CN111328388B - 用于混合开关式电容器转换器的电路 - Google Patents

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Abstract

电路包括：电感器，其具有的第一侧被连接到VIN；第一开关，其具有的第一侧被连接到电感器的第二侧并且具有的第二侧不被连接到电感器的第二侧；第二开关，其具有的第一侧被连接到VIN；第一电容器，其具有的第一侧被连接到第二开关的第二侧；第三开关，其具有的第一侧被连接到第一开关的第二侧；第四开关，其具有的第一侧被连接到第三开关的第二侧；第五开关，其具有的第一侧被连接到第一电容器的第二侧和第四开关的第二侧，并且其具有的第二侧被耦合到电压源；以及第二电容器，其具有的第一侧被连接到第四开关的第一侧并且其具有的第二侧被连接到第五开关的第二侧。

Description

用于混合开关式电容器转换器的电路
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年9月5日提交的美国专利申请号15/695,955的权益，所述申请通过引用以其全部内容并入本文。
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移动电子产品中是特别期望的，而在被置于大数据中心的服务器中也是期望的，这是因为在固定尺寸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些是电压调节器(也被称为功率调节器)。电压调节器通常包括大量笨重的片外组件并且被用于将电压递送到诸如集成芯片的电路，其包括：处理器、存储器件(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。
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到输出负载。降压调节器可以使用功率开关(各自在不同的时间点)将电感器连接到不同电压或者与不同电压断开连接，从而提供作为不同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不同电压的时间量来调节输出电压。
不幸地，降压调节器不能很好地适用于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，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。由于电感器可以占据大面积且庞大而无法集成在芯片上或封装上，因此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，这转而增加了电子器件的尺寸。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。
因此，期望新的电压调节器电路。
发明内容
提供了针对混合开关式电容器转换器的电路。在一些实施例中，提供了电路，该电路包括：电感器，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到输入电压；第一开关，其具有第一侧和第二侧，其中，第一侧被连接到电感器的第二侧，并且第二侧不被连接到电感器的第二侧；第二开关，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到输入电压；第一电容器，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到第二开关的第二侧；第三开关，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到第一开关的第二侧；第四开关，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到第三开关的第二侧；第五开关，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到第一电容器的第二侧和第四开关的第二侧，并且其中第二侧被耦合到电压源；第二电容器，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到第四开关的第一侧，并且其中第二侧被连接到第五开关的第二侧。
在这些实施例中的一些中，以下中的至少一个是晶体管：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关。
在这些实施例中的一些中，以下中的至少一个是MOSFET：第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关。
在这些实施例中的一些中，第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关中的至少一个是晶体管；并且第一开关、第二开关、第三开关、第四开关和第五开关中的至少一个受控制器控制。
在这些实施例中的一些中，当电路处于第一状态中时：第一开关是闭合的；第二开关是打开的；第三开关是打开的；第四开关是闭合的；第五开关是打开的；并且当电路处于第二状态中时，第一开关是闭合的；第二开关是打开的；第三开关是闭合的；第四开关是打开的；并且第五开关是闭合的。
在这些实施例中的一些中，当电路处于第一状态中时：第一开关是闭合的；第二开关是打开的；第三开关是打开的；第四开关是闭合的；第五开关是打开的；当电路处于第二状态中时：第一开关是闭合的；第二开关是打开的；第三开关是闭合的；第四开关是打开的；第五开关是闭合的；当电路处于第三状态中时：第一开关是打开的；第二开关是闭合的；第三开关是打开的；第四开关是闭合的；并且第五开关是打开的；当电路处于第四状态中时，第一开关是打开的；第二开关是打开的；第三开关是闭合的；第四开关是打开的；并且第五开关是闭合的。
在这些实施例中的一些中，该电路还包括：第六开关，具有第一侧和第二侧，其中第一侧连接到电感器的第二侧；第七开关，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到输入电压；第三电容器，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到第七开关的第二侧；第八开关，其具有第一侧和第二侧，其中，第一侧被连接到第六开关的第二侧；第九开关，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到第八开关的第二侧；第十开关，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到第三电容器的第二侧以及第九的第二侧，并且其中第二侧被耦合到电压源。
在这些实施例的一些中，电路还包括：第六开关，具有第一侧和第二侧，其中第一侧连接到电感器的第二侧；第七开关，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到输入电压；第三电容器，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到第七开关的第二侧；第八开关，其具有第一侧和第二侧，其中，第一侧被连接到第六开关的第二侧；第九开关，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到第八开关的第二侧；第十开关，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到第三电容器的第二侧以及第九的第二侧，并且其中第二侧被耦合到电压源，其中当电路处于第一状态中时：第一开关是打开的；第二开关是闭合的；第三开关是打开的；第四开关是闭合的；第五开关是打开的；第六开关是打开的；第七开关是打开的；第八开关是闭合的；所述第九开关是打开的；并且第十开关是闭合的；以及当电路处于第二状态中时：第一开关是打开的；第二开关是打开的；第三开关是闭合的；第四开关是打开的；第五开关是闭合的；第六开关是打开的；第七开关是闭合的；第八开关是打开的；所述第九开关是闭合的；并且第十开关是打开的。
在这些实施例的一些中，电路还包括：第六开关，具有第一侧和第二侧，其中第一侧连接到电感器的第二侧；第七开关，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到输入电压；第三电容器，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到第七开关的第二侧；第八开关，其具有第一侧和第二侧，其中，第一侧被连接到第六开关的第二侧；第九开关，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到第八开关的第二侧；第十开关，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到第三电容器的第二侧以及第九的第二侧，并且其中第二侧被耦合到电压源，其中，当电路处于第一状态中时：第一开关是打开的；第二开关是闭合的；第三开关是打开的；第四开关是闭合的；第五开关是打开的；第六开关是打开的；第七开关是打开的；第八开关是闭合的；第九开关是打开的；并且第十开关是闭合的；当电路处于第二状态中时：第一开关是打开的；第二开关是打开的；第三开关是闭合的；第四开关是打开的；第五开关是闭合的；第六开关是打开的；第七开关是闭合的；第八开关是打开的；第九开关是闭合的；并且第十开关是打开的；当电路处于第三状态中时：第一开关是闭合的；第二开关是打开的；第三开关是打开的；第四开关是闭合的；第五开关是打开的；第六开关是打开的；第七开关是打开的；第八开关是闭合的；第九开关是打开的；并且第十开关是闭合的；当电路处于第四状态中时：第一开关是打开的；第二开关是打开的；第三开关是打开的；第四开关是闭合的；第五开关是打开的；第六开关是闭合的；第七开关是打开的；第八开关是闭合的；第九开关是打开的；并且第十开关是闭合的；当电路处于第五状态中时：第一开关是打开的；第二开关是打开的；第三开关是闭合的；第四开关是打开的；第五开关是闭合的；第六开关是闭合的；第七开关是打开的；第八开关是打开的；第九开关是闭合的；并且第十开关是打开的；并且当电路处于第六状态中时：第一开关是闭合的；第二开关是打开的；第三开关是闭合的；第四开关是打开的；第五开关是闭合的；第六开关是打开的；第七开关是打开的；第八开关是打开的；第九开关是闭合的；并且第十开关是打开的。
附图的简要说明
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标识相同的元件。
图1A至图1B示出了在现有技术中公知的降压调节器及其操作的示例。
图2示出了在现有技术中公知的3:1降压Dickson Star SC调节器的示例。
图3A至图3C示出了在现有技术中公知的3:1降压Dickson Star SC调节器的操作的示例。
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可重配置的Dickson Star SC调节器的示例。
图5A至图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的示例
图6A至图6C示出了根据一些实施例的针对2:1转换比的图4中可重配置调节器的操作的示例。
图7A至图7C示出了根据一些实施例的针对1:1转换比的图4中可重配置调节器的操作的示例。
图8示出了根据一些实施例的固定转换比4:1Dickson Star SC调节器的示例。
图9A至图9C示出了根据一些实施例的4:1Dickson Star SC调节器的操作的示例。
图10示出了根据一些实施例的4:1可重配置的Dickson Star SC调节器的示例。
图11A至图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转换模式下的操作的示例。
图12A至图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转换模式下的操作的示例。
图13A至图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转换模式下的操作的示例。
图14A至图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转换模式下的操作的示例。
图15A至图15B示出了根据一些实施例的N:1可重配置的Dickson Star SC调节器的示例。
图16示出了根据一些实施例的4:1可重配置的Dickson Star SC调节器的示例。
图17A至图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转换模式下的操作的示例。
图18A至图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转换模式下的操作的示例。
图19A至图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转换模式下的操作的示例。
图20A至图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转换模式下的操作的示例。
图21A至图21B示出了根据一些实施例的N:1可重配置的Dickson Star SC调节器的示例。
图22至图24示出了根据一些实施例的升压(step-up)可重配置的Dickson StarSC调节器的示例。
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的示例。
图26A至图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中的实施例的示例。
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的示例。
图28A至图28B示出了根据一些实施例的其中第一级调节器由电感器组成的两级电压调节器的示例。
图29A至图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的示例。
图30示出了根据一些实施例的第二级调节器的占空循环(duty-cycling)和VTMP的电压摆动的示例。
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的示例。
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的示例。
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(duty cycle)的开关的控制序列的示例。
图34是根据一些实施例的包括电压调节系统的计算器件的框图的示例。
图35A至图35C显示了根据一些实施例的N:1降压Dickson Star SC调节器在N:1转换模式下的操作的示例。
图36A至图36C示出了根据一些实施例的当在H21模式时混合转换器(包括电感器和2:1开关电容器调节器)及其操作的示例。
图37A至图37C示出了根据一些实施例的当在2:1SC模式时混合转换器(包括电感器和2:1开关电容器调节器)及其操作的示例。
图38A至图38B示出了根据一些实施例的当在2:1SC模式时多相混合转换器(包括电感器和2:1开关电容器调节器)及其操作的示例。
图39A至图39E示出了根据一些实施例的当在H21模式时多相混合转换器(包括电感器和2:1开关电容器调节器)及其操作的示例。
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将显而易见的是，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便避免使所公开主题复杂化。另外，应当理解的是，下面提供的示例是出于说明的目的，并且预期存在处于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器和异构组件(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了以块特定的粒度(block-specific granularity)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了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方案被局限于微秒时间尺度下的慢电压/频率缩放。在纳秒时间尺度下的较快DVFS可以通过紧密跟踪SoC电压以针对快速变化的计算需求而显著节省更多的由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的每核DVFS(per-core 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调节器。可以减小电路板尺寸并且可以实现纳秒时间尺度的每核DVFS的IVR在本申请的发明人著作的以下文章中进行了公开，包括：题为“System Level Analysis of Fast,Per-Core DVFS using On-Chip SwitchingRegulators”的文献，由Wonyoung Kim等人于2008年2月公布在IEEE高性能计算机体系结构国际研讨会(HPCA)中；题为“Design Techniques for Fully Integrated Switched-Capacitor DC-DC Converters”的文献，由Hanh-Phuc Le等人于2011年9月公布在IEEE固态电路杂志(JSSC)中；以及题为“A Fully-Integrated 3-Level DC/DC Converter forNanosecond-Scale DVFS”的文献，由Wonyoung Kim等人于2012年1月公布在IEEE固态电路期刊(JSSC)中；所述文献中的每个在此通过引用以其整体被并入本文。
开关调节器的一个示例为降压调节器。图1A至图1B示出了在现有技术中公知的降压调节器及其操作的示例。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VIN104和第二电压源118。在一些情况下，第二电压源118可以是接地电压源。可以使用外部控件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。
在一些实施例中，功率开关114、116可以由任何适当的晶体管形成。例如，这些晶体管可以使用MOSFET晶体管来实施。更具体地，例如，在一些实施例中开关114可以使用P沟道MOSFET晶体管来实施，并且开关116可以使用N沟道MOSFET晶体管来实施。
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V×102可以以周期T在0至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V×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VOUT 110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(其出于说明的目的为0V)的时间量。例如，降压调节器100可以将VOUT 510的电平调节为VIND+(0V)(1-D)，其中D(0到1之间的数字)是V×被耦合到VIN的时间部分。D也被称为V×102的占空比。消耗电流106的输出负载可以是任何类型的电子器件，其包括处理器、存储器(DRAM、NAND闪存)、RF芯片、WiFi组合芯片、功率放大器等。
降压调节器100的效率可以被计算为：
Figure BDA0002472936870000091
其中PL指示被递送到输出负载的功率，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中的一个包括由电感器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时，理想地，降压调节器100将其所有输出功率提供到输出负载106。然而，在实际场景中，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，在实际场景中，主要由于形成电感器的材料的电阻，电感器与有限电阻相关联。电感器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的电流耗散能量。因此，电阻性功率损耗可以降低降压调节器100的功率转换效率。
当电流是交流时，则电阻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且减小开关调节器的周期T。然而，该解决方案可能使在开关114、116之间的结122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的尺寸可能很大(这增大了寄生电容)并且因为在V×102上的电压摆幅很大。此电容性功率损耗可以如下计算：PC＝fCV2，其中C是结122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是在结122处的电压摆幅。这种功率损耗可能是显著的，这是因为开关114、116的尺寸很大(这增大了寄生电容)并且因为在V×102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很大，这使得集成困难。
开关电压调节器的另一示例是开关式电容器(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)来将电荷从功率源传递到输出负载。SC调节器可以使用功率开关以将一个或多个电容器与不同电压(其中各个不同电压在不同时间点处连接)连接/断开，从而提供作为对不同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所利用的配置、顺序和占空比来控制输出电压。由于电容器比电感器更容易集成在芯片上或封装上，因此其更容易实施具有小尺寸的SC IVR。
一种类型的SC调节器是Dickson Star SC调节器。3:1降压Dickson Star 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)的示例被示出在图2中。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调节器拓扑诸如串并联(series-to-parallel)SC电压调节器相比，它使用具有更低电压额定值的晶体管作为开关。第三，与其他SC调节器拓扑诸如串并联SC调节器相比，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；以及开关矩阵，包括多个开关216、218、220、222、224、226和228，多个开关216-228被配置为将开关电容器C1FLY 204和C2FLY 206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至图3C示出了Dickson Star SC调节器200的基本操作。如图3C中所示，Dickson Star 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随时间进行占空循环。占空比(D)的值可以是0到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，在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中大致保持恒定。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降压电压调节。这种3:1降压DicksonStar SC调节器设计可以被扩展到N:1降压Dickson Star SC调节器，其中N是大于3的数字。
图35A至图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(也被称为电容器组(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35A至图35B中，第一电容器子矩阵包括M个电容器；并且第二电容器子矩阵包括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”是指开关矩阵中的第j个开关。
在图35A至图35B中，无论“N”的值如何，在第一开关子矩阵SW1 216、SW2 218、SW3220、SW4 222中的开关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被连接在SW2 218的一个端子与GND 210之间。SW2 218的另一个端子被连接到VOUT 208和SW3 220的一个端子。SW4 222被连接在SW3 220的另一端子与GND 210之间。SW(2,1)被连接在C(1,1)的一个端子与VOUT 208之间。在第二开关子矩阵中的其余开关被连接在第一电容器子矩阵中的电容器与第二电容器子矩阵中的电容器之间。例如，SW(2,j)(其中j>＝2)被连接在C(1,p)的一个端子与C(2,q)的一个端子之间，其中p等于ceiling(j/2)，并且值q等于floor(j/2)。SW1 216与SW2 218之间的连接被连接到C(1,p)的另一端子，而SW3 220与SW4 222之间的连接被连接到C(2,q)的另一端子。
N:1降压Dickson-Star SC调节器可以通过接通和断开在开关矩阵中的开关而相应地在如图35A和图35B中示出的状态0与状态1之间进行占空比循环。
图35A至图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(即，打开)，而SW2 218和SW4222被接通(即，闭合)。在第二开关子矩阵中，所有奇数索引的开关均断开(即，打开)，而所有偶数索引的开关均接通(即，闭合)。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，无论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，这需要高额定电压的电容器，其可能是庞大且昂贵的。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。
尽管Dickson Star SC调节器可以是有用的，但是这样的设计仍将被局限于单个转换比(输入电压VIN 202与输出电压VOUT 208之间的比N:1并且无法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范围有限。通常，SC调节器的效率可能在不是输入电压的预先确定分数(例如，1/N)的输出电压处降低。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并且提供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调节器的转化率将降低。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，这是因为片上系统(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调节器正被使用时，2:1和1:1调节器的所有开关和电容器都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)中的一个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调节器包括规则的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配置在规则的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配置规则的固定转换模式的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，规则的固定转换模式的Dickson Star SC调节器中的开关可以被不同地控制(与其规则的固定转换模式的操作相比而言)以考虑电容器的重新配置布置。
在前面的讨论中，N:1可重配置的Dickson Star SC调节器指的是以下可重配置Dickson Star SC调节器，其可以被重配置为提供具有M:1转换比中的任一个，其中M是1到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可重配置的Dickson Star SC调节器的示例。图4示出了3:1可重配置的Dickson Star SC调节器400，其可以被重新配置成具有以下转换比中的一个：3:1、2:1、1:1。3:1可重配置的Dickson StarSC调节器400包括：使用框404标识的图2中的固定的3:1Dickson 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。这个附加的模式开关402可以被选择性地操作以将图2中的固定的3:1 Dickson Star SC调节器变换为3:1可重配置的Dickson StarSC调节器。
图5至图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至图5C中所示，为了在3:1转换模式下操作可重配置的DicksonStar SC调节器400，模式开关SW8 402可以被简单地断开(处于“打开”位置)，并且在可重配置的调节器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至图6C中所示，为了在2:1转换模式下操作可重配置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(即，闭合)，并且开关SW8 402可以在状态期间被断开(即，打开)。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以并联方式将开关电容器C1FLY 204和C2FLY 206连接在一起并且使它们在状态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，一个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多个开关电容器在一个状态中被连接在输入与输出电压之间，而在另一个状态中被连接在输出电压与接地之间。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至图6B中的开关如图中示出的被相应地接通和断开，使得此开关电容器表现得如在传统的2:1SC调节器中那样。
如图7A至图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，开关SW8 402可以在状态0期间被接通(即，闭合)，并且开关SW8 402可以在状态1期间被断开(即，打开)。其余开关被相应地接通和断开，使得开关电容器表现得如同在传统的1:1SC调节器中那样。例如，在传统的1:1SC调节器中，一个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多个开关电容器在一个状态中被连接在输入电压与接地之间，而在另一个状态中被连接在输出电压与接地之间。通过在这两种状态之间切换，输出电压变得与输入电压类似。图7A至图7B中的开关如图中所示被接通和断开，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中的一个:4:1、3:1、2:1、1:1。为了有助于对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4:1Dickson 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。
与3:1Dickson Star SC调节器200类似，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与状态1之间的占空循环。假定开关电容器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式：
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，VC3FLY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，在图8中示出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调节器可以利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1000。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SW111004的模式开关矩阵。模式开关矩阵被设计为重新配置在固定转换模式4:1Dickson StarSC调节器中的电容器的布置，以能够在4:1、3:1、2:1、1:1转换比之间重配置。
图11A至图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调节器在如图11C中所示的状态0和状态1之间进行占空循环时，模式开关SW10 1002和SW11 1004也被占空循环以提供4:1转换比，从而表现得类似于SW1 21和SW2 218。例如，在状态0中，第一模式开关SW101002被断开(“打开”)并且第二模式开关SW11 1004被接通(“闭合”)；并且在状态1中，第一模式开关SW10 1002被接通(“闭合”)并且第二模式开关SW11 1004被断开(“打开”)。
假定开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT 214很大，则可以针对该两种状态导出以下关系式：
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VC3FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。
这些关系式可以被如下重新组织：
VC2FLY＝2×VOUT
VC3FLY＝3×VOUT
VOUT＝(1/4)×VIN
因此，在图11A至图11B中示出的可重配置的Dickson Star SC调节器作为4:1降压Dickson Star SC调节器来操作。
图12A至图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，当调节器在如图12C中所示的状态0和状态1之间进行占空循环时，模式开关SW10 1002和SW11 1004也被占空循环以提供3:1的转换比。例如，在状态0中，第一模式开关SW10 1002被接通(“闭合”)并且第二模式开关SW11 1004被断开(“打开”)；并且在状态1中，第一模式开关SW10 1002被断开(“打开”)并且第二模式开关SW11 1004被接通(“闭合”)。
在某种意义上，这种4:1可重配置的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。作为另一示例，图12A至图12B中的开关电容器C1FLY 204如图2中的C1FLY 204来操作。因此，虽然4:1可重配置的Dickson Star SC调节器中的电容器的数量不同于图2中示出的固定转换模式3:1 Dickson Star SC调节器的数量，但是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。
假定开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT 214是很大的，则可以针对该两种状态导出以下关系式：
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VC3FLY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，在图12A至图12C中示出的可重配置的Dickson Star SC调节器作为3:1降压Dickson Star SC调节器来操作。
图13A至图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调节器在如图13C中所示的状态0和状态1之间进行占空循环时，模式开关SW10 1002和SW11 1004也被占空循环以提供2:1的转换比。例如，在状态0中，第一模式开关SW10 1002被断开(“打开”)并且第二模式开关SW11 1004被接通(“闭合”)；并且在状态1中，第一模式开关SW10 1002被接通(“闭合”)并且第二模式开关SW11 1004被断开(“打开”)。
在某种意义上，该4:1可重配置的Dickson Star SC调节器在2:1转换模式下操作，这是因为该调节器将所有三个开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206、C3FLY 802并联连接在一起并且使它们作为单个大电容器共同地操作，就如在传统2:1SC调节器中那样。例如，在传统的2:1SC调节器中，一个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多个开关电容器在一个状态中被连接在输入电压与输出电压之间，而在另一个状态中被连接在输出电压与接地之间。通过在这两个状态之间切换，输出电压变为输入电压的一半。在图13A至图13B中的开关被相应地接通和断开以便开关电容器表现得如在传统的2:1SC调节器中那样。
假定开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT 214是很大的，则可以针对两种状态得出以下关系式：
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VC3FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。
这些关系式可以如下被重新组织：
VC1FLY＝VOUT
VC2FLY＝VOUT
VC3FLY＝VOUT
VOUT＝(1/2)×VIN
因此，在图13A至图13C中示出的可重配置的Dickson Star SC调节器作为2:1降压Dickson Star SC调节器来操作。
图14A至图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调节器在如图14C中所示的状态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(“闭合”)并且第二模式开关SW11 1004被断开(“打开”)。
在某种意义上，该4:1可重配置的Dickson Star SC调节器在1:1转换模式下操作，这是因为该调节器将所有三个开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206、C3FLY 802并联连接在一起并且使它们作为单个大电容器共同地操作，就如在传统1:1SC调节器中那样。例如，在传统的1:1SC调节器中，一个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多个开关电容器在一个状态中被连接在输入电压与接地之间，而在另一个状态中被连接在输出电压与接地之间。通过在这两种状态之间切换，输出电压变得类似于输入电压。图14A至图14B中的开关如图中所示被接通和断开以便开关电容器表现得如在传统的1:1SC调节器中那样。
假定开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT 214较大，则可以针对该两种状态导出以下关系式：
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VC3FLY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重组：
VC1FLY＝VOUT
VC2FLY＝VOUT
VC3FLY＝VOUT
VOUT＝VIN
因此，在图14A至图14C中示出的可重配置的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，在图4中示出的3:1可重配置的Dickson Star SC调节器400和在图10中示出的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可以是比1大的任何数字。
图15A至图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(也被称为电容器组)。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。在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”指的是在第一电容器子矩阵中的第j个电容器。同样地，在第二电容器子矩阵中的电容器被称为C(2,j)。在图15A至图15B中，第一电容器子矩阵包括M个电容器；并且第二电容器子矩阵包括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。
在第一开关子矩阵中的开关被称为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”指的是在第一开关子矩阵中的第j个开关。同样地，在第二开关子矩阵中的开关被称为SW(2,j)；在第三开关子矩阵中的开关称为SW(3,j)；在第四开关子矩阵中的开关称为SW(4,j)；并且在第五开关子矩阵中的开关称为SW(5,j)。
在图15A至图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，调节器1500可以在状态0与状态1之间进行占空循环。
图15A至图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均被接通，而第二开关子矩阵中的所有开关均被断开。此外，第三开关子矩阵中的所有开关均被断开，而第四开关子矩阵中的所有开关均被接通。在第五开关子矩阵中，所有奇数索引的开关均被断开，而所有偶数索引的开关均被接通。随后，在状态1中，与状态0相比，所有开关状态都被反转。虽然还存在附加开关，包括SW(j,1)、SW(j,2)、SW(j,3)、SW(j,4)，其中j大于1，但是电容器拓扑类似于在图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的转换模式下操作，第一电容器子矩阵中具有最高索引的电容器(C(1,M))以及在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。该“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)(其是通过开关SW(5,L)被连接到VIN 202的电容器)、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的最少开关而连接到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在第一电容器子矩阵C(1,M)中的具有最高索引的一个电容器C(1,M)，以及在第二电容器子矩阵中的具有最高索引的两个电容器(C(2,K),C(2,K-1))。该“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)、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-Star SC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在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1600。与在图8中的固定转换模式4:1的Dickson Star SC调节器800相比，在图10至图14中的4:1可重配置的Dickson Star SC调节器1000具有两个附加的模式开关SW10 1002和SW111004。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附加模式开关SW12 1602和SW 13 1604。
图17A至图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。虽然模式开关的位置略有不同，但是在状态0和状态1中的电容器拓扑与图11A至图11B中的调节器1000的电容器拓扑相同。因此，在图17A至图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在图11A至图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至图11B中所示，假定开关电容器C1FLY 204、C2FLY206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT 214是很大的，则可以针对该两种状态导出以下关系式：
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C2FLY 206两端的电压，并且VC3FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。这些关系可以如下被重新组织：
VC2FLY＝2×VOUT
VC3FLY＝3×VOUT
VOUT＝(1/4)×VIN
因此，在图17A至图17B中示出的可重配置的Dickson Star SC调节器作为4:1降压Dickson Star SC调节器来操作。
图18A至图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。在3:1转换模式下的操作原理类似于在图2中示出的3:1SC调节器的操作原理。开关电容器C1FLY 204和C3FLY 802被并联连接在一起以作为单个大电容器来操作，类似于图2中的电容器C1FLY 204。在图18A至图18B中的开关电容器C2FLY 206以与图2中的C2FLY 206类似的方式来操作。
假定开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT 214是很大的，则可以针对该两种状态导出以下关系式：
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VC3FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。
这些关系可以如下被重新组织：
VC2FLY＝2×VOUT 208
VC3FLY＝2×VOUT 208
VOUT＝(1/3)×VIN
因此，在图18A至图18C中示出的可重配置的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调节器当其在2:1模式下工作时的操作。基本原理类似于在图13A至图13B中示出的4:1可重配置的Dickson Star SC调节器的基本原理。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、C2FLY206、C3FLY 802被并联连接以如图13A至图13B中的单个大电容器那样工作。
假定开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT 214很大，则可以针对该两种状态导出以下关系式：
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VC3FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。
这些关系可以如下被重新组织：
VC1FLY＝VOUT
VC2FLY＝VOUT
VC3FLY＝VOUT
VOUT＝(1/2)×VIN
因此，在图19A至图19C中示出的可重配置的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调节器当其在1:1模式下工作时的操作。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至图14B中的单个大电容器那样工作。
假定开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY 802以及去耦电容器COUT 214很大，则可以针对该两种状态导出以下关系式：
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VC3FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。
这些关系可以如下被重新组织：
VC1FLY＝VOUT
VC2FLY＝VOUT
VC3FLY＝VOUT
VOUT＝VIN
因此，在图14A至图14C中示出的可重配置的Dickson Star SC调节器作为1:1降压Dickson Star SC调节器来操作。
在图10至图14中的调节器和图16至图20中的调节器使用具有位于不同位置的开关矩阵的模式开关矩阵，但是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至图21C示出了根据一些实施例操作的N:1可重配置的DicksonStar SC调节器2100。
N:1可重配置的Dickson-Star SC调节器2100也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。在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”指的是在第一电容器子矩阵中的第j个电容器。同样地，在第二电容器子矩阵中的电容器被称为C(2,j)。在图21A至图21B中，第一电容器子矩阵包括M个电容器；并且第二电容器子矩阵包括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。
在第一开关子矩阵中的开关被称为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”指的是在第一开关子矩阵中的第j个开关。同样地，在第二开关子矩阵中的开关被称为SW(2,j)，并且在第三开关子矩阵中的开关称为SW(3,j)。在图21A至图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(1,p+1)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，通过如图21A和图21B中所示接通和断开调节器2100的开关矩阵中的开关，可以使调节器2100在状态0与状态1之间进行占空循环。
图21A至图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均被断开(即，打开)，而所有偶数索引的开关均被接通(即，闭合)。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附加开关，但是由于所有那些开关都被断开，因此电容器的拓扑类似于图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开关(或者换句话说，最靠近输入端子的开关)而连接到VIN202的电容器(其是图21A至图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至图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：等同于在与没有C(2,K)、SW(3,F)的情况下的N:1固定转换模式的Dickson-Star SC调节器。由于C(2，K)在该模式中不再独立(而是与C(2,K-1)一起工作)，因此SW(3,F-1)在状态0和状态1两者中均被断开。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1两者中均被断开。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)开关分别在状态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，通过最少开关而连接到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至图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固定转换模式的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固定转换模式的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)和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)不再独立地存在，因此SW(3,F-1)和SW(3,F-2)在状态0和状态1两者中均被断开。C(2,K-1)充当顶部电容器，因此SW(3,F)用作顶部开关，并且SW(1,E)在状态0和状态1两者中均被断开。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)开关分别在状态0和状态1下断开和接通。
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，通过在第三开关子矩阵中的最少开关而连接到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，并且像操作(N-R):1固定转换模式Dickson-Star SC调节器那样操作其余开关。
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在第一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，或者换句话说，在它们与输入电压端子之间具有最少数量开关的R个开关)，不包括第一开关子矩阵中的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开关的集合中时，则第二个开关子矩阵中的第二开关将被选择。例如，如果R等于3，则选择SW(2,D)、SW(1,E-1)、SW(2,D-1)作为最靠近输入电压端子的“3”开关。控制模块被配置为使R开关保持在状态0和状态1中接通以将顶部的3个电容器并联连接。
此外，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，或者换句话说，在它们与输入电压端子之间具有最少数量开关的R个开关)，不包括被连接到输入电压端子的第三开关子矩阵中的顶部开关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下始终断开。
此外，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)，并且使第一开关子矩阵中的顶部开关SW(1,E)操作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)，并且使第三开关子矩阵中的顶部开关SW(3,F)操作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，顶部开关的状态与不始终断开的第三开关矩阵中的最顶部大多数开关相比是反转的。例如，如果R等于3，则由于R为奇数，因此SW(3,F)被断开。此外，SW(3,F-1)、SW(3,F-2)、SW(3,F-3)始终断开。因此，顶部开关(其是SW(1,E))处于与SW(3,F-4)相比而言被反转的状态，该SW(3,F-4)是第三开关矩阵终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中的一个提供输出电压。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，开关电容器的电容可以在0.1nF/mA和100nF/mA的范围内，这取决于目标功率效率。在一些实施例中，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操作(reverse direction)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至图24分别示出了根据一些实施例的升压可重配置的Dickson Star SC调节器2200、2300和2400。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；调节器2400是升压可重配置的1:4Dickson-Star SC调节器。在图22至图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V OUT 208的位置被交换并且VIN202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功率源，例如通用串行总线(USB)的电源线，而可重配置的Dickson-Star SC调节器的输出节点可以被耦合到电池以便可重配置的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调节器在对手持器件中的电池进行充电方面可以特别有用。手持器件(诸如智能电话)可以使用锂离子(Li-Ion)电池，其被配置为提供大约在2.8V至4.3V的范围内的电压输出，这取决于电池是否被充电(例如，满充电时为4.3V，完全放电时为2.8V)。可以使用通用串行总线(USB)对手持器件中的锂离子电池进行充电。当前版本的USB电源线使用5V(并且将来版本的USB可能使用甚至更高的电压)，其高于锂离子电池的电压输出。因此，来自USB电源线的电压应该在其可以被用于对锂离子电池充电之前以步降的方式被降低。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)，并将电源线电压(和电流)的降压版本提高到锂离子电池，使得可以基于来自USB的电压和电流对锂离子电池充电。
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USB On-The-Go(OTG)，其中第一器件中的电池可以通过USB向第二器件递送功率以对第二器件充电。在此场景下，第一器件中的电池被配置为通过USB将电流递送到第二器件中的电池。虽然第一器件中的电池的输出电压可能低于USB电源线电压，但是可重配置的Dickson-StarSC调节器可以以升压配置来操作，以将电池的输出电压以步升的方式升高到USB电源线的电压。这样，第一器件中的电池可以通过USB电源线对第二器件中的电池充电。
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操作以提供两级电压调节。图25示出了根据一些实施例的在其中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，包括例如本文所公开的可重配置的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可以包括以下中的一个或多个：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。
在一些实施例中，SC调节器2502可以被操作为提供可以提供高效率的SC调节器2502所处的输出电压并且随后使用第二级调节器2504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，VTMP 2506是可以提供高效率的可重配置的Dickson-Star SC调节器2502所处的输入电压202的一部分。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并且对其进行调节以提供VOUT208。
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100的图25中的实施例。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。
在图25至图26中所示的两级调节器(也被称为混合调节器)依赖于以下事实：SC调节器擅长跨预先确定的分数值进行分压，以及第二调节器(诸如降压调节器)可以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-Star SC调节器2502可以在VIN 202处接收12V并且提供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调节至1V。由于此两级调节器将降压调节器100的内部节点Vx处的电压摆动减小到VTMP 2506(其可以基本上小于VIN 202)，因此这种拓扑可以减少由于结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，包括例如本文所公开的可重配置的Dickson-Star SC调节器中的一个。在一些实施例中，第一级电压调节器2702可以包括以下中的一个或多个：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。
在图27中，第一级调节器2702接收输入电压VIN 202并且将其作为输出VTMP2706提供到SC调节器2704。SC调节器2704后续可以将VTMP 2706以步降的方式降低到期望的输出电压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调节器并且利以少量电流流过电感器来降低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，这种拓扑也可以通过限制开关两端的电压摆动来降低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可以包括仅电感器。图28A示出了根据一些实施例在其中第一级调节器由电感器组成的两级电压调节器。图28B示出了根据一些实施例图28A中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的另一端子被耦合到SC调节器2704的输入。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至图3B)，开关式电容器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，可以导出以下关系式：
VIN 202＝V1D+V2(1-D)
V1和V2的值通过SC调节器2704和VOUT 208的转换比来设置。因此，可以基于占空比D和SC调节器2704的转换比来精细地控制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感应器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至图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800(类似图8中的调节器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，这也如图9A至图9B中示出的那样。假定开关电容器C1FLY 204、C2FLY 206和C3FLY802以及去耦电容器COUT 214是很大的，则可以针对该两种状态导出以下关系式：
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VC3FLY是第三开关电容器C3FLY 802两端的电压。
这些关系可以如下被重新组织：
VC2FLY＝2×VOUT
VC3FLY＝3×VOUT
VOUT＝(1/4)×VTMP
因此，第二级SC调节器作为4:1降压调节器操作，并且VTMP 2706在状态0和状态1下在3×VOUT和4×VOUT之间摆动。第二级调节器的占空循环以及VTMP
2706的电压摆动被示出在图30中。
由于VTMP 2706在3×VOUT与4×VOUT之间摆动，因此该电压摆动由电感器2802调节以提供以下关系式：
VIN 202＝(3×VOUT)D+(4×VOUT)(1-D)＝(4-D)×VOUT
其中D为0到1之间的值，并且优选地在0.25到0.75之间。换句话说，在图
29中的两级调节器允许以下电压关系：
VOUT＝(1/(4-D))VIN
因此，电压调压器控制系统可以控制0和1之间的占空比D，以超出整数转换比来精细微调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为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。在一些情况下这可以是有益的，这是因为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，不管电压调节系统的期望输出电压如何，第二级调节器可以以高效率水平操作(例如，接近0.5的占空比)。
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调节器模块是180度异相。根据一些实施例，SC_ph0 3102和SC_ph1 3104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的占空比操作，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，但是第一级调节器中的开关式电感调节器的占空比可以被独立地控制。特别地，无论两个4:1SC调节器模块的占空比如何，开关式电感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。
例如，当两个模块SC_ph0 3102和SC_ph1 3104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×VOUT208与4×VOUT 208之间摆动，如图32的波形中所示。由于C3FLY 802和C6FLY3110的顶板处的电压V1 3130和V23132在任何给定时刻都在3×VOUT 208和4×VOUT 208之间摆动，因此开关SW9 804和SW173126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×VOUT 208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50％。在极端情况下，一个SC模块可以被使用时间的100％，而另一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，无论第一级调节器的占空比如何，在多相调节器(第二级调节器)中的SC模块被使用相同的时间量。这与单个SC模块需要能够递送最大所需功率的情况相比，允许SC模块中的开关和电容器的尺寸约为一半。
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。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SW9 804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与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按比例减小。这种配置的一个附加益处是：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附加的开关损耗的情况下使用较小的电感器3302。
虽然使用了可重配置的Dickson Star调节器来说明第二级调节器，但是他类型的SC调节器也可以被用于图27至图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，两级调节器可以被用于各种应用，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。
在一些实施例中，开关式电容器调节器的电容可以被设置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与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实施例可以被用作电池操作器件中的电池充电器。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器件中的电池进行充电方面可以特别有用。手持器件(诸如智能电话)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在2.8V至4.3V的范围内的电压输出(例如，满充电时为4.3V，完全放电时为2.8V)。可以使用通用串行总线(USB)对手持器件中的锂离子电池进行充电。USB电源线的当前版本使用5V(并且USB的未来版本可能使用甚至更高的电压)，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给锂离子电池充电之前应该以步降的方式降低。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，并且将电源线电压和电流的降压版本提供到锂离子电池，使得锂离子电池可以基于来自USB的电压和电流来充电。
在一些实施例中，在其中使用USB电源线对电池充电的上述配置可以被反转用作USB On-The-Go(OTG)，其中第一器件中的电池可以通过USB向第二器件递送功率以对第二器件充电。在此场景下，第一器件中的电池被配置为通过USB将电流递送到在第二器件中的电池。虽然第一器件中的电池的输出电压可能低于USB的电源线电压，但是两级调节器可以以升压配置来操作，以将电池的输出电压以步升的方式升高到USB电源线的电压。这样，第一器件中的电池可以通过USB电源线对第二器件中的电池充电。
图34是根据一些实施例的包括电压调节系统的计算器件的框图。计算器件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。计算器件3400可以包括：附加模块、更少的模块、或者执行任何适当的操作或多个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3408可以以使用专用集成电路(ASIC)的硬件来实施。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而以硬件实施。在一些情况下，可以以和其他集成电路的封装相同的封装对加速器3408进行封装。
在一些实施例中，电压调节器系统3410可以被配置为将电源电压提供到以下中的一个或多个：处理器3402、存储器3404和/或加速器3408。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例如可重配置的Dickson-Star SC调节器，如图4、图10、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例如两级调节器，如图27至图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用以在3:1转换模式下操作3:1可重配置的Dickson Star SC调节器(如图5A-5C所示)的指令时，开关控制模块可以被配置为控制开关216、218、220、222、224、226和228以及模式开关SW8 402在3:1转换模式下操作可重配置Dickson Star SC调节器。作为另一示例，当开关控制模块接收到在2:1的转换模式下操作3:1可重配置的Dickson Star SC调节器(如图6A至图6C中所示)的指令时，开关控制模块可以被配置为控制开关216、218、220、222、224、226和228以及模式开关SW8 402在2:1转换模式下操作可重配置Dickson Star SC调节器。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或任何其他适当的硬件编程语言。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。
计算器件3400可以经由接口3406与其他计算器件(未示出)通信。接口3406可以以硬件来实施，从而以各种介质(诸如光的、铜的和无线的)和许多不同协议(其中一些可以是非暂时性的)发送和接收信号。
在一些实施例中，计算器件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以及与有线通信网络进行通信。用户设备可以是具有电话通信功能的蜂窝电话。用户设备也可以是提供诸如以下服务的智能电话：文字处理、网页浏览、游戏、电子书功能、操作系统和全键盘。用户设备也可以是提供网络访问和由智能电话提供的大多数服务的平板电脑。用户设备使用诸如以下的操作系统来操作:Symbian OS、iPhone OS、RIM的Blackberry、Windows Mobile、Linux、HP WebOS、Tizen、Android或任何其他适当的操作系统。屏幕可能是被用于将数据输入到移动器件的触摸屏，在这种情况下可以使用屏幕替代全键盘。用户设备也可以保存全球定位坐标、配置文件信息或其他位置信息。用户设备也可以是可穿戴电子器件。
计算器件3400也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：电视机(TV)、视频投影仪、机顶盒或机顶单元、数字录像机(DVR)、计算机、上网本、笔记本电脑、以及任何其他具有计算功能的音频/视频设备。计算器件3400可以被配置有处理指令以及运行可以被存储在存储器中的软件的一个或多个处理器。处理器也与存储器以及与其它器件通信的接口进行通信。处理器可以是任何可适用的处理器，诸如结合了CPU、应用处理器和闪存的片上系统。计算器件3400也可以提供各种用户界面，诸如键盘、触摸屏、轨迹球、触摸板和/或鼠标。在一些实施例中，计算器件3400也可以包括扬声器和显示器件。计算器件3400也可以包括生物医学电子器件。
转到图36A至图36C，示出了根据一些实施例的合并了2:1SC调节器和电感器的混合转换器3600。如图36A中所示，转换器3600可以包括：电感器3602、电容器3604和3606、以及开关3608、3610、3612、3614和3616。同样如图36所示，被示为电流的负载3618可以被耦合到转换器3600的输出。
在一些实施例中，电感器3602可以是使用任何适当技术形成并且具有任何适当尺寸的任何适当的电感器。例如，在一些实施例中，电感器3602可以是分立电感器，其在一些实施例中由具有2×1.2mm的尺寸的绕线形成。
电容器3604和3606可以是使用一个或多个适当技术形成的任何适当电容器，并且在一些实施例中具有任何适当尺寸。例如，在一些实施例中，这些电容器(以及本文所述的所有其他电容器)可以是片上电容器，诸如：金属对金属(MoM)电容器，金属-绝缘体-金属(MiM)电容器，MOSFET电容器(使用MOSFET的栅极氧化物电容的电容器)、在芯片或电路板上实施的分立电容器(诸如多层陶瓷电容器(MLCC))、钽电容器、铝电解电容器或薄膜电容器或者任何其他适当电容器。作为另一个示例，在一些实施例中，电容器3604和3606可以分别具有2×1.2mm和1.6×1mm的尺寸。
在一些实施例中，开关3608、3610、3612、3614和3616可以是使用任何适当技术形成的任何适当的开关。例如，在一些实施例中，开关可以由晶体管诸如MOSFET晶体管形成。更特别地，例如，在一些实施例中，开关中的一些可以使用P沟道MOSFET晶体管实施，而开关中的其它可以使用N沟道MOSFET晶体管实施。在一些实施例中，可以将晶体管的尺寸确定为使效率最大化。例如，较大的晶体管会增加开关损耗，而较小的晶体管会增加传导损耗。因此，在一些实施例中，尺寸可以被选择使给定的特定应用的效率最大化。
负载3618可以是任何适当的负载。例如，在一些实施例中，负载3618可以是用于移动器件的电池。
转换器3600具有两个操作“模式”：2:1开关式电容器(SC)模式，其使用2:1SC部件3620；以及混合2:1(H21)模式，其将电感器3602和开关3610与2:1SC部件结合使用。该转换器可以通过使用控制器和到适配器(或其他功率源)(未示出)的连接调节正提供输入电压(VIN)的墙上适配器(或其他功率源)的输出来实现在2:1SC模式(在其中转换器的输入电压(VIN)和输出电压(VOUT)保持2:1的比率)下的超高效率。然而，存在传统的墙上适配器(和其他功率源)无法连续调节其输出电压以保持2:1的比率。例如，许多墙上适配器具有固定的5V输出。由于转换器3600的输出可以被直接连接到可以具有3V至4.5V的电压的电池，因此转换器的输入输出电压比在其被连接到5V VIN时可以为5:3(或约为1.66:1)至5:4.5(或约为1.11:1)，而不是期望的2:1。为了解决不匹配，转换器可以在H21模式下操作，这在一些实施例中可以支持在1:1与2:1之间的任何比率。
使用2:1SC模式和H21模式，混合转换器可以在被连接到VIN的适配器可持续调节其输出电压以保持约2:1的VIN与VOUT比率时在2:1SC模式(类似于独立的2:1SC充电器)下保持高效率，并且可以通过进入H21模式而实现相比当无法维持约2:1的VIN与VOUT比率时的降压充电器更高的效率。与并联使用2:1SC充电器和独立的降压充电器相比，混合转换器通过在2:1SC模式和H21模式下重用多个开关也降低了解决方案的尺寸和成本。
图36A和图36B分别示出了在处于H21模式并且处于状态0和处于状态1时的混合转换器3600。图36C示出了Vx 102如何随着转换器在状态0和状态1之间的变化而变化。通过调节占空比(在状态0相对在状态1中花费了多少时间)，混合转换器可以调节输入电压与输出电压之比。以下公式根据所需的输入电压和输出电压来设置调节器的占空比(D)：
D＝T0/(T0+T1)
(Vx 102的平均值)＝VIN(这是因为在电感器上的两个节点上的平均电压VIN和Vx
在稳态下需要相等)
(Vx 102的平均值)＝2*VOUT*D+VOUT*(1-D)(基于图36B)
→2*VOUT*D+VOUT*(1-D)＝VIN
→VOUT*D+VOUT＝VIN
→VOUT(1+D)＝VIN
→D＝VIN/VOUT-1
图37A至图37C示出了在处于2:1SC模式下和处于状态0(图37A)和状态1(图37B)下的混合转换器3600。如这些图所示，因为开关3610在处于2:1SC模式下时在状态0和状态1中均是打开的，所以未使用电感器。
当混合转换器3600正在H21模式下操作时(如图36A至图36C中所示)，混合调节器的SC部件和调节器的电感器部件的占空比需要相等。利用这种设置的问题是：SC部件可以在例如50％的占空比下效率最高，但是其可能由于所需的输入电压与输出电压之比被迫在例如10％的占空比下操作。
为了克服这个问题，在一些实施例中，SC部件和电感器的占空比可以使用如图38A至图38B以及图39A至图39E中所示的双相混合转换器3800来独立作出。例如，在一些实施例中，电感器占空比可以根据所需的输入和输出电压值来设置(遵循上面的等式)，而SC部件的占空比可以被设置为实现最大化效率(其通常为50％的占空比)。
图38A至图38B和图39A至图39E中的转换器3800的相似组件在一些实施例中可以与在上面结合图36A至图36B描述的类似组件相同。
图38A至图38B示出了在被配置为处于2:1SC模式下操作时的双相混合转换器3800。如图所示，在该模式下不使用电感器，这是因为开关310和320在以下位置处打开：状态0，SC_ph0；状态0，SC_ph1；状态1，SC_ph0；和状态1，SC_ph1。因此，在该模式下，转换器3800作为双相2:1SC调节器操作。也就是说，这些开关在图38A至图38B中示出的四个状态和相位组合下打开和闭合。在一些实施例中，这些状态可以具有任何适当的占空比，例如50％。在一些实施例中，在转换器3800的1相位部分中的开关可以相对于在转换器3800的0相位部分中的开关在任何适当的点处进行切换。例如，在一些实施例中，在转换器3800的1相位部分中的开关可以与在转换器3800的0相位部分中的开关异相180度进行切换。
图39A至图39E示出了当被配置为在H21模式下操作时的混合转换器3800。在图39A至图39D中，开关SW1 310和SW6 320是电感器开关，而开关SW2 312、SW3 314、SW4 316、SW5318、SW7 322、SW8 324、SW9 326和SW10 328是SC开关。在转换器3800在H21模式下操作期间，电感器开关和SC开关都具有两个不同的状态并且它们在这两个状态之间进行迭代。电感器开关的两个状态在本文中被称为L_state0和L_state1，并且SC开关的两个状态在本文中被称为SC_state0和SC_state1。例如，以下可以是这四个状态中的每个状态的开关配置：
L_state0：SW1接通，SW6断开
L_state1：SW1断开，SW6接通
SC_state0：(SW4，SW8，SW10)接通，(SW3，SW5，SW9)断开
SC_state1：(SW4，SW8，SW10)断开，(SW3，SW5，SW9)接通SW2和SW7始终断开。在L_state0相对L_state1中所花费的时间确定了电感器的占空比。在SC_state0相对SC_state1中所花费的时间确定了SC的占空比。在一些实施例中，电感器开关可以在一个占空比下在L_state0与L_state1之间迭代，并且SC开关可以在不同的占空比下在SC_state0与SC_state1之间迭代。
图39E示出了在一些实施例中的根据可以在状态0至状态3之间进行迭代的混合转换器3800的时序图。这些状态中的每个的操作如下：
状态0：L_state0，SC_state0
状态1：L_state1，SC_state0
状态2：L_state1，SC_state1
状态3：L_state0，SC_state1
在如图39E中示出的该特定示例中，SC部件的占空比被固定在50％处，但是其可以是任何适当的值，并且电感器开关的占空比为D。电感器开关可以通过调节在每个状态0至状态3中花费的时间独立于SC部件的占空比来调节D。如果以50％的占空比来最大化SC部件的效率，则SC占空比可以被固定在50％处，而电感器占空比D可以被调节为支持各种输入与输出电压之比。
在一些情况下，可以移除特定开关以减小在交换受限操作模式中为晶体管分配的面积。例如，如果转换器仅在H21下工作并且禁用2:1SC模式时是良好的，则可以移除图36A中的开关3608和图39A至图39D中的SW2 312和SW7 322。
在图36A、图36B、图37A、图37B、图38A、图38B和图39A至图39D中的开关可以由任何适当的控制器来控制。例如，当将这些开关被实施为MOSFET时，这些开关可以通过控制器向MOSFET的栅极施加适当电压以便在MOSFET的源极和漏极之间提供打开或闭合的连接来进行控制。控制器可以是任何适当的器件或电路。例如，控制器可以是执行从存储器加载到硬件处理器中的软件的硬件处理器。作为另一示例，控制器可以是专用逻辑电路、现场可编程门阵列、和/或用于提供适当控制信号的任何其他适当器件或电路。
应当理解的是，所公开的主题在其应用中不被局限于以下描述中阐述的或在附图中示出的构造细节和组件的布置。所公开的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。此外，应当理解的是，本文所采用的措词和术语是出于描述的目的并且不应被认为是限制性的。
这样，本领域技术人员将理解的是，本公开所基于的概念可以作为针对设计用于实施所公开主题的多个目的其他结构、装置、系统和方法的基础而利用。因此，重要的是，权利要求应被视为包括此类等同构造，只要其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示出了所公开的主题，但是应当理解的是，已经仅通过示例的方式作出了本公开，并且可以在不脱离仅被以下权利要求所限制的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作出许多改变。

Claims (9)

1.一种电路，包括：
电感器，其具有第一侧和第二侧，其中第一侧被连接到输入电压；
第一开关，其具有第一侧和第二侧，其中，其第一侧被连接到所述电感器的第二侧；
第二开关，其具有第一侧和第二侧，其中，其第一侧被连接到所述输入电压；
第一电容器，其具有第一侧和第二侧，其中，其第一侧被连接到所述第二开关的第二侧；
第三开关，其具有第一侧和第二侧，其中，其第一侧被连接到所述第一开关的第二侧；
第四开关，其具有第一侧和第二侧，其中，其第一侧被连接到所述第三开关的第二侧；
第五开关，具有第一侧和第二侧，其中，其第一侧被连接到所述第一电容器的第二侧和所述第四开关的第二侧，并且其中，其第二侧被耦合到电压源；以及
第二电容器，其具有第一侧和第二侧，其中，其第一侧被连接到所述第四开关的第一侧，并且其中，其第二侧被连接到所述第五开关的第二侧，
其中在连接到第二电容器的第一侧的输出端处提供电路的输出电压。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关以及所述第五开关中的至少一个是晶体管。
3.根据权利要求2所述的电路，其中，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关以及所述第五开关中的至少一个是MOSFET。
4.根据权利要求2所述的电路，其中，所述第一开关、所述第二开关、所述第三开关、所述第四开关以及所述第五开关中的至少一个受控制器控制。
5.根据权利要求1所述的电路，其中：
当所述电路处于第一状态中时：
所述第一开关是闭合的；
所述第二开关是打开的；
所述第三开关是打开的；
所述第四开关是闭合的；并且
所述第五开关是打开的；以及
当所述电路处于第二状态中时：
所述第一开关是闭合的；
所述第二开关是打开的；
所述第三开关是闭合的；
所述第四开关是打开的；并且
所述第五开关是闭合的。
6.根据权利要求5所述的电路，其中：
当所述电路处于第三状态中时：
所述第一开关是打开的；
所述第二开关是闭合的；
所述第三开关是打开的；
所述第四开关是闭合的；并且
所述第五开关是打开的；以及
当所述电路处于第四状态中时：
所述第一开关是打开的；
所述第二开关是打开的；
所述第三开关是闭合的；
所述第四开关是打开的；并且
所述第五开关是闭合的。
7.根据权利要求1所述的电路，还包括：
第六开关，其具有第一侧和第二侧，其中，其第一侧被连接到所述电感器的第二侧；
第七开关，其具有第一侧和第二侧，其中，其第一侧被连接到所述输入电压；
第三电容器，其具有第一侧和第二侧，其中，其第一侧被连接到所述第七开关的第二侧；
第八开关，其具有第一侧和第二侧，其中，其第一侧被连接到所述第六开关的第二侧；
第九开关，其具有第一侧和第二侧，其中，其第一侧被连接到所述第八开关的第二侧；和
第十开关，其具有第一侧和第二侧，其中，其第一侧被连接到所述第三电容器的第二侧以及所述第九开关的第二侧，并且其中，其第二侧被耦合到所述电压源。
8.根据权利要求7所述的电路，其中
当所述电路处于第一状态中时：
所述第一开关是打开的；
所述第二开关是闭合的；
所述第三开关是打开的；
所述第四开关是闭合的；
所述第五开关是打开的；
所述第六开关是打开的；
所述第七开关是打开的；
所述第八开关是闭合的；
所述第九开关是打开的；并且
所述第十开关是闭合的；以及
当所述电路处于第二状态中时：
所述第一开关是打开的；
所述第二开关是打开的；
所述第三开关是闭合的；
所述第四开关是打开的；
所述第五开关是闭合的；
所述第六开关是打开的；
所述第七开关是闭合的；
所述第八开关是打开的；
所述第九开关是闭合的；并且
所述第十开关是打开的。
9.根据权利要求8所述的电路，其中：
当所述电路处于第三状态中时：
所述第一开关是闭合的；
所述第二开关是打开的；
所述第三开关是打开的；
所述第四开关是闭合的；
所述第五开关是打开的；
所述第六开关是打开的；
所述第七开关是打开的；
所述第八开关是闭合的；
所述第九开关是打开的；并且
所述第十开关是闭合的；
当所述电路处于第四状态中时：
所述第一开关是打开的；
所述第二开关是打开的；
所述第三开关是打开的；
所述第四开关是闭合的；
所述第五开关是打开的；
所述第六开关是闭合的；
所述第七开关是打开的；
所述第八开关是闭合的；
所述第九开关是打开的；并且
所述第十开关是闭合的；
当所述电路处于第五状态中时：
所述第一开关是打开的；
所述第二开关是打开的；
所述第三开关是闭合的；
所述第四开关是打开的；
所述第五开关是闭合的；
所述第六开关是闭合的；
所述第七开关是打开的；
所述第八开关是打开的；
所述第九开关是闭合的；并且
所述第十开关是打开的；以及
当所述电路处于第六状态中时：
所述第一开关是闭合的；
所述第二开关是打开的；
所述第三开关是闭合的；
所述第四开关是打开的；
所述第五开关是闭合的；
所述第六开关是打开的；
所述第七开关是打开的；
所述第八开关是打开的；
所述第九开关是闭合的；并且
所述第十开关是打开的。
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