合，各支路中的第二开关断开时，则各内部飞电容之间并联连接，各内部飞电容之间的电荷平均分配。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的适用于多层堆叠负载的多路输出开关电容变换器在具体操作时，基于电荷平均技术，通过第一驱动信号输入端输入的驱动信号控制各第二开关的开关状态，通过第二驱动信号输入端输入的驱动信号控制各第一开关的开关状态，在一个时钟周期内实现各第一开关及各第二开关的开关状态切换，以实现在每个时钟周期内均能够对输出电压进行一次调整，调整速度较快，以降低电压波纹，弥补了较高的电池电源电压与较低的负载驱动电压之间的差距，且未使用任何DC-DC转换器，因此不会由于低电压转换比而导致低转换效率的问题，在实际操作时，当各层间负载中并行处理相同的操作时，则电流偏差将非常小，从而实现开关电容变换器的功耗最小化。另外，通过采用开关电容电源转换器的不同调节频率可以进一步减小负载单元在不同操作情况下电源电压的波动。
附图说明
图1本发明的电路图；
图2为本发明的控制原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的适用于多层堆叠负载的多路输出开关电容变换器包括第一驱动信号输入端、第二驱动信号输入端、N个内部飞电容CB、N个输出电容C、2N条支路及N个层间负载Req，其中，第2i条支路、第2i-1条支路、第i个内部飞电容CB及第i个输出电容C组成第i层电源模块，各层电源模块依次相堆叠；各支路均包括第一开关K1及第二开关K2，其中，第一开关K1的一端与第二开关K2的一端相连接，各第偶数条支路中第一开关K1的另一端相连接，各第奇数条支路中第一开关K1的另一端相连接，第一个输出电容C的一端与第一个支路中第二开关K2的另一端相连接，第一个输出电容C的另一端与第二条支路中第二开关K2的另一端及第三条支路中第二开关K2的另一端相连接，第j个输出电容C的一端与第2j条支路中第二开关K2的另一端及2j+1条支路中第二开关K2的另一端相连接，第j个输出电容C的另一端与第2j-1条支路中第二开关K2的另一端及第2j-2条支路中第二开关K2的另一端相连接，第N个输出电容C的一端与第2N条支路中第二开关K2的另一端相连接，第N个输出电容C的另一端与第2N-1条支路中第二开关K2的另一端及第2N-2条支路中第二开关K2的另一端相连接，其中，1＜j＜N；第k个内部飞电容CB的一端与第2k条支路中第一开关K1与第二开关K2之间的线路相连接，第k个内部飞电容CB的另一端与第2k-1条支路中第一开关K1与第二开关K2之间的线路相连接，其中，1≤k≤N；第i个层间负载Req与第i个输出电容C并联连接，其中，1≤i≤N；第一驱动信号输入端与各条支路中第二开关K2的控制端相连接，第二驱动信号输入端与各条支路中第一开关K1的控制端相连接，其中，各内部飞电容CB的电容值相同；各输出电容C的电容值相同。
参考图2，对于负载情况几乎相同的多层堆叠结构，每层的等效电阻相等为Reqi，则每层的电源电压为1/n·VDD。设在Φ1相时，各第二开关K2闭合，各第一开关K1断开，在Φ2相时，各第一开关K1闭合，各第二开关K2断开。在Φ1相时，第i个内部飞电容CB与第i个输出电容C并联连接，第i个内部飞电容CB与第i个输出电容C之间实现电荷的重新分配；在Φ2相时，各内部飞电容CB之间并联连接，通过电容电荷平均技术实现各内部飞电容CB之间的电荷平均，Φ1相与Φ2相交替变换，其中，完成一次Φ1相与Φ2相的操作为一个时钟周期。
设Reqi为第i个层间负载Req的等效电阻，Is为稳定状态下的平均电流，Is流经第i个层间负载Req产生次级电压△Vi(i＝1,2,…,n)，V B为各内部飞电容CB电极并联时的电压差，因此，Φ1相和Φ2相下总能量及电荷的等式关系为：
根据等式(1)及(2)，得传导损耗△E为：
当从Φ1相到Φ2相时，各内部飞电容CB的连接关系从串联连接变为并联连接。没有其他设备或节点连接到内部飞电容CB，所有内部飞电容CB中存储的总电荷保持不变。当操作阶段从Φ2相到Φ1相时，其本身串联连接的内部飞电容CB与输出电容C并联。即使在内部飞电容CB和输出电容C之间有电荷交换，VDD的电源电压也不变。因此，各内部飞电容CB中的总电荷保持不变；对于Φ1相和Φ2相周期之间的变化，所有内部飞电容CB的总电荷不变，这意味着总电荷Q B_Φ1等于Q B_Φ2，因此得：
则等式(3)可以改写为：
根据公式(5)，传导损耗是由于在每个电荷平均的操作期间内部飞电容CB的电荷转移引起的。如果每个堆叠数字单元的等效电阻匹配，那么意味着开关电容变换器的传导损耗为零，并且只存在总栅极驱动耗散，即不发生电荷再分配。
由于每个层间负载Req的功耗几乎相同，所以每层的等效电阻的差别很小。也就是说，各层的功率差异较小时可以用开关电容变器来调节。因此，开关电容电源转换器的电流调节能力可以尽可能低地设计，即使得功率开关的尺寸减小，变换器的传导损耗降低，并且对于整个系统来说能量效率可以有效提高。
实施例一
采用标准的180nm CMOS工艺制造，在VDD和GND之间串联连接的4层静态随机存取存储器(SRAM)阵列，SRAM阵列采用8T-SRAM单元，开关电容变换器采用传输门作为电源开关，内部飞电容CB的工作频率为10千赫，采用该供电方式，可以使每个SRAM层的工作电压保持稳定一致，电源电压的调节精度达99％以上，在最坏的情况下测得的效率高达94％。

Claims (3)

1.一种适用于多层堆叠负载的多路输出开关电容变换器，其特征在于，包括第一驱动信号输入端、第二驱动信号输入端、N个内部飞电容(CB)、N个输出电容(C)、2N条支路及N个层间负载(Req)，其中，第2i条支路、第2i-1条支路、第i个内部飞电容(CB)及第i个输出电容(C)组成第i层电源模块，各层电源模块依次相堆叠；
各支路均包括第一开关(K1)及第二开关(K2)，其中，第一开关(K1)的一端与第二开关(K2)的一端相连接，各第偶数条支路中第一开关(K1)的另一端相连接，各第奇数条支路中第一开关(K1)的另一端相连接，第一个输出电容(C)的一端与第一个支路中第二开关(K2)的另一端相连接，第一个输出电容(C)的另一端与第二条支路中第二开关(K2)的另一端及第三条支路中第二开关(K2)的另一端相连接，第j个输出电容(C)的一端与第2j条支路中第二开关(K2)的另一端及2j+1条支路中第二开关(K2)的另一端相连接，第j个输出电容(C)的另一端与第2j-1条支路中第二开关(K2)的另一端及第2j-2条支路中第二开关(K2)的另一端相连接，第N个输出电容(C)的一端与第2N条支路中第二开关(K2)的另一端相连接，第N个输出电容(C)的另一端与第2N-1条支路中第二开关(K2)的另一端及第2N-2条支路中第二开关(K2)的另一端相连接，其中，1＜j＜N；
第k个内部飞电容(CB)的一端与第2k条支路中第一开关(K1)与第二开关(K2)之间的线路相连接，第k个内部飞电容(CB)的另一端与第2k-1条支路中第一开关(K1)与第二开关(K2)之间的线路相连接，其中，1≤k≤N；
第i个层间负载(Req)与第i个输出电容(C)并联连接，其中，1≤i≤N；
第一驱动信号输入端与各条支路中第二开关(K2)的控制端相连接，第二驱动信号输入端与各条支路中第一开关(K1)的控制端相连接。
2.根据权利要求1所述的适用于多层堆叠负载的多路输出开关电容变换器，其特征在于，各内部飞电容(CB)的电容值相同；各输出电容(C)的电容值相同。
3.根据权利要求1所述的适用于多层堆叠负载的多路输出开关电容变换器，其特征在于，当各支路中的第一开关(K1)断开，各支路中的第二开关(K2)闭合时，则第k个输出电容(C)与第k个内部飞电容(CB)并联连接，输出电容(C)与内部飞电容(CB)之间实现电荷的分配；
当各支路中第一开关(K1)闭合，各支路中的第二开关(K2)断开时，则各内部飞电容(CB)之间并联连接，各内部飞电容(CB)之间的电荷平均分配。
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