CN109429540A - 用于可重配置的dickson star开关式电容器电压调节器的装置、系统和方法 - Google Patents

用于可重配置的dickson star开关式电容器电压调节器的装置、系统和方法 Download PDF

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Abstract

本公开示出了可重配置的Dickson Star SC调节器，其可以通过在各种模式之间进行重新配置来支持多个转换比。可重配置的Dickson Star SC调节器被设计为通过跨多个操作模式(跨多个转换比)重用电容器和开关来减少冗余电容器的数量。本公开还示出了混合(例如，两级)电压调节器。

Description

用于可重配置的DICKSON STAR开关式电容器电压调节器的装 置、系统和方法
相关申请的交叉引用
此申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2016年4月18日提交的题为“RECONFIGURABLEDICKSON STAR SWITCHED CAPACITOR VOLTAGE REGULATOR”的美国临时申请号62/324,091的较早提交日期的权益，所述申请通过引用以其整体而被并入本文。
关于联邦政府资助的研究或开发的声明
此发明是在国家科学基金会(NSF)授予的1353640和1519788的政府支持下完成的。政府拥有本发明中的某些权利。
技术领域
本公开涉及用于提供可重配置的Dickson Star开关式电容器电压调节器和/ 或提供混合(例如，两级)电压调节器的装置、系统和方法。
背景技术
存在对于减小电子系统的尺寸的强烈需求。尺寸减小在空间宝贵的电子产品中是特别期望的，而在被置于大数据中心中的服务器中也是期望的，因为在固定的空间资产中挤入尽可能多的服务器是重要的。
电子系统中最大组件中的一个包括电压调节器(也称为功率调节器)。功率调节器通常包括用于将电压递送到集成芯片的大量庞大的片外组件，包括处理器、存储器设备(例如，动态读取存取存储器(DRAM))、射频(RF)芯片、 WiFi组合芯片和功率放大器。因此，期望的是减小电子系统中的电压调节器的尺寸。
功率调节器包括半导体芯片，诸如DC-DC调节器芯片，其将功率从功率源 (例如，电池)递送到输出负载。输出负载可以包括电子设备中的各种集成芯片(例如，应用处理器、DRAM、NAND闪存)。为了高效地递送功率，电压调节器可以使用“降压(buck)”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电荷从功率源传递至输出负载。降压调节器可以使用功率开关以将电感器与多个电压中的一个连接/断开，从而提供作为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耦合到多个电压中的一个的时间量来调整输出电压。
不幸地，降压调节器不适用于高度集成的电子系统。特别是在功率转换比高时并且在输出负载消耗的电流量高时，降压调节器的转换效率取决于电感器的尺寸。因为电感器可占据大面积且庞大而无法集成在芯片上或封装上，所以现有的降压调节器通常使用大量片外电感器组件。此策略通常需要印刷电路板上的大面积，这转而增加了电子设备的尺寸。随着移动片上系统(SoC)变得更加复杂并且需要由电压调节器递送越来越大量的电压域，挑战加剧。
发明内容
所公开主题的一些实施例包括电压调节器，用于将输入端子处的输入电压调节到输出端子处的输出电压。调节器包括电容器矩阵，其具有第一电容器子矩阵和第二电容器子矩阵。调节器还包括开关矩阵，其具有第一开关子矩阵、第二开关子矩阵、第三开关子矩阵、第四开关子矩阵和第五开关子矩阵。第一电容器子矩阵中的电容器通过第一开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到输出端子，并且还通过第二开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到接地端子。第二电容器子矩阵中的电容器通过第三开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到输出端子，并且还通过第四开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到接地端子。而且，第五开关子矩阵具有串联布置在输入端子和输出端子之间的N个开关，并且第五开关子矩阵中的每个开关被连接到第一电容器子矩阵中的相关联电容器和第二电容器子矩阵中的相关联电容器。接通第五开关子矩阵中最靠近输入端子的K 个开关以重新配置电压调节器来提供(N-K)：1的转换比，其中K是小于N的非负值。
在本文公开的一个或多个实施例中，开关矩阵被配置为在保持K个开关接通的同时以预定占空比在第一配置和第二配置之间交替，以便以(N-K)：1的转换比将输入电压调节为输出电压。
在本文公开的一个或多个实施例中，K个开关中的一个被配置为使被连接到K个开关中的所述一个的第一电容器子矩阵中的一个电容器和第二电容器子矩阵中的一个电容器并联。
在本文公开的一个或多个实施例中，第二开关矩阵中耦接到第一电容器子矩阵中的所述一个电容器的第一开关和第四开关矩阵中耦接到第二电容器子矩阵中的所述一个电容器的第二开关使用相同开关信号来控制。
在本文公开的一个或多个实施例中，第一开关矩阵中耦合到第一电容器子矩阵中的所述一个电容器的第一开关和第三开关矩阵中耦合到第二电容器子矩阵中的所述一个电容器的第二开关使用相同开关信号来控制。
在本文公开的一个或多个实施例中，K为零。
在本文公开的一个或多个实施例中，K是N-1。
在本文公开的一个或多个实施例中，K是0与N-1范围内的值。
在本文公开的一个或多个实施例中，第五开关子矩阵中的开关数量是N。
所公开主题的一些实施例包括电压调节器，用于将输入端子处的输入电压调节到输出端子处的输出电压。调节器包括电容器矩阵，其具有第一电容器子矩阵和第二电容器子矩阵。调节器还包括开关矩阵，其具有第一开关子矩阵、第二开关子矩阵和第三开关子矩阵。第一开关子矩阵中的一个开关被耦合到第一电容器子矩阵中的两个相关联电容器。第二开关子矩阵中的一个开关被耦合到第二电容器子矩阵中的两个相关联电容器。第三开关子矩阵具有串联布置在输入端子和输出端子之间的N个开关，并且第三开关子矩阵中的每个开关被连接到第一电容器子矩阵中的相关联电容器和第二电容子矩阵中的相关联电容器。第一开关子矩阵和第二开关子矩阵中最靠近输入端子的K个开关(不包括第一开关子矩阵中被连接到输入端子的顶部开关)被接通以重新配置电压调节器来提供(N-K)：1的转换比，其中K是小于N的非负值。
在本文公开的一个或多个实施例中，第三开关子矩阵中的K个开关(不包括第三开关子矩阵中被连接到输入端子的顶部开关)被断开以重新配置电压调节器来提供(N-K)：1的转换比。
在本文公开的一个或多个实施例中，开关矩阵被配置为在保持第三开关子矩阵中的K个开关接通的同时以预定占空比在第一配置和第二配置之间交替，以便以(N-K)：1的转换比将输入电压调节到输出电压。
在本文公开的一个或多个实施例中，当K是奇数时，第三开关子矩阵中的顶部开关在第一配置和第二配置中均被断开，并且其中当K是偶数时，第一开关子矩阵中的顶部开关在第一配置和第二配置中均被断开。
在本文公开的一个或多个实施例中，第一电容器子矩阵中的每个电容器通过第一开关而被耦合到接地端子，并且通过第二开关而被耦合到输出端子。
在本文公开的一个或多个实施例中，第二电容器子矩阵中的每个电容器通过第三开关而被耦合到输出端子，并且通过第四开关而被耦合到接地端子。
所公开主题的一些实施例包括一种设备。该设备包括用于重新配置电压调节器以将转换比从N：1修改为(N-K)：1的装置，其中K是小于N的非负值。
在本文公开的一个或多个实施例中，电压调节器是Dickson Star电压调节器。
所公开主题的一些实施例包括电压调节器，其被配置为接收第一电压信号并至少部分地基于第一电压信号提供最终电压信号。电压调节器包括由电感器组成的开关式电感器调节器，其中电感器的第一端子包括该开关式电感器调节器的被配置为接收第一电压信号的输入端子，并且电感器的第二端子包括该开关式电感器调节器的被配置为提供中间电压信号的输出端子。电压调节器包括降压调节器，该降压调节器包括：输入端子，被配置为从开关式电感器调节器的输出端子接收中间电压信号；开关矩阵；多个电容器；以及输出端子，被配置为提供最终电压信号。电压调节器还包括控制模块，该控制模块被配置为使降压调节器中的开关矩阵以预定占空比在分别以第一布置和第二布置来布置多个电容器的第一配置和第二配置之间交替，从而也使开关式电感器调节器中的电感器进行占空循环(duty-cycling)。
在本文公开的一个或多个实施例中，开关式电感器调节器是无开关的。
在本文公开的一个或多个实施例中，当开关矩阵处于第一配置时，中间电压信号处于第一电压电平，并且当开关矩阵处于第二配置时，中间电压信号处于第二电压电平。
在本文公开的一个或多个实施例中，第一电压电平是最终电压信号的第一分数倍，并且其中第二电压电平是最终电压信号的第二分数倍。
在本文公开的一个或多个实施例中，降压调节器包括Dickson Star开关式电容器调节器。
在本文公开的一个或多个实施例中，Dickson Star开关式电容器调节器包括可重配置的Dickson Star开关式电容器调节器。
所公开主题的一些实施例包括电压调节器，其被配置为接收第一电压信号并至少部分地基于第一电压信号提供最终电压信号。电压调节器包括由电感器组成的开关式电感器调节器，其中电感器的第一端子包括该开关式电感器调节器的被配置为接收第一电压信号的输入端子，并且电感器的第二端子包括该开关式电感器调节器的被配置为提供中间电压信号的输出端子。电压调节器包括降压调节器，其具有被配置为从开关式电感器调节器的输出端子接收中间电压信号的输入端子，和被配置为提供最终电压信号的输出端子。电压调节器还包括第一开关式电容器调节器模块。第一开关式电容器调节器模块具有开关矩阵，该开关矩阵包括被配置为将第一开关式电容器调节器模块耦合到降压调节器的输入端子的第一开关，和多个电容器。电压调节器还包括第二开关式电容器调节器模块。第二开关式电容器调节器包括开关矩阵和多个电容器，开关矩阵包括被配置为将第二开关式电容器调节器模块耦合到降压调节器的输入端子的第二开关。电压调节器还包括控制模块，该控制模块被配置为：使第一开关式电容器调节器模块中的开关矩阵以第一占空比在第一配置和第二配置之间之间交替，该第一配置和第二配置用于分别以第一布置和第二布置来布置第一开关式电容器调节器模块中的多个电容器；使第二开关式电容器调节器模块中的开关矩阵以第一占空比在第三配置和第四配置之间交替，该第三配置和第四配置用于分别以第三布置和第四布置来布置第二开关式电容器调节器模块中的多个电容器；以及使第一开关和第二开关以第二占空比交替地耦合第一开关式电容器调节器模块和第二开关式电容器调节器模块。
在本文公开的一个或多个实施例中，第一开关式电容器调节器模块和第二开关式电容器调节器模块异相操作。
在本文公开的一个或多个实施例中，第一开关式电容器调节器模块和第二开关式电容器调节器包括相同的开关式电容器调节器拓扑。
在本文公开的一个或多个实施例中，以第二占空比交替地耦合第一开关式电容器调节器模块和第二开关式电容器调节器模块致使开关式电感器调节器中的电感器以第二占空比进行占空循环。
在本文公开的一个或多个实施例中，第二占空比是0.5。
在本文公开的一个或多个实施例中，控制模块被配置为确定以下时间实例，在该时间实例处要开始第一开关式电容器调节器模块和第二式开关电容器调节器模块的交替耦合以提供开关式电感器调节器的期望占空比。
在本文公开的一个或多个实施例中，电感器被提供为分立的封装或板上组件。
所公开主题的一些实施例包括电子系统。电子系统包括根据本文公开的一个或多个实施例的电压调节器，以及耦合到电压调节器的目标负载系统，其中电压调节器中的降压调节器的输出端子被耦合到目标负载系统。
在本文公开的一个或多个实施例中，目标负载系统包括电池，并且电压调节器被配置为从通用串行总线的电源线(power line)接收第一电压信号，并且将第一电压信号提供给电池。
在本文公开的一个或多个实施例中，目标负载系统包括片上系统(SoC)，并且SoC和电压调节器被封装在单个SoC封装中。
在本文公开的一个或多个实施例中，目标负载系统包括片上系统(SoC)，并且SoC和电压调节器被设置在印刷电路板(PCB)上。
所公开主题的一些实施例包括电子系统。电子系统包括根据本文公开的一个或多个实施例的电压调节器。电压调节器被配置为以反方向操作，在该反方向下，电压调节器中的降压调节器的输出端子被耦合到输入电压源，并且开关式电感器调节器的第一输入端子被耦合到电压调节器的目标负载。
在本文公开的一个或多个实施例中，以反方向操作电压调节器的电子系统被配置为将电压调节器作为升压调节器来操作。
在本文公开的一个或多个实施例中，降压调节器的输出端子被耦合到电池，并且开关式电感器调节器的输入端子被耦合到通用串行总线的电源线。
附图说明
当结合以下附图考虑时，参考对所公开主题的以下详细描述，可以更全面地理解所公开主题的各种目的、特征和优点，在附图中相同的附图标记表示相同的元件。
图1A-1B示出了降压调节器及其操作。
图2显示了3：1降压Dickson Star SC调节器。
图3A-3C示出了3：1降压Dickson Star SC调节器的操作。
图4示出了根据一些实施例的可以被重新配置以支持多个转换比的示例性可重配置的Dickson Star SC调节器。
图5A-5C示出了根据一些实施例的针对3：1转换比的图4中可重配置调节器的操作。
图6A-6C示出了根据一些实施例的图4中可重配置的调节器针对2：1转换比的操作。
图7A-7C示出了根据一些实施例的图4中可重配置的调节器针对1：1转换比的的操作。
图8示出了固定的转换比4：1Dickson Star SC调节器。
图9A-9C示出了4：1Dickson Star SC调节器的操作。
图10示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器。
图11A-11C示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在4：1转换模式下的操作。
图12A-12C示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在3：1转换模式下的操作。
图13A-13C示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在2：1转换模式下的操作。
图14A-14C示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在1：1转换模式下的操作。
图15A-15B示出了根据一些实施例的N：1可重配置的Dickson Star SC调节器。
图16示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器。
图17A-17C示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在4：1转换模式下的操作。
图18A-18C示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在3：1转换模式下的操作。
图19A-19C示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在2：1转换模式下的操作。
图20A-20C示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在1：1转换模式下的操作。
图21A-21B示出了根据一些实施例的N：1可重配置的Dickson Star SC调节器。
图22-图24示出了根据一些实施例的升压(step-up)可重配置的Dickson-Star SC调节器。
图25示出了根据一些实施例的其中SC调节器提供第一级电压调节的两级电压调节系统。
图26A-26B示出了根据一些实施例的其中第二级调节器是降压转换器的图 25的实施例。
图27示出了根据一些实施例的其中SC调节器提供第二级电压调节的两级电压调节系统。
图28A-28B示出了根据一些实施例的其中第一级调节器由电感器单独组成的两级电压调节器。
图29A-29B示出了根据一些实施例的其中SC调节器是4：1Dickson Star 开关式电容器(SC)调节器的图28中的两级调节器的操作。
图30示出了根据一些实施例的第二级调节器的占空循环和VTMP的电压摆动。
图31示出了根据一些实施例的其中第二级调节器是多相电压调节器的两级电压调节系统。
图32示出了根据一些实施例的图31中的开关电容器之间的相位关系。
图33示出了根据一些实施例的允许维持第一级调节器的占空比的开关的控制序列。
图34是根据一些实施例的包括电压调节系统的计算设备的框图。
图35A-35C示出了N：1降压Dickson Star SC调节器在N：1转换模式下的操作。
具体实施方式
在以下描述中，阐述了关于所公开主题的装置、系统和方法以及这样的装置、系统和方法可以操作的环境等的许多具体细节，以便提供对所公开主题的透彻理解。然而，对于本领域技术人员显而易见的是，可以在没有这样具体细节的情况下实践所公开主题，并且没有详细描述本领域公知的某些特征以避免使所公开主题复杂化。另外，将要理解的是，下面提供的示例是示例性的，并且预期存在在所公开主题的范围内的其他装置、系统和方法。
现代电子系统已经紧密集成为片上系统(SoC)，其在单个芯片内包含了多个处理核和异构组件(例如，存储器控制器、硬件加速器)。SoC的普及结合更严格的功率预算促使以块特定的粒度来控制电压和频率。块特定的电压控制可以允许电子系统仅升高期望更高性能的(一个或多个)核的电压。这种块特定的电压控制可以改善功率和/或性能。
然而，由于片外电压调节器的成本和尺寸限制，已经在粗粒水平上执行动态电压和频率缩放(DVFS)的传统方法。此外，由于片外电压调节器的慢速度，传统的DVFS方案仅限于微秒时间尺度下的慢电压/频率缩放。通过密切跟踪 SoC电压以满足快速变化的计算需求，在纳秒时间尺度下的较快DVFS可以显著节省更多的SoC所消耗的功率。
鉴于片外电压调节器的这些缺点，人们已越来越关注构建集成式电压调节器(IVR)以减小电路板尺寸并实现纳秒时间尺度、即每核DVFS。IVR可以包括各种电压调节器，包括开关调节器和低压差线性电压调节器。可以减小板尺寸并可以实现纳秒时间尺度、每核DVFS的IVR在本申请的发明人著作的文章中进行了公开，包括由Wonyoung Kim等人于2008年2月在关于高性能计算机架构(HPCA)的IEEE国际研讨会中发表的题为“SystemLevel Analysis of Fast, Per-Core DVFS using On-Chip Switching Regulators”的文章；由Hanh-Phuc Le等人于2011年9月发表在IEEE固态电路杂志(JSSC)中的题为“DesignTechniques for Fully Integrated Switched-Capacitor DC-DC Converters”的文章；以及由 Wonyoung Kim等人于2012年1月发表在IEEE固态电路杂志(JSSC)中的题为“A Fully-Integrated 3-Level DC/DC Converter for Nanosecond-Scale DVFS”的文章，所述文章中的每个在此通过引用以其整体而被并入本文。
开关调节器可以包括降压调节器。图1A-1B示出了降压调节器及其操作。如图1A中所示，降压调节器100可以包括电感器108和两个开关114、116。降压调节器100可以通过一组功率开关114、116将电感器108连接到第一电压源 VIN 104和第二电压源118。在一些情况下，第二电压源118可以包括接地电压源。可以使用外部输入来接通和断开功率开关114、116。在一些情况下，功率开关114、116可以被控制为使得两个开关不同时接通。功率开关114、116可以包括晶体管。晶体管可以包括MOSFET晶体管。例如，开关114可以包括P沟道MOSFET晶体管；开关116可以包括N沟道MOSFET晶体管。
如图1B中所示，当功率开关114、116以周期T接通和断开时，电感器的输入VX 102可以以周期T在0和VIN之间摆动。电感器108和电容器120作为低通滤波器操作，其随时间对VX 102进行平均，从而在调节器输出VOUT 110处创建具有小电压纹波的信号。输出电压VOUT110可以取决于电感器108被耦合到第一电压源VIN 104的时间量以及电感器108被耦合到第二电压源118的时间量。例如，降压调节器100可以将VOUT 510的电平调整为VIND+(0V)(1-D)，其中D(0和1之间的数字)是VX被耦合到VIN的时间部分。D也称为占空比。消耗电流106的输出负载可以是任何类型的电子设备，包括处理器、存储器 (DRAM、NAND闪存)、RF芯片、WiFi组合芯片和功率放大器。
降压调节器100的效率可以被计算为：
其中PL指示被递送到输出负载106的功率并且PO指示降压调节器108的输出功率。PL可以如下计算：PL＝PO-PLOSS，其中PLOSS包括在电压调节过程期间的功率损耗量。
与降压调节器100相关联的主要功率损耗PLOSS之一包括由电感器108的寄生电阻引起的电阻损耗PR。当降压调节器100通过提供电流112将功率递送到输出负载106时，理想地，降压调节器100将其所有输出功率提供给输出负载 106。然而，在实际情况中，降压调节器100在电感器108处内部地耗散其输出功率的一些。理想地，电感器108具有零电阻。因此，通过电感器108的电流将不耗散任何功率。然而，在实际情况中，主要由于形成电感器108的材料的电阻，电感器108与有限电阻相关联。电感器108的这种不期望的有限电阻被称为寄生电阻。寄生电阻可能引起电阻性功率损耗，这是因为寄生电阻可能导致通过电感器108的电流耗散能量。因此，电阻性功率损耗可降低降压调节器 100的功率转换效率。
当电流交替时，则电阻性功率损耗可以被计算为PR＝IL，RMS 2RL，其中RL是电感器108的寄生电阻值，并且IL,RMS是通过电感器108的电流的均方根。可以通过减小电感器电流(IL,PP 120)的峰-到-峰纹波来减小IL,RMS。因此，降压调节器100可以通过减小电感器电流IL,PP 120的峰-到-峰纹波来减小电阻性损耗 PR。
存在两种方法用于减小电感器电流IL,PP 120的峰-到-峰纹波。第一，降压调节器100可以以高频率切换并减小开关调节器的周期T。然而，此方案可能使在开关114、116之间的结208处对寄生电容进行充电和放电所消耗的功率增大。此电容性功率损耗可能是显著的，这是因为开关114、116的尺寸可能大(其增大了寄生电容)并且因为VX 202上的电压摆幅大。此电容性功率损耗可以如下计算：PC＝fCV2，其中C是结208处的寄生电容量，f是降压调节器100进行切换所处的频率，并且V是结208处的电压摆幅。这种功率损耗可能是显著的，因为开关114、116的尺寸大(其增大了寄生电容)并且因为VX 202上的电压摆幅大。
第二，降压调节器100可以使用具有高电感值的电感器108，从而减小寄生电阻RL。然而，这种方法使得电感器108大并且使得集成困难。
开关调节器还可以包括开关式电容器(SC)调节器。SC调节器可以使用一个或多个电容器(代替电感器)来将电荷从电源传递到输出负载。SC调节器可以使用功率开关以将一个或多个电容器与多个电压中的一个连接/断开，从而提供作为对多个电压的加权平均的输出电压。SC调节器可以通过改变电容器彼此耦合的配置和顺序来控制输出电压。因为电容器比电感器更容易集成在芯片上或封装上，所以更容易实现具有小尺寸的SC IVR。
一种类型的SC调节器是Dickson Star SC调节器。图2中示出了3：1降压 DicksonStar SC调节器(被配置为将输入电压电平除以1/3的降压Dickson Star SC调节器)的示例。与其他SC调节器拓扑相比，Dickson Star SC调节器具有若干优点。第一，与其他SC调节器拓扑诸如阶梯形SC调节器相比，它使用更少的电容器。第二，与其他SC调节器拓扑诸如对并联SC调节器的串联相比，它可以使用具有更低额定电压的晶体管作为开关。第三，与其他SC调节器拓扑诸如对并联SC调节器的串联相比，它可以更容易地缩放到更高的输入电压。
Dickson Star SC调节器200可以包括开关电容器C1FLY 204和C2FLY 206，以及包括多个开关216-228的开关矩阵，多个开关216-228被配置为将开关电容器 C1FLY 204和C2FLY206电耦合到输入电压节点VIN 202、输出电压节点VOUT 208 和接地节点GND 210。输出节点VOUT 208被耦合到输出负载IOUT 212和去耦电容器COUT 214。
图3A-3C示出了Dickson Star SC调节器200的基本操作。如图3C中所示， DicksonStar SC调节器200在状态0(图3A中所示)和状态1(图3B中所示) 之间以占空比D随时间占空循环。占空比(D)的值可以是0和1之间的任何值，并且优选地在0.25和0.75之间。
当开关电容器C1FLY 204和C2FLY 206足够大时，这些开关电容器两端的电压VC1FLY、VC2FLY分别在状态0和状态1之间保持大致恒定。另外，通常大的去耦电容器COUT 214总是被耦合到输出VOUT 208以降低输出上的噪声。因此，输出电压VOUT 208在状态0和状态1中保持大致恒定。基于这些特性，可以导出以下电压关系：
状态0：VOUT 208+VC1FLY＝VC2FLY
状态1：VOUT 208＝VC1FLY
状态1：VOUT 208+VC2FLY＝VIN 202
通过从这些关系中消除VC1FLY和VC2FLY，可以导出以下关系：
VOUT＝(1/3)×VIN
这表明状态0和状态1之间的交替提供了3：1的降压电压调节。这种3：1 降压Dickson Star SC调节器设计可以扩展到N：1降压Dickson Star SC调节器，其中N是大于3的数字。
图35A-35B示出了N：1降压Dickson Star SC调节器的拓扑和操作。N：1 降压Dickson Star SC调节器可以包括电容器矩阵(也称为电容器组(bank))。电容器矩阵可以包括第一电容器子矩阵和第二电容器子矩阵。第一电容器子矩阵中的电容器被称为C(1，j)，其中第一索引“1”指的是“第一”电容器矩阵，并且第二索引“j”指的是第一电容器子矩阵中的第j个电容器。同样地，第二电容器子矩阵中的电容器被称为C(2，j)。在图4A-4B中，第一电容器子矩阵包括M个电容器；并且第二电容子矩阵包括K个电容器。M可以等于floor(N/2)，并且K可以等于floor((N-1)/2)。
N：1降压Dickson-Star SC调节器包括多个开关矩阵。第一开关子矩阵中的开关包括底部四个开关SW1 216、SW2 218、SW3 220、SW4 222。第二开关子矩阵中的开关被称为SW(2，j)，其中索引“j”指的是开关矩阵中的第j个开关。
在图35A-35B中，不管“N”的值如何，第一开关子矩阵中的SW1 216、 SW2 218、SW3220、SW4 222的开关的数量和开关的连接都不改变。第二开关子矩阵包括F数量的开关，并且值F可以等于M+K+1。
SW1 216被连接到VOUT 208和SW2 218的一个端子。SW2 218被连接到 VOUT 208和SW4 222的一个端子。第二开关子矩阵中的所有开关串联连接。例如，SW(2，j)被连接到C(1，p)和C(2，q)的一个端子。值p可以等于 ceiling(j/2)，并且值q可以等于floor(j/2)。SW1216和SW2 218被连接到C (1，p)的另一个端子，而SW3 220和SW4 222被连接到C(1，q)的另一个端子。
通过接通和断开开关矩阵中的开关，N：1降压Dickson-Star SC调节器可以在分别如图35A和图35B中所示的状态0和状态1之间进行占空循环。
图35A-35B示出了N：1降压Dickson Star SC调节器在N：1转换模式下的操作。在状态0中，在第一开关子矩阵中，SW1 216和SW3 220被断开，而SW2 218和SW4 222被接通。在第二开关子矩阵中，所有奇数索引的开关都断开，而所有偶数索引的开关都接通。随后，在状态1中，与状态0相比，所有开关状态都被反转。
这种开关配置的优点是，不管N有多大，所有开关仅具有施加在其两端的至多VOUT208。一个缺点是一些电容器具有施加在其两端的高电压，这需要高电压额定电容器，其可能庞大且昂贵的。在一些实施例中，电容器两端的电压 VC(1,p)和VC(2,q)等于((p-1)×2+1)×VOUT 208和q×2×VOUT 208。因此，这种 Dickson Star配置在低电压开关和高电压电容器可用时是有用的。
虽然Dickson Star SC调节器可以是有用的，但这种设计仍然限于单个转换比(输入电压VIN 202与输出电压VOUT 208之间的比N：1，并且不能有效地调节电压以提供其他转换比)。
使用单转换比SC调节器的一个缺点是输出电压的有限范围。通常，SC调节器的效率可能在不是输入电压的预定分数(例如，1/N)的输出电压处降低。如关于图3A-3C所讨论的，SC调节器通常被优化以在单个转换比下实现高效率。例如，当SC调节器被耦合到提供3.3V的电池时，SC调节器可以被优化以接收 3.3V并提供1.1V的固定输出电压。在这种情况下，SC调节器的效率被优化以提供1.1V的输出电压-当输出电压偏离1.1V时，SC调节器的效率将降低。换句话说，SC调节器可以被优化以在3：1的转换比下提供高效率，并且SC调节器的效率可能随着转换比偏离3：1而降低。这种效率降低是不幸的，因为片上系统(SoC)可以在许多电压电平下操作，并且将期望使用单个SC调节器来适应 SoC中的所有那些电压电平。
支持多个转换比的一种方式是提供各自专用于特定转换比的多个调节器，并且根据哪个转换比需要被支持来启用这些调节器中的仅一个。然而，这需要许多冗余电容器和开关。例如，当3：1调节器被使用时，2：1和1：1调节器的所有开关和电容器保持空闲而不被使用。冗余电容器和开关需要集成电路芯片上的空间资产并增加成本，这两者都是不期望的。
因此，期望的是提供一种可以在多个转换比下实现高效率的单个SC调节器。换句话说，期望的是提供可以针对许多转换比(例如，1/2、1/3、2/3、2/5、 3/5、4/5)之一而被重新配置的单个SC调节器，使得单个SC调节器可以高效率地适应许多输出电压电平中的一个。
本公开示出了可重配置的Dickson Star SC调节器，其可以通过在各种模式之间进行重新配置来支持多个转换比。可重配置的Dickson Star SC调节器被设计为通过跨多个操作模式(跨多个转换比)重用电容器和开关来减少冗余电容器的数量。
在一些实施例中，可重配置的Dickson Star SC调节器包括规律的Dickson StarSC调节器和模式开关矩阵。模式开关矩阵包括被耦合到规律的Dickson Star SC调节器的多个开关。根据所期望的转换比，模式开关矩阵中的一个或多个开关可以被启用以重新配置规律的Dickson Star SC调节器中的电容器的布置。这样，模式开关矩阵能够重新配置规律的固定转换模式Dickson Star SC调节器的转换比。
在一些实施例中，取决于可重配置的Dickson Star SC调节器的重新配置的转换比，规律的固定转换模式Dickson Star SC调节器中的开关可以被不同地控制(与其规律的固定转换模式操作相比)以考虑电容器的重新配置的布置。
在前面的讨论中，N：1可重配置的Dickson Star SC调节器指的是可重配置的Dickson Star SC调节器，其可以被重新配置为提供M：1转换比中的任何一个，其中M是1和N之间的值。
图4示出了根据一些实施例的可以被重新配置以支持多个转换比的示例性可重配置的Dickson Star SC调节器。图4显示了3：1可重配置的Dickson Star SC 调节器400，其可以被重新配置成转换比3：1、2：1、1：1中的一个。3：1可重配置的Dickson Star SC调节器400包括使用框404识别的图2的固定的3：1 Dickson Star SC调节器200，以及包括单个模式开关SW8 402的模式开关矩阵 406。这个额外的模式开关402可以被选择性地操作以将图2的固定的3：1 Dickson Star SC调节器变换为3：1可重配置的Dickson Star SC调节器。
图5-图7分别示出了根据一些实施例的图4中的可重配置调节器针对转换比3：1、2：1、1：1的操作。如图5A-5C中所示，为了在3：1转换模式下操作可重配置的Dickson StarSC调节器400，模式开关SW8 402可以被简单地断开(处于“开”位置)，并且可重配置的调节器400中的固定的3：1Dickson Star SC调节器404可以如图3中的相同方式来操作(多个开关可以进行占空循环以在状态0和状态1之间切换调节器)。
如图6A-6C中所示，为了在2：1转换模式下操作可重配置的Dickson Star SC 调节器400，当固定的3：1调节器404在状态0和状态1之间进行占空循环时，开关SW8 402可以在状态0期间被接通，并且开关SW8 402可以在状态1期间被断开。在某种意义上，这种3：1可重配置的Dickson Star SC调节器在2：1 转换模式下操作，这是因为模式开关SW8 402以并联方式将所有开关电容器 C1FLY 204、C2FLY 206连接在一起并使它们在状态0中作为单个大电容器共同地操作，就如在传统的2：1SC调节器中那样。例如，在传统的2：1SC调节器中，开关电容器或者充当如一个开关电容器那样的被并联连接的若干开关电容器在一个状态中被连接在输入电压和输出电压之间，而在另一个状态中被连接在输出电压和接地之间。通过在这两种状态之间切换，输出电压变为输入电压的一半。图6A-6B中的开关被相应地接通和断开，使得开关电容器表现得如在传统的2：1SC调节器中那样。
如图7A-7C中所示，为了在1：1转换模式下操作可重配置的Dickson Star SC 调节器400，当调节器在状态0和状态1之间进行占空循环时，开关SW8 402 可以在状态0期间被接通，并且开关SW8 402可以在状态1期间被断开。其余开关被相应地接通和断开，使得开关电容器表现得如在传统的1：1SC调节器中那样。例如，在传统的1：1SC调节器中，开关电容器或者充当如一个开关电容器那样的被并联连接的若干开关电容器在一个状态中被连接在输入电压和接地之间，而在另一个状态中被连接在输出电压和接地之间。通过在这两个状态之间切换，输出电压变得类似于输入电压。图7A-7B中的开关被相应地接通和断开，使得开关电容器表现得如在传统的1：1SC调节器中那样。
在一些实施例中，可重配置的Dickson Star SC调节器可以是4：1可重配置的Dickson Star SC调节器。换句话说，可重配置的Dickson Star SC调节器可以被配置为提供以下转换比：4：1、3：1、2：1、3：1中的一个。为了便于对4： 1可重配置的Dickson Star SC调节器的讨论，图8示出了固定的转换比4：1 Dickson Star SC调节器800。与图2中的3：1Dickson Star SC调节器200相比， 4：1Dickson Star SC调节器800具有多一个开关电容器C3FLY 802和多一个开关 SW9 804。
类似于3：1Dickson Star SC调节器200，4：1调节器800在状态0和状态 1之间进行占空循环以提供电压调节。图9A-9C示出了4：1调节器800在状态 0和状态1之间的占空循环。假设开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802 以及去耦电容器COUT 214是大的，则可以针对该两种状态导出以下关系：
状态0：VIN 202＝VC3FLY+VOUT 208
状态0：VC2FLY＝VC1FLY+VOUT 208
状态1：VOUT 208＝VC1FLY
状态1：VC3FLY＝VOUT 208+VC2FLY
其中VC1FLY是第一开关电容器C1FLY 204两端的电压，VC2FLY是第二开关电容器C2FLY206两端的电压，并且VC1FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。这些关系可以被如下重新组织：
VC2FLY＝2×VOUT
VC3FLY＝3×VOUT
VOUT＝(1/4)×VIN
因此，图8中所示的Dickson Star SC调节器作为4：1降压Dickson Star SC调节器来操作。
在一些实施例中，固定转换模式4：1Dickson Star SC调节器可以用模式开关矩阵来增强，以提供4：1可重配置的Dickson Star SC调节器。图10示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器。4：1可重配置的 Dickson Star SC调节器1000包括固定转换模式4：1Dickson Star SC调节器和具有两个模式开关SW10 1002和SW11 1004的模式开关矩阵。模式开关矩阵被设计为重新配置固定转换模式4：1Dickson Star SC调节器800中的电容器的布置，以能够在4：1、3：1、2：1、1：1转换比之间重新配置。
图11A-11C示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在4：1转换模式下的操作。在这种操作模式下，当Dickson Star SC调节器如图11C中所示在状态0和状态1之间进行占空循环时，模式开关SW10 1002和 SW11 1004也被占空循环为提供4：1转换比，表现得类似于SW1 216和SW2 218。例如，在状态0中，第一模式开关SW10 1002被断开(“开”)并且第二模式开关SW11 1004被接通(“闭”)，并且在状态1中，第一模式开关SW101002 被接通(“闭”)并且第二模式开关SW11 1004被断开(“开”)。
假设开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT 214 是大的，则可以针对该两种状态导出以下关系：
状态0：VIN 202＝VC3FLY+VOUT 208
状态0：VC2FLY＝VC1FLY+VOUT 208
状态1：VOUT 208＝VC1FLY
状态1：VC3FLY＝VOUT 208+VC2FLY
其中VC1FLY是第一开关电容器C1FLY 204两端的电压，VC2FLY是第二开关电容器 C2FLY206两端的电压，并且VC1FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。这些关系可以被如下重新组织：
VC2FLY＝2×VOUT
VC3FLY＝3×VOUT
VOUT＝(1/4)×VIN
因此，图11A-11B中所示的可重配置的Dickson Star SC调节器作为4：1降压Dickson Star SC调节器来操作。
图12A-12C示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在3：1转换模式下的操作。在这种操作模式下，当调节器如图12C中所示在状态0和状态1之间进行占空循环时，模式开关SW10 1002和SW11 1004也被占空循环为提供3：1转换比。例如，在状态0中，第一模式开关SW10 1002被接通(“闭”)并且第二模式开关SW11 1004被断开(“开”)，并且在状态1中，第一模式开关SW10 1002被断开(“开”)并且第二模式开关SW111004被接通 (“闭”)。
在某种意义上，这种4：1可重配置Dickson Star SC调节器在3：1转换模式下进行操作的操作类似于图2中的固定转换模式3：1Dickson Star SC调节器 200的操作。例如，开关电容器C2FLY 206和C3FLY 802被并联连接在一起以提供较大的单个电容器，其一起如图2中的C2FLY 206来操作。作为另一个示例，图 12A-12B中的开关电容器C1FLY 204如图2中的C1FLY 204来操作。因此，尽管4： 1可重配置的Dickson Star SC调节器中的电容器数量不同于图2中的固定转换模式3：1Dickson Star SC调节器，但4：1可重配置的Dickson Star SC调节器可以通过使用多个开关对电容器布置的重新配置而在3：1转换模式下操作。
假设开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT 214 是大的，则可以针对该两种状态导出以下关系：
状态0：VC2FLY＝VC3FLY
状态0：VC2FLY＝VC1FLY+VOUT 208
状态1：VOUT 208＝VC1FLY
状态1：VIN 202＝VOUT 208+VC2FLY
其中VC1FLY是第一开关电容器C1FLY 204两端的电压，VC2FLY是第二开关电容器 C2FLY206两端的电压，并且VC1FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。这些关系可以被如下重新组织：
VC2FLY＝2×VOUT 208
VC3FLY＝2×VOUT 208
VOUT＝(1/3)×VIN
因此，图12A-12C中所示的可重配置的Dickson Star SC调节器作为3：1降压Dickson Star SC调节器来操作。
图13A-13C示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在2：1转换模式下的操作。在这种操作模式下，当Dickson Star SC调节器如图13C中所示在状态0和状态1之间进行占空循环时，模式开关SW10 1002和 SW11 1004也被占空循环为提供2：1转换比。例如，在状态0中，第一模式开关SW10 1002被断开(“开”)并且第二模式开关SW111004被接通(“闭”)，并且在状态1中，第一模式开关SW10 1002被接通(“闭”)并且第二模式开关 SW11 1004被断开(“开”)。
在某种意义上，这种4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在2：1转换模式下操作，这是因为调节器将所有三个开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206、C3FLY 802并联连接在一起并使它们作为单个大电容器共同地操作，就如在传统的2： 1SC调节器中那样。例如，在传统的2：1SC调节器中，开关电容器或者充当如一个开关电容器那样的被并联连接的若干开关电容器在一个状态中被连接在输入电压和输出电压之间，而在另一个状态中被连接在输出电压和接地之间。通过在这两种状态之间切换，输出电压变为输入电压的一半。图13A-13B中的开关被相应地接通和断开，使得开关电容器表现得如在传统的2：1SC调节器中那样。
假设开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT 214 是大的，则可以针对该两种状态导出以下关系：
状态0：VC1FLY＝VC2FLY＝VC3FLY＝VIN 202-VOUT 208
状态1：VC1FLY＝VC2FLY＝VC3FLY＝VOUT 208
其中VC1FLY是第一开关电容器C1FLY 204两端的电压，VC2FLY是第二开关电容器 C2FLY206两端的电压，并且VC1FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。这些关系可以被如下重新组织：
VC1FLY＝VOUT
VC2FLY＝VOUT
VC3FLY＝VOUT
VOUT＝(1/2)×VIN
因此，图13A-13C中所示的可重配置的Dickson Star SC调节器作为2：1降压Dickson Star SC调节器来操作。
图14A-14C示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在1：1转换模式下的操作。在这种操作模式下，当Dickson Star SC调节器如图14C中所示在状态0和状态1之间进行占空循环时，模式开关SW10 1002和 SW11 1004不被占空循环。例如，在状态0和状态1两者中，第一模式开关SW10 1002被接通(“闭”)，并且第二模式开关SW111004被断开(“开”)。
在某种意义上，这种4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在1：1转换模式下操作，这是因为调节器将所有三个开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206、C3FLY 802并联连接在一起并使它们作为单个大电容器共同地操作，就如在传统的1： 1SC调节器中那样。例如，在传统的1：1SC调节器中，开关电容器或者充当如一个开关电容器那样的被并联连接的若干开关电容器在一个状态中被连接在输入电压和接地之间，而在另一个状态中被连接在输出电压和接地之间。通过在这两个状态之间切换，输出电压变得类似于输入电压。图14A-14B中的开关被相应地接通和断开，使得开关电容器表现得如在传统的1：1SC调节器中那样。
假设开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT 214 是大的，则可以针对该两种状态导出以下关系：
状态0：VC1FLY＝VC2FLY＝VC3FLY＝VIN 202
状态1：VC1FLY＝VC2FLY＝VC3FLY＝VOUT 208
其中VC1FLY是第一开关电容器C1FLY 204两端的电压，VC2FLY是第二开关电容器 C2FLY206两端的电压，并且VC1FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。这些关系可以被如下重新组织：
VC1FLY＝VOUT
VC2FLY＝VOUT
VC3FLY＝VOUT
VOUT＝VIN
因此，图14A-14C中所示的可重配置的Dickson Star SC调节器作为1：1降压Dickson Star SC调节器来操作。
在一些实施例中，图4中所示的3：1可重配置的Dickson Star SC调节器400 和图10中所示的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器1000可以被扩展到N： 1可重配置的Dickson Star SC调节器，其中N可以是大于一的任何数字。
图15A-15B示出了根据一些实施例的N：1可重配置的Dickson Star SC调节器。
在一些实施例中，N：1可重配置的Dickson Star SC调节器1500可以包括电容器矩阵(也称为电容器组)。电容器矩阵可以包括第一电容器子矩阵和第二电容器子矩阵。第一电容器子矩阵中的电容器被称为C(1，j)，其中第一索引“1”指的是“第一”电容器矩阵，并且第二索引“j”指的是第一电容器子矩阵中的第j个电容器。同样地，第二电容器子矩阵中的电容器被称为C(2，j)。在图15A-15B中，第一电容器子矩阵包括M个电容器；并且第二电容子矩阵包括K个电容器。在一些实施例中，M等于floor(N/2)，并且K等于floor((N-1) /2)。
在一些实施例中，N：1可重配置的Dickson-Star SC调节器1500包括具有第一开关子矩阵、第二开关子矩阵、第三开关子矩阵、第四开关子矩阵和第五开关矩阵的开关矩阵。
第一开关子矩阵中的开关称为SW(1，j)，其中第一索引“1”指的是“第一”开关矩阵，并且第二索引“j”指的是第一开关子矩阵中的第j个开关。同样地，第二开关子矩阵中的开关被称为SW(2，j)；第三开关子矩阵中的开关被称为SW(3，j)；第四开关子矩阵中的开关被称为SW(4，j)；并且第五开关子矩阵中的开关被称为SW(5，j)。
在图15A-15B中，第一开关子矩阵和第二开关子矩阵各自包括M个开关；第三开关子矩阵和第四开关子矩阵各自包括K个开关；并且第五开关子矩阵包括L个开关。在一些实施例中，M等于floor(N/2)；K等于floor((N-1)/2)；并且L等于N。
在一些实施例中，通过接通和断开调节器1500的开关矩阵中的开关，可以使此调节器1500在状态0和状态1之间进行占空循环。
图15A-15B示出了根据一些实施例的N：1可重配置的Dickson Star SC调节器1500在N：1转换模式下的操作。在状态0中，底部左侧处的第一开关子矩阵中的所有开关都被接通，而第二开关子矩阵侧中的所有开关都被断开。另外，第三开关子矩阵中的所有开关都被断开，而第四开关子矩阵中的所有开关都被接通。在第五开关子矩阵中，所有奇数索引的开关都断开，而所有偶数索引的开关都接通。随后，在状态1中，与状态0相比，所有开关状态都被反转。虽然存在额外的开关，包括SW(j，1)、SW(j，2)、SW(j，3)、SW(j，4)，其中j大于1，但电容器拓扑类似于图35中的N：1降压Dickson Star。
为了使N：1可重配置的Dickson-Star SC调节器1500在(N-1)：1转换模式下操作，第一电容器子矩阵中具有最高索引的电容器(C(1，M))和第二电容器子矩阵中具有最高索引的电容器(C(2，K))可以被并联连接在一起以作为单个电容器来操作。这个“单个”电容器可以工作得类似于(N-1)：1固定转换模式Dickson-Star SC调节器中的C(1，M)——其是这样一个Dickson-Star SC 调节器：等同于在没有C(2，K)(其是通过较少开关被连接到VIN202的电容器)和第五开关矩阵中的顶部开关(其是SW(5，L))以及SW(3，K)和SW (4，K)(其是被连接到C(2，K)的两个开关)的情况下的N：1固定转换模式Dickson-Star SC调节器。
为了使N：1可重配置的Dickson-Star SC调节器在(N-2)：1转换模式下操作，通过第五开关子矩阵中最少开关(或者不同地放置)被连接到VIN 202的三个电容器可以被并联连接在一起以如单个电容器那样工作。这三个电容器包括例如第一电容器子矩阵中具有最高索引的一个电容器C(1，M)和第二电容器子矩阵中具有最高索引的两个电容器(C(2，K)、C(2，K-1))。这个“单个”电容器可以工作得类似于(N-2)：1固定转换模式Dickson-Star SC调节器中的C (2，K-1)——其是这样一个Dickson-Star SC调节器：等同于在没有C(1，M) 和C(2，K)以及第五开关矩阵中的顶部两个开关(其是SW(5，L)和SW(5， L-1))和SW(1，M)、SW(2，M)、SW(3，K)、SW(4，K)(其是被连接到C(1，M)和C(2，K)的开关)的情况下的N：1固定转换模式Dickson-Star SC调节器。
更一般地，为了使N：1可重配置的Dickson-Star SC调节器在(N-R)：1 转换模式下操作，通过第五开关子矩阵中的最少开关而被连接到VIN 202的“R+ 1”个电容器可以被并联连接在一起以如单个电容器那样工作，并且犹如操作 (N-R)：1固定转换模式Dickson-StarSC调节器那样来操作其余开关。
在一些实施例中，Dickson Star SC调节器的另一拓扑可以实现转换模式之间的重新配置。图16示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC 调节器。与图8中的固定转换模式4：1Dickson Star SC调节器800相比，图10- 图14中的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器1000具有两个额外的模式开关SW10 1002和SW11 1004。图16示出了不同类型的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器，其在不同位置使用两个额外的模式开关SW12 1602和SW 13 1604。
图17A-17C示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器操作在4：1转换模式下的操作。尽管模式开关的位置略有不同，但状态0和状态1中的电容器拓扑与图11A-11B中的调节器1000相同。因此，图17A-17B 中的状态0和状态1中的电容器两端的电压之间的关系与图11A-11B中的状态0 和状态1中的电容器两端的电压之间的关系相同。如图11A-11B中所示，假设开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT214是大的，则可以针对该两种状态导出以下关系：
状态0：VIN 202＝VC3FLY+VOUT 208
状态0：VC2FLY＝VC1FLY+VOUT 208
状态1：VOUT 208＝VC1FLY
状态1：VC3FLY＝VOUT 208+VC2FLY
其中VC1FLY是第一开关电容器C1FLY 204两端的电压，VC2FLY是第二开关电容器 C2FLY206两端的电压，并且VC1FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。这些关系可以被如下重新组织：
VC2FLY＝2×VOUT
VC3FLY＝3×VOUT
VOUT＝(1/4)×VIN
因此，图17A-17B中所示的可重配置的Dickson Star SC调节器作为4：1降压Dickson Star SC调节器来操作。
图18A-18C示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在3：1转换模式下的操作。3：1转换模式下的操作原理类似于图2中所示的 3：1SC调节器。开关电容器C1FLY 204和C3FLY 802被并联连接在一起以作为类似于图2中的电容器C1FLY 204的单个大电容器来操作。图18A-18B中的开关电容器C2FLY 206以与图2中的C2FLY 206类似的方式操作。
假设开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT 214 是大的，则可以针对该两种状态导出以下关系：
状态0：VC2FLY＝VC3FLY
状态0：VC2FLY＝VC1FLY+VOUT 208
状态1：VOUT 208＝VC1FLY
状态1：VIN 202＝VOUT 208+VC2FLY
其中VC1FLY是第一开关电容器C1FLY 204两端的电压，VC2FLY是第二开关电容器 C2FLY206两端的电压，并且VC1FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。这些关系可以被如下重新组织：
VC2FLY＝2×VOUT 208
VC3FLY＝2×VOUT 208
VOUT＝(1/3)×VIN
因此，图18A-18C中所示的可重配置的Dickson Star SC调节器作为3：1降压Dickson Star SC调节器来操作。
图19A-19C示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在当工作在2：1模式下的操作。基本原理类似于图13A-13B中所示的4：1 可重配置的DicksonStar SC调节器。开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206、C3FLY 802 被并联连接以如单个大电容器那样工作，就像电容器C1FLY 204、C2FLY 206、C3FLY 802被并联连接以如图13A-13B中的单个大电容器那样工作。
假设开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT 214 是大的，则可以针对该两种状态导出以下关系：
状态0：VC1FLY＝VC2FLY＝VC3FLY＝VIN 202-VOUT 208
状态1：VC1FLY＝VC2FLY＝VC3FLY＝VOUT 208
其中VC1FLY是第一开关电容器C1FLY 204两端的电压，VC2FLY是第二开关电容器 C2FLY206两端的电压，并且VC1FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。这些关系可以被如下重新组织：
VC1FLY＝VOUT
VC2FLY＝VOUT
VC3FLY＝VOUT
VOUT＝(1/2)×VIN
因此，图19A-19C中所示的可重配置的Dickson Star SC调节器作为2：1降压Dickson Star SC调节器来操作。
图20A-20C示出了根据一些实施例的4：1可重配置的Dickson Star SC调节器在当工作在1：1模式下的操作。开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206、C3FLY 802 被并联连接以如单个大电容器那样工作，就像电容器C1FLY 204、C2FLY 206、C3FLY 802被并联连接以如图14A-14B中的单个大电容器那样工作。
假设开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT 214 是大的，则可以针对该两种状态导出以下关系：
状态0：VC1FLY＝VC2FLY＝VC3FLY＝VIN 202
状态1：VC1FLY＝VC2FLY＝VC3FLY＝VOUT 208
其中VC1FLY是第一开关电容器C1FLY 204两端的电压，VC2FLY是第二开关电容器 C2FLY206两端的电压，并且VC1FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。这些关系可以被如下重新组织：
VC1FLY＝VOUT
VC2FLY＝VOUT
VC3FLY＝VOUT
VOUT＝VIN
因此，图14A-14C中所示的可重配置的Dickson Star SC调节器作为1：1降压Dickson Star SC调节器来操作。
图10-图14中的调节器和图16-图20中的调节器使用具有位于不同位置的开关的模式开关矩阵，但最终的电容器布置是相同的。因此，可重配置的调节器1000在功能上与可重配置的调节器1600相同。
在一些实施例中，4：1可重配置的调节器1600可以被推广以提供N：1可重配置的调节器，其中N大于1。图21A-21C示出了根据一些实施例操作的N： 1可重配置的Dickson-StarSC调节器。
N：1可重配置的Dickson-Star SC调节器2100还可以包括电容器矩阵。电容器矩阵可以包括第一电容器子矩阵和第二电容器子矩阵。第一电容器子矩阵中的电容器被称为C(1，j)，其中第一索引“1”指的是“第一”电容器矩阵，并且第二索引“j”指的是第一电容器子矩阵中的第j个电容器。同样地，第二电容器子矩阵中的电容器被称为C(2，j)。在图21A-21B中，第一电容器子矩阵包括M个电容器；并且第二电容子矩阵包括K个电容器。在一些实施例中， M等于floor(N/2)，并且K等于floor((N-1)/2)。
在一些实施例中，N：1可重配置的Dickson-Star SC调节器2100包括具有第一开关子矩阵、第二开关子矩阵和第三开关子矩阵的开关矩阵。这些矩阵中的每一个中的开关被串联布置在输入电压VIN 202和GND 210之间。
第一开关子矩阵中的开关称为SW(1，j)，其中第一索引“1”指的是“第一”开关矩阵，并且第二索引“j”指的是第一开关子矩阵中的第j个开关。同样地，第二开关子矩阵中的开关被称为SW(2，j)，并且第三开关子矩阵中的开关被称为SW(3，j)。在图21A-21B中，第一开关子矩阵包括E个开关；第二开关子矩阵包括D个开关；并且第三开关子矩阵包括F个开关。在一些实施例中，E等于2×ceiling(N/2)-1；D等于floor(N/2)；并且F等于N。
在一些实施例中，第一开关子矩阵中的开关连接第一电容器子矩阵中的两个电容器。例如，C(1，p)和C(1，p+1)通过SW(1，p)进行连接。类似地，第二开关子矩阵中的开关连接第二电容器子矩阵中的两个电容器。例如，C (2，p)和C(2，p+1)通过SW(2，p)进行连接。第三开关子矩阵中的开关将第一电容器子矩阵中的电容器连接到第二电容器子矩阵中的电容器。例如， C(1，p)和C(2，p)通过SW(3，2×p)进行连接，并且C(1，p+1)和 C(2，p)通过SW(3，2×p+1)进行连接。
在一些实施例中，通过接通和断开调节器2100的开关矩阵中的开关，可以使此调节器2100在状态0和状态1之间进行占空循环。
图21A-21B示出了根据一些实施例的N：1可重配置的Dickson Star SC调节器2100在N：1转换模式下的操作。在状态0中，在第三开关子矩阵中，所有奇数索引的开关都断开，而所有偶数索引的开关都接通。随后，在状态1中，与状态0相比，第三开关子矩阵中的所有开关状态都被反转。在状态0和状态1 两者中，第一开关子矩阵中的所有开关和第二开关子矩阵侧中的所有开关都被断开。虽然存在包括第一开关矩阵和第二开关矩阵的额外的开关，但由于所有那些开关都被断开，所以电容器拓扑类似于图35中的N：1降压DicksonStar。
为了使N：1可重配置的Dickson-Star SC调节器2100在(N-1)：1转换模式下操作，通过第三开关子矩阵中的最少的开关(或换句话说，最靠近输入端子)连接到VIN 202的电容器(其是图21A-21B中的C(2，K))和处于相同矩阵中但具有低一位索引的电容器(其是图21A-21B中的C(2，K-1))可以被并联连接在一起以作为单个电容器来操作。为了保持两个电容器连接成“单个”电容器，SW(2，D)在状态0和状态1中始终接通。这个“单个”电容器可以工作得类似于(N-1)：1固定转换模式Dickson-Star SC调节器中的C(1，M) ——其是这样一个Dickson-Star SC调节器：等同于在没有C(2，K)和SW(3， F)的情况下的N：1固定转换模式Dickson-Star SC调节器。由于C(2，K)不再独立存在(或与C(2，K-1)一起工作)，因此SW(3，F-1)在状态0和状态1两者中都被断开。C(1，M)用作顶部电容器，因此SW(1，E)用作顶部开关，并且SW(3，F)在状态0和状态1两者中都被断开。总之，SW(2，D) 在状态0和状态1中始终接通，SW(3，F-1)和SW(3，F)在状态0和状态 1中始终断开，并且SW(1，E)分别在状态0和状态1中接通和断开。
为了使N：1可重配置的Dickson-Star SC调节器在(N-2)：1转换模式下操作，通过最少的开关被连接到VIN 202的三个电容器可以被并联连接在一起以如单个电容器那样工作。在图21A-21B中，这三个电容器是C(2，K)、C(1，M) 和C(2，K-1)。这个“单个”电容器可以工作得类似于(N-2)：1固定转换模式Dickson-Star SC调节器中的C(2，K-1)——其是以下这样一个Dickson-Star SC调节器：等同于在没有C(2，K)、C(1，M)、SW(3，F)、SW(F-1)的情况下的N：1固定转换模式Dickson-Star SC调节器。为了保持三个电容器连接为“单个”电容器，SW(2，D)、SW(3，E-1)在状态0和状态1中始终接通。由于C(2，K)和C(1，M)不再独立存在，因此SW(3，F-1)和SW(3， F-2)在状态0和状态1两者中都被断开。C(2，K-1)用作顶部电容，因此SW (3，F)用作顶部开关，并且SW(1，E)在状态0和状态1两者中都被断开。总之，SW(2，D)和SW(1，E-1)在状态0和状态1中始终接通，SW(3， F-1)、SW(3，F-2)、SW(1，E)在状态0和状态1中始终断开，并且SW(3， F)分别在状态0和状态1中断开和接通。
更一般地，为了使N：1可重配置的Dickson-Star SC调节器在(N-R)：1 转换模式下操作，通过第三开关子矩阵中的最少开关而被连接到VIN 202的“R+ 1”个电容器可以被并联连接在一起以如单个电容器那样工作，并且犹如操作 (N-R)：1固定转换模式Dickson-StarSC调节器那样来操作其余开关。
在一些实施例中，控制模块被配置为执行以下开关操作以使N：1可重配置的Dickson-Star SC调节器在(N-R)：1转换模式下操作。控制模块被配置为接通第一矩阵和第二矩阵中的顶部“R”个开关(例如，最靠近输入电压端子的R 个开关，或换句话说，在它们和输入电压端子之间具有最少数量的开关的R个开关)，不包括第一开关子矩阵中被直接连接到输入电压端子的顶部开关SW(1， E)。当第一开关子矩阵中的第一开关和第二开关子矩阵中的第二开关在它们与输入电压端子之间具有相同数量的开关并且它们中的仅一个可以被包括在R个开关集合中时，则第二开关子矩阵中的第二开关将被选择。例如，如果R等于3，则SW(2，D)、SW(1，E-1)、SW(2，D-1)被选择作为最靠近输入电压端子的“3”个开关。控制模块被配置为保持R开关在状态0和状态1两者中接通以将顶部3个电容器并联连接。
而且，控制模块被配置为断开第三开关矩阵中的顶部“R”个开关(例如，最靠近输入电压端子的R个开关，或换句话说，在它们和输入电压端子之间具有最少数量的开关的R个开关)，不包括第三开关子矩阵中被连接到输入电压端子的顶部开关SW(3，F)。例如，如果R等于3，则SW(3，F-1)、SW(3， F-2)、SW(3，F-3)在状态0和状态1中始终断开。
而且，当R是奇数时，控制模块被配置为断开第三开关子矩阵中的顶部开关SW(3，F)并使第一开关子矩阵中的顶部开关SW(1，E)操作为犹如第一开关子矩阵中的顶部开关SW(1，E)是第三开关子矩阵的顶部开关。
在一些实施例中，当R是偶数时，控制模块被配置为断开第一开关子矩阵中的顶部开关SW(1，E)并使第三开关子矩阵中的顶部开关SW(3，F)操作为犹如第三开关子矩阵中的顶部开关SW(3，F)是第一开关子矩阵的顶部开关。
在一些实施例中，该顶部开关的状态与第三开关矩阵中并非总是断开的最顶部开关相比被反转。例如，如果R等于3，由于R是奇数，因此SW(3，F) 被断开。而且，SW(3，F-1)、SW(3，F-2)、SW(3，F-3)始终断开。因此，顶部开关(其为SW(1，E))处于与SW(3，F-4)相比被反转的状态，该SW (3，F-4)是第三开关矩阵中并非总是断开的最顶部开关。
在一些实施例中，可重配置的Dickson-Star SC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以多个交错相位操作(例如，在单个周期内以时间交错的方式)，并且可重配置的Dickson-Star SC调节器可以被用于以交错相位之一提供输出电压。例如，电压调节器系统可以包括各自分别操作0 度、120度、240度异相的三个可重配置的Dickson-Star SC调节器。
在一些实施例中，可重配置的Dickson-Star SC调节器可以被用于各种应用，包括功率管理集成电路(PMIC)、电池充电器、LED驱动器、包络跟踪功率放大器。
在一些实施例中，开关电容器(例如，C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802) 的电容可以被设置为与可重配置的Dickson-Star SC调节器的输出电流成比例。例如，取决于目标功率效率，开关电容器的电容可以在0.1nF/mA和100nF/mA 的范围内。可重配置的Dickson-Star SC调节器可以通过使用较大的电容值来提高其效率。
在一些实施例中，可重配置的Dickson-Star SC调节器可以以反转配置操作 (例如，可重配置的Dickson-Star SC调节器的输入节点和输出节点被切换)。可重配置的Dickson-Star SC调节器的操作方向可以被灵活地修改以适应被耦合到可重配置的Dickson-Star SC调节器的输入节点和输出节点的各种类型的输入电压源和输出负载。
在一些实施例中，可重配置的Dickson-Star SC调节器可以以反方向(reversedirection)操作以将其作为升压调节器来操作。例如，可重配置的Dickson-Star SC 调节器的输入节点可以被耦合到目标负载(例如，芯片)，并且可重配置的 Dickson-Star SC调节器的输出节点可以被耦合到输入电压源(例如，电池)。
图22-图24示出了根据一些实施例的升压可重配置的Dickson-Star SC调节器。调节器2200是升压可重配置的1：3Dickson-Star SC调节器；调节器2300 是升压可重配置的1：4Dickson-Star SC调节器；并且调节器2400是升压可重配置的1：4Dickson-Star SC调节器。图22-24中的升压可重配置的Dickson-Star SC调节器分别类似于图6、图10和图16中的降压调节器，除了VIN 202和VOUT 208的位置被交换并且VIN 202低于VOUT 208之外。
在一些实施例中，可重配置的Dickson-Star SC调节器可以以反方向操作以将其作为电池充电器来操作。例如，可重配置的Dickson-Star SC调节器的输入节点可以被耦合到电源，例如，通用串行总线(USB)的电源线，并且可重配置的Dickson-Star SC调节器的输出节点可以被耦合到电池，使得可重配置的 Dickson-Star SC调节器的输出电压和输出电流被用于对电池充电。
在一些实施例中，可重配置的Dickson-Star SC调节器在对手持设备中的电池进行充电方面可以特别有用。手持设备(诸如智能手机)可以使用锂离子(Li-Ion)电池，其被配置为取决于电池是否被充电来提供大约2.8-4.3V范围内的电压输出(例如，满充电时为4.3V，完全放电时为2.8V)。手持设备中的锂离子电池可以使用通用串行总线(USB)来充电。当前版本的USB电源线使用 5V(并且将来版本的USB可能使用更高的电压)，其高于锂离子电池的电压输出。因此，来自USB电源线的电压在其被用于对锂离子电池充电之前应该被降低。为此，可重配置的Dickson-Star SC调节器可以被配置为从USB接收电源线电压(和电流)，并将降低版本的电源线电压(和电流)提供给锂离子电池，使得锂离子电池可以基于来自USB的电压和电流来进行充电。
在一些实施例中，使用USB电源线对电池充电的上述配置可以被反转用作 USBOn-The-Go(OTG)，其中第一设备中的电池可以通过USB向第二设备递送功率以对第二设备充电。在这种情况下，第一设备中的电池被配置为通过USB 向第二设备中的电池递送电流。虽然第一设备中电池的输出电压可能低于USB 电源线电压，但可重配置的Dickson-StarSC调节器可以以升压配置来操作，以将电池的输出电压升高到USB电源线的电压。这样，第一设备中的电池可以通过USB电源线对第二设备中的电池充电。
在一些实施例中，SC调节器(诸如可重配置的Dickson-Star SC调节器)可以结合另一个电压调节器来操作以提供两级电压调节。图25示出了根据一些实施例的其中SC调节器提供第一级电压调节的两级电压调节系统。图25包括调节器2502和第二级电压调节器2504。SC调节器2502可以是任何类型的SC调节器，包括例如本文公开的可重配置的Dickson-Star SC调节器中的一个。在一些实施例中，第二级电压调节器2504可以包括降压调节器、SC调节器、线性调节器和/或能够提供电压调节的任何类型的电压调节器中的一个或多个。
在一些实施例中，SC调节器2502可以被操作为提供输出电压，在该输出电压下SC调节器2502可以提供高效率，并且随后使用第二级调节器2504来调节SC调节器2502的输出电压。
例如，可重配置的Dickson-Star SC调节器2502可以将输入电压202转换为 VTMP2506，其是输入电压202的一部分，在其处可重配置的Dickson-Star SC调节器2502可以提供高效率。例如，VTMP 2506可以是VIN/N，其中N是降压比。然后，第二级电压调节器2504可以接收VTMP 2506并对其进行调节以提供VOUT 208。
图26A示出了根据一些实施例的其中第二级调节器是降压转换器的图25的实施例。这里，VTMP 2506由降压转换器100使用多个功率开关114、116和一个或多个电感器108以精细步长进行调节。图26B示出了调节器中的信号的时序图。
图25-图26中所示的两级调节器(也称为混合调节器)依赖于以下事实： SC调节器擅长跨预定分数值进行分压，以及第二级调节器(诸如降压调节器) 可擅长以精细步长跨输出电压的宽范围进行调节。例如，在12V-到-1V降压调节器中，可重配置的Dickson-StarSC调节器2502可以在VIN 202处接收12V并提供1/6降压，从而在VTMP 2506处提供2V。随后，降压调节器100可以提供后续调节以将2V调节到1V。由于此两级调节器将降压调节器100的内部节点 VX处的电压摆幅减小到VTMP 2506(其可以基本上小于VIN 202)，因此这种拓扑可以减小由于结122处的寄生电容造成的降压调节器100中的电容性功率损耗。
图27示出了根据一些实施例的其中SC调节器提供第二级电压调节的两级电压调节系统。图27包括第一级电压调节器2702和SC调节器2704。SC调节器2704可以是任何类型的SC调节器，包括例如本文公开的可重配置的 Dickson-Star SC调节器之一。在一些实施例中，第一级电压调节器2702可以包括降压调节器、SC调节器、线性调节器和/或能够提供电压调节的任何类型的电压调节器中的一个或多个。
在图27中，第一级调节器2702接收输入电压VIN 202，并将其作为输出VTMP 2706提供给SC调节器2704。SC调节器2704随后可以将VTMP 2706降压到期望的输出电压208。
当第一级调节器2702是开关式电感器调节器时，图27的两级电压调节系统可以通过以高开关频率操作开关式电感器调节器且以少量电流流过电感器来减小开关式电感器调节器的电感器电阻性损耗。即使利用具有低电感的小电感器，这种方法也可以减小开关式电感器调节器的电阻性损耗。此外，这种拓扑还可以通过限制开关两端的电压摆动来减小开关式电感器调节器的电容性损耗 (CV2f损耗)。
在一些实施例中，第一级调节器2702可仅包括电感器。图28A示出了根据一些实施例的其中第一级调节器由电感器单独组成的两级电压调节器。图28B 示出了根据一些实施例的图28A的两级电压调节器中的信号的时序图。这里，第一级调节器是单个电感器2802。电感器2802的一个端子被耦合到输入电压 VIN 202，并且电感器2802的另一个端子被耦合到SC调节器2704的输入。至 SC调节器2704的输入电压被称为VTMP 2706。
在一些实施例中，SC调节器2704的输入电压VTMP 2706被连接到SC调节器2704中的开关电容器CFLY 2804的板中的一个。当SC调节器2704在状态0 和状态1之间切换时(参见例如图3A-3B)，开关电容器CFLY 2804的顶板上的电压电位VTMP 2706在两个电压V1和V2之间切换。基于此操作，可以导出以下关系：
VIN 202＝V1D+V2(1-D)
V1和V2的值由SC调节器2704和VOUT 208的转换比设定。因此，可以基于占空比D和SC调节器2704的转换比精细地控制VIN 202和VOUT 208之间的转换比。图28中的两级调节器的优点在于，可以仅提供整数比转换模式的单级 SC调节器2704可以仅通过添加单个电感器2802而被转换成能够提供非整数比转换模式的两级调节器。
在一些实施例中，两级调节器可以具有旁路开关SWI 2806，其被配置为使第一级调节器中的电感器2802短路。旁路开关SWI 2806允许第一级调节器在不需要其操作的情况下被断开。
图29A-29B示出了根据一些实施例的其中SC调节器2704是4：1Dickson Star开关式电容器(SC)调节器800的图28中的两级调节器的操作。
在一些实施例中，第二级4：1调节器800在状态0和状态1之间进行占空循环以提供电压调节，这也示出在图9A-9B中。假设开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT 214是大的，则可以针对该两种状态导出以下关系：
状态0：VTMP 2706＝VC3FLY+VOUT 208
状态0：VC2FLY＝VC1FLY+VOUT 208
状态1：VOUT 208＝VC1FLY
状态1：VC3FLY＝VOUT 208+VC2FLY
其中VC1FLY是第一开关电容器C1FLY 204两端的电压，VC2FLY是第二开关电容器 C2FLY206两端的电压，并且VC1FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。这些关系可以被如下重新组织：
VC2FLY＝2×VOUT
VC3FLY＝3×VOUT
VOUT＝(1/4)×VTMP
因此，第二级SC调节器作为4：1降压调节器来操作，并且VTMP 2706在状态0 和状态1中在3×VOUT和4×VOUT之间摆动。图30中示出了第二级调节器的占空循环以及VTMP 2706的电压摆动。
由于VTMP 2706在3×VOUT和4×VOUT之间摆动，因此这个电压摆动由电感器 2802调节，以提供以下关系：
VIN 202＝(3×VOUT)D+(4×VOUT)(1-D)＝(4-D)×VOUT
其中D是0和1之间的值，并且优选地在0.25和0.75之间。换句话说，图29 中的两级调节器允许以下电压关系：
VOUT＝(1/(4-D))VIN
因此，电压调节器控制系统可以控制0和1之间的占空比D，以在整数转换比之外精细微调VIN 202和VOUT 208之间的关系。在某种意义上，图28中的第一级调节器和第二级调节器具有相同的占空比D。
图31示出了根据一些实施例的其中第二级调节器是多相电压调节器的两级电压调节系统。第二级调节器中的多相电压调节器允许第一级调节器和第二级调节器使用独立的占空比。这在一些情况下可以是有益的，因为SC调节器的效率在SC调节器的占空比偏离0.5时可能降低。通过允许第一级调节器和第二级调节器具有独立的占空比，第二级调节器可以以高效率水平(例如，接近0.5的占空比)操作，而不管电压调节系统的期望输出电压如何。
如图31中所示，在一些实施例中，第二级SC调节器具有两个4：1SC调节器模块SC_ph0 3102和SC_ph1 3104，其中SC_ph0 3102和SC_ph1 3104以它们自己的相位操作。在一些实施例中，两个SC调节器模块可以180度异相。根据一些实施例，SC_ph0 3102和SC_ph13104之间的相位关系被示出在图32中。在图32中，两个4：1SC调节器模块以0.5的占空比工作，从而实现高效率。
虽然两个4：1SC调节器模块以0.5的占空比操作，但第一级调节器中的开关式电感器调节器的占空比可以被独立地控制。特别地，开关式电感器调节器可以通过以占空比D异相地切换开关SW9 804和SW17 3126而具有其自己的占空比D，而不管两个4：1SC调节器模块的占空比如何。
例如，当模块SC_ph0 3102和SC_ph1 3104两者都以0.5的占空比操作时， C3FLY802和C6FLY 3110的顶板上的电压V1 3130和V2 3132以0.5的占空比在3 ×VOUT 208和4×VOUT 208之间摆动，如图32的波形中所示。由于在任何给定时间C3FLY 802和C6FLY 3110的顶板处的电压V1 3130和V2 3132在3×VOUT 208 和4×VOUT 208之间摆动，因此开关SW9 804和SW17 3126可以以占空比D接通和断开(异相)，从而以占空比D将VTMP 2706连接到3×VOUT208或4×VOUT 208，如图32中所示。这允许第一级调节器以占空比D操作，而第二级调节器(包括两个4：1SC调节器模块SC_ph0 3102和SC_ph1 3104)以0.5的占空比操作，从而提高了第二级调节器的操作效率。
当开关SW9 804和SW17 3126以占空比D进行占空循环时，一个特定SC 模块被使用的时间量可以取决于占空比D。例如，在图32中，占空比D小于0.5。因此，第一SC模块3102被使用少于时间的50％，而第二SC模块3104 被使用超过时间的50％。在极端情况下，一个SC模块可以被使用时间的100％，而另一个SC模块被使用时间的0％。为了适应这种极端情况，两个SC模块3102、 3104中的所有开关和电容器的尺寸可能需要足够大，使得单个SC模块可以递送最大所需输出功率-犹如另一个SC模块不存在一样。
在一些实施例中，开关SW9 804和SW17 3126可以被控制为使得在维持第一级调节器的占空比的同时每个开关SW9 804和SW17 3126被接通相同的时间量。这样，多相调节器(第二级调节器)中的SC模块被使用相同的时间量而不管第一级调节器的占空比如何。这与单个SC模块需要能够递送最大所需输出功率的情况相比，允许SC模块中的开关和电容器的尺寸大约为一半。
图33示出了根据一些实施例的开关的控制序列，其允许维持第一级调节器的占空比的同时每个开关SW9 804和SW17 3126被接通相同的时间量。在给定时段中，在保持第二开关SW17 3126断开的同时第一开关SW9 804被接通时间的50％，并且在保持第一开关SW9804断开的同时第二开关SW17 3126被接通时间的50％。然而，该时段开始所处的时间实例被确定为使得电压VTMP 2706 以占空比D在3×VOUT和4×VOUT之间摆动。
例如，当SW9 804被接通并且SW17被断开时，电压VTMP 2706被耦合到 V1 3130，并且当SW9 804被断开并且SW17被接通时，电压VTMP 2706被耦合到V2 3132。因此，通过使时间实例3302移位，可以控制在其期间VTMP 2706 处于4×VOUT的占空比D。例如，当使时间实例3302向右移位时，占空比D将按比例增大；当使时间实例3302向左移位时，占空比D将按比例减小。这种配置的一个额外益处是VTMP 2706以开关式电感器调节器和开关式电容器调节器的频率的两倍进行切换。此特征可以使能够在不引起额外的开关损耗的情况下使用较小的电感器3302。
尽管使用了可重配置的Dickson Star调节器来说明第二级调节器，但是其他类型的SC调节器可以被用于图27-图29和图31中的第二级调节器。例如，第二级调节器可以包括阶梯形SC调节器、可重配置的梯形SC调节器、串联-到- 并联SC调节器、可重配置的串联-到-并联调节器和/或任何其他类型的SC调节器。
在一些实施例中，两级调节器可被用于各种应用，包括功率管理集成电路(PMIC)、电池充电器、LED驱动器、包络跟踪功率放大器。
在一些实施例中，开关式电容器调节器的电容可以设定为与两级调节器的输出电流成比例。例如，取决于目标功率效率，开关式电容器调节器的电容可以在0.1nF/mA和100nF/mA的范围内。两级调节器可以通过使用较大的电容值来提高其效率。
在一些实施例中，两级调节器可以以反方向操作以将其作为升压调节器来操作。例如，两级调节器的输入节点可以被耦合到目标负载(例如，芯片)，并且两级调节器的输出节点可以被耦合到输入电压源(例如，电池)。
在一些实施例中，两级调节器可以以反方向操作以将其作为电池充电器来操作。例如，两级调节器的输入节点可以被耦合到功率源(例如，通用串行总线(USB)的电源线)，并且两级调节器的输出节点可以被耦合到电池。
所公开的两级调节器的各种实施例可以被用作电池操作的设备中的电池充电器。例如，两级调节器的输出节点可以被耦合到电池，使得两级调节器的输出电压和输出电流被用于对电池充电。
两级调节器在对手持设备中的电池进行充电方面可以特别有用。手持设备 (诸如智能手机)可以使用锂离子(Li-Ion)电池，其被配置为取决于电池是否充电来提供大约2.8-4.3V范围内的电压输出(例如，满充电时为4.3V，完全放电时为2.8V)。手持设备中的锂离子电池可以使用通用串行总线(USB)来充电。当前版本的USB电源线使用5V(并且将来版本的USB可能使用更高的电压)，其高于锂离子电池的电压输出。因此，来自USB电源线的电压在其被用于对锂离子电池充电之前应该被降低。为此，两级调节器可以被配置为从USB接收电源线电压和电流，并将降低版本的电源线电压和电流提供给锂离子电池，使得锂离子电池可以基于来自USB的电压和电流来进行充电。
在一些实施例中，使用USB电源线对电池充电的上述配置可以被反转用作 USBOn-The-Go(OTG)，其中第一设备中的电池可以通过USB向第二设备递送功率以对第二设备充电。在这种情况下，第一设备中的电池被配置为通过USB 向第二设备中的电池递送电流。虽然第一设备中电池的输出电压可能低于USB 电源线电压，但的两级调节器可以以升压配置来操作，以将电池的输出电压升高到USB电源线的电压。这样，第一设备中的电池可以通过USB电源线对第二设备中的电池充电。
图34是根据一些实施例的包括电压调节系统的计算设备的框图。计算设备 3400包括处理器3402、存储器3404、一个或多个接口3406、加速器3408和电压调节器系统3410。计算设备3400可以包括执行任何合适的操作或操作组合的额外的模块、更少的模块或任何其他合适的模块组合。
在一些实施例中，加速器3408可以使用专用集成电路(ASIC)以硬件来实施。加速器3408可以是片上系统(SOC)的一部分。在其他实施例中，加速器 3408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来实施。在一些情况下，加速器3408可以被封装在与其他集成电路相同的封装中。
在一些实施例中，电压调节器系统3410可以被配置为向处理器3402、存储器3404和/或加速器3408中的一个或多个提供电源电压。电压调节器系统3410 可以包括一个或多个电压调节器(VR)模块3412-1...3412-N。在一些实施例中， VR模块3412-1...3412-N中的一个或多个可以是可重配置的Dickson-Star SC调节器，例如，如图4、图10和图16中所公开的。在一些实施例中，VR模块3412-1... 3412-N中的一个或多个可以是两级调节器，例如，如图27-图29、图31中所公开的。一个或多个VR模块3412-1...3412-N可以以多个交错相位操作。
在一些实施例中，电压调节器系统3410可以包括开关控制模块，其被配置为控制一个或多个VR模块3412-1...3412-N中的开关配置。例如，当开关控制模块接收到在3：1转换模式下操作3：1可重配置的Dickson Star SC调节器的指令时，开关控制模块可以被配置为控制开关矩阵216-228和模式开关SW8 402 以在3：1转换模式下操作可重配置的DicksonStar SC调节器，如图5A-5C中所示。作为另一示例，当开关控制模块接收到在2：1转换模式下操作3：1可重配置的Dickson Star SC调节器的指令时，开关控制模块可以被配置为控制开关矩阵216-228和模式开关SW8 402以在2：1转换模式下操作可重配置的Dickson StarSC调节器，如图6A-6C中所示。在一些实施例中，可以使用硬件编程语言来合成开关控制模块。硬件编程语言可以包括Verilog、VHDL、Bluespec或任何其他合适的硬件编程语言。在其他实施例中，开关控制模块可以被手动地设计并且可以被手动地布置在芯片上。
计算设备3400可以经由接口3406与其他计算设备(未示出)通信。接口 3406可以以硬件来实施，以在各种介质(诸如光、铜和无线)中和许多不同协议(其中一些可以是非暂时性的)中发送和接收信号。
在一些实施例中，计算设备3400可以包括用户设备。用户设备可以与一个或多个无线电接入网络和与有线通信网络通信。用户设备可以是具有电话通信能力的蜂窝电话。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、操作系统和全键盘的智能电话。用户设备也可以是提供网络访问以及由智能电话提供的大多数服务的平板电脑。用户设备使用诸如Symbian OS、 iPhone OS、RIM的Blackberry、Windows Mobile、Linux、HP WebOS、Tizen、 Android或任何其他合适的操作系统的操作系统来操作。屏幕可以是用于向移动设备输入数据的触摸屏，在这种情况下，代替全键盘可以使用屏幕。用户设备还可以保持全球定位坐标、简档信息或其他位置信息。用户设备也可以是可穿戴电子设备。
计算设备3400还可以包括能够进行计算和通信的任何平台。非限制性示例包括电视(TV)、视频投影仪、机顶盒或机顶盒单元、数字视频录像机(DVR)、计算机、上网本、膝上型电脑以及具有计算能力的任何其他音频/视频设备。计算设备3400可以配置有一个或多个处理器，其处理指令并运行可以被存储在存储器中的软件。处理器还与存储器和接口通信以与其他设备通信。处理器可以是任何适用的处理器，诸如组合CPU、应用处理器和闪存的片上系统。计算设备3400还可以提供各种用户接口，诸如键盘、触摸屏、轨迹球、触摸板和/或鼠标。在一些实施例中，计算设备3400还可以包括扬声器和显示设备。计算设备 3400还可以包括生物医学电子设备。
要理解的是，所公开主题在其应用方面不限于在以下描述中阐述的或附图中示出的构造的细节以及组件的布置。所公开主题能够具有其他实施例并且能够以各种方式实践和执行。而且，要理解的是，本文采用的措辞和术语是为了描述的目的，而不应该被认为是限制性的。
这样，本领域技术人员将理解的是，此公开所基于的概念可以容易地用作设计用于执行所公开主题的若干目的的其他结构、装置、系统和方法的基础。因此，重要的是，权利要求被认为包括这样的等价构造，只要它们不脱离所公开主题的精神和范围。
尽管已经在前述示例性实施例中描述和说明了所公开主题，但要理解的是，本公开已仅通过示例的方式做出，并且可以在不脱离所公开主题的精神和范围的情况下对所公开主题的实施方式的细节做出许多改变，所公开主题的精神和范围仅由下面的权利要求来限制。

Claims (40)

1.一种用于将输入端子处的输入电压调节到输出端子处的输出电压的电压调节器，所述调节器包括：
电容器矩阵，其包括第一电容器子矩阵和第二电容器子矩阵；
开关矩阵，其包括第一开关子矩阵、第二开关子矩阵、第三开关子矩阵、第四开关子矩阵和第五开关子矩阵，其中：
所述第一电容器子矩阵中的电容器通过所述第一开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到所述输出端子，并且还通过所述第二开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到接地端子；
所述第二电容器子矩阵中的电容器通过所述第三开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到所述输出端子，并且还通过所述第四开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到所述接地端子；以及
所述第五开关子矩阵包括被串联布置在所述输入端子和所述输出端子之间的N个开关，并且所述第五开关子矩阵中的每个开关被连接到所述第一电容器子矩阵中的相关联电容器和所述第二电容器子矩阵中的相关联电容器；并且
其中，所述第五开关子矩阵中的最靠近所述输入端子的K个开关被接通以重新配置所述电压调节器来提供(N-K)：1的转换比，其中K是小于N的非负值。
2.根据权利要求1所述的电压调节器，其中，所述开关矩阵被配置为在保持所述K个开关接通的同时以预定占空比在第一配置和第二配置之间交替，以便以所述(N-K)：1的转换比将所述输入电压调节到所述输出电压。
3.根据权利要求1-2中的一项所述的电压调节器，其中，所述K个开关中的一个开关被配置为使被连接到所述K个开关中的所述一个开关的所述第一电容器子矩阵中的一个电容器和所述第二电容器子矩阵中的一个电容器并联。
4.根据权利要求3所述的电压调节器，其中，所述第二开关矩阵中的被耦合到所述第一电容器子矩阵中的所述一个电容器的第一开关、和所述第四开关矩阵中的被耦合到所述第二电容器子矩阵中的所述一个电容器的第二开关使用相同开关信号来控制。
5.根据权利要求3所述的电压调节器，其中，所述第一开关矩阵中的被耦合到所述第一电容器子矩阵中的所述一个电容器的第一开关、和所述第三开关矩阵中的被耦合到所述第二电容器子矩阵中的所述一个电容器的第二开关使用相同开关信号来控制。
6.根据权利要求1-5中的一项所述的电压调节器，其中，K是0和N-1范围内的值。
7.根据权利要求1-6中的一项所述的电压调节器，其中，所述第五开关子矩阵中的开关的数量是N。
8.一种用于将输入端子处的输入电压调节到输出端子处的输出电压的电压调节器，所述调节器包括：
电容器矩阵，其包括第一电容器子矩阵和第二电容器子矩阵；
开关矩阵，其包括第一开关子矩阵、第二开关子矩阵和第三开关子矩阵，其中：
所述第一开关子矩阵中的一个开关被耦合到所述第一电容器子矩阵中的两个相关联电容器；
所述第二开关子矩阵中的一个开关被耦合到所述第二电容器子矩阵中的两个相关联电容器；以及
所述第三开关子矩阵包括被串联布置在所述输入端子和所述输出端子之间的N个开关，并且所述第三开关子矩阵中的每个开关被连接到所述第一电容器子矩阵中的相关联电容器和所述第二电容器子矩阵中的相关联电容器；并且
其中，除所述第一开关子矩阵中的被连接到所述输入端子的顶部开关之外，所述第一开关子矩阵和所述第二开关子矩阵中的最靠近所述输入端子的K个开关被接通以重新配置所述电压调节器来提供(N-K)：1的转换比，其中K是小于N的非负值。
9.根据权利要求8所述的电压调节器，其中，除所述第三开关子矩阵中的被连接到所述输入端子的顶部开关之外，所述第三开关子矩阵中的K个开关被断开以重新配置所述电压调节器来提供所述(N-K)：1的转换比。
10.根据权利要求8-9中的一项所述的电压调节器，其中，所述开关矩阵被配置为在保持所述第三开关子矩阵中的所述K个开关接通的同时以预定占空比在第一配置和第二配置之间交替，以便以所述(N-K)：1的转换比将所述输入电压调节到所述输出电压。
11.根据权利要求10所述的电压调节器，其中，当K为奇数时，所述第三开关子矩阵中的顶部开关在所述第一配置和所述第二配置两者中都被断开，并且其中，当K为偶数时，所述第一开关子矩阵中的顶部开关在所述第一配置和所述第二配置两者中都被断开。
12.根据权利要求8-11所述的电压调节器，其中，所述第一电容器子矩阵中的每个电容器通过第一开关而被耦合到所述接地端子，并且通过第二开关而被耦合到所述输出端子。
13.根据权利要求8-12中的一项所述的电压调节器，其中，所述第二电容器子矩阵中的每个电容器通过第三开关而被耦合到所述输出端子，并且通过第四开关而被耦合到所述接地端子。
14.一种设备，包括：
用于重新配置电压调节器以将转换比从N：1修改为(N-K)：1的装置，其中K是小于N的非负值。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述电压调节器是Dickson Star电压调节器。
16.一种电子系统，包括：
根据权利要求1-15中的一项所述的电压调节器；和
被耦合到所述电压调节器的目标负载系统，其中，所述电压调节器中的降压调节器的输出端子被耦合到所述目标负载系统。
17.根据权利要求16所述的电子系统，其中，所述目标负载系统包括电池，并且所述电压调节器被配置为从通用串行总线的电源线接收第一电压信号，并且将最终电压信号提供给所述电池。
18.一种电子系统，包括：
根据权利要求1-15中的一项所述的电压调节器，其中，所述电压调节器被配置为以反方向操作，在所述反方向下，所述电压调节器中的降压调节器的输出端子被耦合到输入电压源，并且所述开关式电感器调节器的第一输入端子被耦合到所述电压调节器的目标负载。
19.根据权利要求18所述的电子系统，其中，以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升压调节器来操作。
20.根据权利要求19所述的电子系统，其中，所述降压调节器的输出端子被耦合到电池，并且所述开关式电感器调节器的输入端子被耦合到通用串行总线的电源线。
21.一种被配置为接收第一电压信号并且至少部分地基于所述第一电压信号来提供最终电压信号的电压调节器，所述电压调节器包括：
由电感器组成的开关式电感器调节器，其中，所述电感器的第一端子包括被配置为接收所述第一电压信号的所述开关式电感器调节器的输入端子，并且所述电感器的第二端子包括被配置为提供中间电压信号的所述开关式电感器调节器的输出端子；
降压调节器，包括：被配置为从所述开关式电感器调节器的所述输出端子接收所述中间电压信号的输入端子、开关矩阵、多个电容器和被配置为提供所述最终电压信号的输出端子；以及
控制模块，被配置为使所述降压调节器中的所述开关矩阵以预定占空比在分别以第一布置和第二布置来布置所述多个电容器的第一配置和第二配置之间交替，从而也使所述开关式电感器调节器中的所述电感器进行占空循环。
22.根据权利要求21所述的电压调节器，其中，所述开关式电感器调节器是无开关的。
23.根据权利要求21-22中的一项所述的电压调节器，其中，当所述开关矩阵处于第一配置时，所述中间电压信号处于第一电压电平，并且当所述开关矩阵处于第二配置时，所述中间电压信号处于第二电压电平。
24.根据权利要求23所述的电压调节器，其中，所述第一电压电平是所述最终电压信号的第一分数倍，并且其中，所述第二电压电平是所述最终电压信号的第二分数倍。
25.根据权利要求21-24中的一项所述的电压调节器，其中，所述降压调节器包括Dickson Star开关式电容器调节器。
26.根据权利要求25所述的电压调节器，其中，所述Dickson Star开关式电容器调节器包括可重配置的Dickson Star开关式电容器调节器。
27.一种被配置为接收第一电压信号并且至少部分地基于所述第一电压信号来提供最终电压信号的电压调节器，所述电压调节器包括：
由电感器组成的开关式电感器调节器，其中，所述电感器的第一端子包括被配置为接收所述第一电压信号的所述开关式电感器调节器的输入端子，并且所述电感器的第二端子包括被配置为提供中间电压信号的所述开关式电感器调节器的输出端子；
降压调节器，具有被配置为从所述开关式电感器调节器的输出端子接收所述中间电压信号的输入端子、和被配置为提供所述最终电压信号的输出端子，其中，所述降压调节器还包括：
第一开关式电容器调节器模块，包括：
包括第一开关的开关矩阵，所述第一开关被配置为将所述第一开关式电容器调节器模块耦合到所述降压调节器的所述输入端子，和
多个电容器；以及
第二开关式电容器调节器模块，包括：
包括第二开关的开关矩阵，所述第二开关被配置为将所述第二开关式电容器调节器模块耦合到所述降压调节器的所述输入端子，和
多个电容器；以及
控制模块，被配置为：
使所述第一开关式电容器调节器模块中的开关矩阵以第一占空比在第一配置和第二配置之间交替，所述第一配置和第二配置用于分别以第一布置和第二布置来布置所述第一开关式电容器调节器模块中的多个电容器，
使所述第二开关式电容器调节器模块中的开关矩阵以所述第一占空比在第三配置和第四配置之间交替，所述第三配置和第四配置用于分别以第三布置和第四布置来布置所述第二开关式电容器调节器模块中的多个电容器，和
使所述第一开关和所述第二开关以第二占空比交替地耦合所述第一开关式电容器调节器模块和所述第二开关式电容器调节器模块。
28.根据权利要求27所述的电压调节器，其中，所述第一开关式电容器调节器模块和所述第二开关式电容器调节器模块异相操作。
29.根据权利要求27-28中的一项所述的电压调节器，其中，所述第一开关式电容器调节器模块和所述第二开关式电容器调节器包括相同的开关式电容器调节器拓扑。
30.根据权利要求27-29中的一项所述的电压调节器，其中，以所述第二占空比交替地耦合所述第一开关式电容器调节器模块和所述第二开关式电容器调节器模块致使所述开关式电感器调节器中的所述电感器以所述第二占空比进行占空循环。
31.根据权利要求27所述的电压调节器，其中，所述第二占空比为0.5。
32.根据权利要求31所述的电压调节器，其中，所述控制模块被配置为确定要开始所述第一开关式电容器调节器模块和所述第二开关式电容器调节器模块的交替耦合以提供所述开关式电感器调节器的期望占空比所处的时间实例。
33.根据权利要求21-32中的一项所述的电压调节器，其中，所述电感器被设置为分立的封装或板上组件。
34.一种电子系统，包括：
根据权利要求21-33中的一项所述的电压调节器；和
被耦合到所述电压调节器的目标负载系统，其中，所述电压调节器中的降压调节器的输出端子被耦合到所述目标负载系统。
35.根据权利要求34所述的电子系统，其中，所述目标负载系统包括电池，并且所述电压调节器被配置为从通用串行总线的电源线接收第一电压信号，并且将最终电压信号提供给所述电池。
36.根据权利要求34所述的电子系统，其中，所述目标负载系统包括片上系统(SoC)，并且所述SoC和所述电压调节器被封装在单个SoC封装中。
37.根据权利要求34所述的电子系统，其中，所述目标负载系统包括片上系统(SoC)，并且所述SoC和所述电压调节器被设置在印刷电路板(PCB)上。
38.一种电子系统，包括：
根据权利要求21-33中的一项所述的电压调节器，其中，所述电压调节器被配置为以反方向操作，在所述反方向下，所述电压调节器中的降压调节器的输出端子被耦合到输入电压源，并且所述开关式电感器调节器的第一输入端子被耦合到所述电压调节器的目标负载。
39.根据权利要求38所述的电子系统，其中，以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升压调节器来操作。
40.根据权利要求39所述的电子系统，其中，所述降压调节器的输出端子被耦合到电池，并且所述开关式电感器调节器的输入端子被耦合到通用串行总线的电源线。
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