CN111656662A - 用于混合3：1电压调节器的电路和方法 - Google Patents

用于混合3：1电压调节器的电路和方法 Download PDF

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Abstract

提供了用于电压调节器的电路，包括：电感器，其具有耦合至输入电压的第一端；第一飞跨电容器；第二飞跨电容器；以及多个开关，其中，在第一状态中，所述多个开关：将所述电感器的第二端耦合至所述第一飞跨电容器的第二端以及输出节点；将所述第一飞跨电容器的第一端耦合至所述第二飞跨电容器的第一端；以及将所述第二飞跨电容器的第二端耦合至电压电源，在第二状态中，所述多个开关：将所述电感器的第二端耦合至所述第二飞跨电容器的第一端；将所述第二飞跨电容器的第二端耦合至所述输出节点和所述第一飞跨电容器的第一端；以及将所述第一飞跨电容器的第二端耦合至所述电压电源。

Description

用于混合3：1电压调节器的电路和方法
背景技术
与降压调节器和开关电容(SC)调节器相比，混合调节器具有多个优点。混合调节器可以更高效，并且与降压调节器相比可以使用更小的电感器。混合调节器可以高效地调节更大范围的输入输出电压比。相比之下，SC调节器效率在N:M输入输出电压比(其中N，M为整数)处较高，但随着比值从N:M偏离到非整数比值，效率会下降。
混合调节器可以以多种操作模式进行操作，以支持范围广泛的输入输出电压比。例如，在H21模式中，混合调节器可以支持在2:1和1:1之间的输入输出(VIN:VOUT)比。作为另一示例，在H32模式中，混合调节器可以支持在3:1和2:1之间的VIN:VOUT比。图1A-1C示出了在H32模式中操作的单个混合调节器的示例，并且图2A-2C示出了在H21模式中操作的单个混合调节器的示例。在图1A-1C中，VIN:VOUT比可以在2:1和3:1之间。在图2A-2C中，VIN:VOUT比可以在1:1和2:1之间。图1A-1C和2A-2C中的混合调节器可以通过改变开关的接通与关断而在这两种模式(即H32模式和H21模式)之间进行切换。
拥有多种操作模式的好处是，它使单个调节器能够支持范围广泛的VIN:VOUT比，这有助于用单个产品覆盖范围广泛的终端应用。具有多种模式也存在两个缺点。第一，调节器可能需要确定在哪个模式中进行操作的额外的反馈控制。第二，在从一种模式转换至另一种模式时可能会出现故障，这可能导致调节器发生故障。不同的模式需要不同的开关来接通/关断。如果开关活动的时序没有对准，则某些开关的一些电压可能是错误的，并且应用于开关的高电压可能会损坏它。如果周围条件(诸如输入电压或输出电流)变化很快，则调节器可能需要快速改变模式，这可能需要非常快的反馈控制以快速改变模式(该反馈控制对于设计而言具有挑战性)，和/或在模式快速转换期间，如果相关信号的所有时序要求没有合理对准(该合理对准对于保证而言具有挑战性)将引起故障。例如，混合调节器可能在H21模式中在1.8V的输入和1V的输出下进行操作，并且由于系统需求，输入可能需要快速改变为2.5V，此时调节器需要快速改变为H32模式。
因此，需要以尽可能少的模式支持更大范围的VIN:VOUT比。
发明内容
根据一些实施例，提供了用于混合3：1电压调节器的电路和方法。更具体地，在一些实施例中，提供了用于电压调节器的电路，所述电路包括：电感器，其具有耦合至输入电压的第一端并且具有第二端；第一飞跨电容器，其具有第一端并且具有第二端；第二飞跨电容器，其具有第一端并且具有第二端；以及多个开关，其中，在第一状态中，所述多个开关：将所述电感器的第二端耦合至所述第一飞跨电容器的第二端和输出节点；将所述第一飞跨电容器的第一端耦合至所述第二飞跨电容器的第一端；以及将所述第二飞跨电容器的第二端耦合至电压电源，在第二状态中，所述多个开关：将所述电感器的第二端耦合至所述第二飞跨电容器的第一端；将所述第二飞跨电容器的第二端耦合至所述输出节点和所述第一飞跨电容器的第一端；以及将所述第一飞跨电容器的第二端耦合至所述电压电源。在这些电路的一些中，电压电源是接地的。在这些电路的一些中，每个开关都是MOSFET。在这些电路的一些中，还提供了将开关控制为在第一状态和第二状态之间切换的控制器。在这些电路的一些中，还提供了输出电容器。
在一些实施例中，提供了用于电压调节器的电路，所述电路包括：电感器，其具有耦合至输入电压的第一端，并且具有第二端；第一开关，其具有耦合至所述电感器的第二端的第一端，并且具有第二端；第二开关，其具有耦合至所述电感器的第二端的第一端，并且具有第二端；以及可重配置的SC调节器，其具有对应于第一VIN:VOUT比的第一输入端，并且具有对应于第二VIN:VOUT比的第二输入端，其中所述可重配置的SC调节器的第一输入端耦合至所述第一开关的第二端，并且其中所述可重配置的SC调节器的第二输入端耦合至所述第二开关的第二端。
附图说明
图1A和1B是在现有技术中已知的处于H32模式中的混合电压调节器的示意图的示例。
图1C是在现有技术中已知的处于H32模式中的混合电压调节器的时序图的示例。
图2A和2B是在现有技术中已知的处于H21模式中的混合电压调节器的示意图的示例。
图2C是在现有技术中已知的处于H21模式中的混合电压调节器的时序图的示例。
图3A是根据一些实施例的具有H31模式的使用已知可重配置的3:1，1:1开关电容调节器的混合电压调节器的部分示意图的示例。
图3B是根据一些实施例的具有H31模式的使用已知可重配置的3:1，1:1开关电容调节器的混合电压调节器的另一部分示意图的示例。
图3C是根据一些实施例的图3A和3B的混合电压调节器的时序图的示例。
图4A和4B是根据一些实施例的比图3A和3B中具有H31模式的调节器更紧凑的混合电压调节器的示意图(开关被省略)的示例。
图4C是根据一些实施例的图4A和4B的混合电压调节器的时序图的示例。
图5A和5B是根据一些实施例的图4A和4B中示出了开关的混合电压调节器的示意图的示例。
图5C是根据一些实施例的图5A和5B的混合电压调节器的时序图的示例。
具体实施方式
根据一些实施例，提供了用于混合3：1电压调节器的电路和方法。在一些实施例中，混合3:1(H31)电压调节器可以通过单一H31模式支持3:1和1:1之间的任何VIN:VOUT比。这是对之前混合调节器的改进，其需要两种模式，H32和H21，以支持在3:1和1:1之间的VIN:VOUT比。
图3A-3C示出了根据一些实施例的H31电压调节器的示例，该H31电压调节器可以采用现有的可重配置的3:1，1:1SC调节器来实现。如所示出的，该调节器包括电感器308、开关318和316，以及可重配置的3:1，1:1SC调节器312。该调节器还可以包括用于控制开关318和316的控制器(未示出)。
电感器318可以是任何合适的电感器，诸如安装在或嵌入在封装内或印刷电路板上的离散电容器(例如，大小为0201、0402、0603、0805等的电感器)，或者可以在芯片上、封装上或印刷电路板上使用金属层绘制的螺旋电感器。开关318和316可以是任何合适的开关，诸如MOSFET。可重配置的3:1，1:1SC调节器312(图3B)可以是任何合适的可重配置的3:1，1:1SC调节器(例如，诸如梯形调节器、串联/并联调节器、Dickson Star调节器等)。
在操作期间，来自输入源的电压VIN 303可以提供给电感器308。通过电感器308和电压VX 302的电流IL 312存在于电感器308的输出(右)端。开关318和316中的一者将VX 302连接至VSC_3:1或VSC_1:1。VSC_3:1接近3x VOUT 304，并且VSC_1:1接近1x VOUT 304。开关318和316可以接通/关断，使VX 302在3x VOUT304和1x VOUT 304之间切换。在稳定的状态下，电感器308两端的电压(即VIN 303-VX 302)应该平均为零。调节器312产生的输出电流ILOAD 306可以提供给任何合适的负载。调节器312也连接到地面310。
图3C示出了根据一些实施例的H31电压调节器的时序图。如所示出的，从时间0至时间DT，开关318关断，并且开关316接通。在此期间，VX 302连接至VSC_1:1。从时间DT至时间T，开关318接通，并且开关316关断。在此期间，VX 302连接至VSC_3:1。如图3C中的线VIN所示，VIN等于VX的平均值。更具体地，VIN可以用以下公式来确定：
VIN＝D x VOUT+(1-D)x 3x VOUT
＝3x VOUT–2x D x VOUT
＝VOUT(3-2D)
其中D为图3C中时序图的占空比，其具有在0与1之间的值，VIN在VOUT与3x VOUT之间，这意味着VIN:VOUT比在3:1与1:1之间。
因为在一些实施例中，图3A-3C的电路采用与SC调节器312的开关分离的开关318和316，所以SC调节器312的切换频率和占空比，与318和316(电感器开关)的切换频率和占空比可以完全解耦。这样做的优点是，SC部件和电感器部件可以优化至最大效率。例如，SC部件可以在50％占空比下切换(这对SC调节器而言通常是最高效的)，而电感器开关318和316可以根据所需的VIN:VOUT比在不同占空比(D)下切换，如图3C所示。其缺点是，与其他设计(诸如结合图4A-4C和图5A-5C所描述的设计)相比，这种架构可能需要更多的开关(和更大的芯片面积)，因为电感器和SC需要单独的开关。
在一些实施例中，SC调节器312可以是多相的SC调节器，其中SC调节器的多个副本以时间交错的方式操作。电感器312以及开关318和316也可以被复制且时间交错(例如，相位0和相位1反相180度进行操作)。这样，调节器就可以支持到输出端的更大量的电流(例如，两相电流是单相电流的两倍)。
图4A-4C描述了根据一些实施例的另一种H31混合调节器的示例。如所示出的，该调节器可以包括电感器404、第一飞跨电容器CFLY1 406、第二飞跨电容器CFLY2 408和输出电容器COUT 414。该调节器还可以包括控制器(未显示)，用于控制调节器中因简化未显示的开关。输入电压VIN 402可连接至电感器404的输入端，并且输出负载可以并联至COUT 414。电压VX 450存在于电感器404的输出端(或右端)，输出电压VOUT 414存在于输出电容器414两端，并且负载可以汲取输出电流IOUT 412。
电感器404可以是任何合适的电感器，诸如安装在或嵌入在封装内或印刷电路板上的离散电感器(例如大小为0201、0402、0603、0805等的电感器)，或者可以在芯片上、封装上或印刷电路板上使用金属层绘制的螺旋电感器。没有示出的开关可以是任何合适的开关，诸如MOSFET。电容器CFLY1 406和电容器CFLY2 408可以是任何合适的飞跨电容器，诸如多层陶瓷电容器(例如，大小为0201、0402、0603、0805等)、片上金属-绝缘体-金属(MIM)型电容器或片上金属-金属(MOM)型电容器、或者片上密集型电容器(例如具有高介电率的介电材料的深沟槽式电容器)。输出电容器COUT414可以是任何合适的电容器，诸如多层陶瓷电容器(例如，大小为0201、0402、0603、0805大小等)、片上金属-绝缘体-金属(MIM)型电容器或片上金属-金属(MOM)型电容器、或者片上密集型电容器(例如具有高介电率的介电材料的深沟槽式电容器)。
如图4A和4B所示，假设两个飞跨电容器CFLY1和CFLY2二者都很大，所以它们的电压VCFLY1和VCFLY2保持不变。在状态0中(图4A)：
VCFLY2＝VOUT+VCFLY1
在状态1中(图4B)：
VCFLY1＝VOUT
结果为：
VCFLY2＝2x VOUT
如图4C所示，在状态0中(图4A)，VX＝3x VOUT，而在状态1中(图4B)，VX＝1x VOUT。与图3A-3C类似，VIN可以采用下述等式确定：
VIN＝D x VOUT+(1-D)x 3x VOUT
＝3x VOUT–2x D x VOUT
＝VOUT(3-2D)
在一些实施例中，该调节器可以被复制且时间交错。这样，调节器就可以支持到输出端的更大量的电流(例如，两相电流是单相电流的两倍)。
图5A-5C描述了根据一些实施例的图4A-4C的H31混合调节器的更具体的示例。如所示出的，该调节器可以包括电感器503，第一飞跨电容器CFLY1 540，第二飞跨电容器CFLY2542，输出电容器COUT 504以及开关SW1 512、SW2 514、W3 516、SW4 518、SW5 520、SW6 522、SW7 502和SW8 524。该调节器还可以包括用来控制开关的控制器(未示出)。输入电压VIN510可以连接至电感器503的输入端，并且输出负载可以并联连接至COUT 504。电压VX 550存在于电感器503的输出端(或右端)，输出电压VOUT 508存在于输出电容器504两端，并且负载可以汲取输出电流IOUT 505。
电感器503可以是任何合适的电感器，诸如安装在或嵌入在封装内或印刷电路板上的离散电感器(例如大小为0201、0402、0603、0805等的电感器)，或者可以在芯片上、封装上或印刷电路板上使用金属层绘制的螺旋电感器。电容器CFLY1 540和电容器CFLY2 542可以是任何合适的飞跨电容器，诸如多层陶瓷电容器(例如，大小为0201、0402、0603、0805等)、片上金属-绝缘体-金属(MIM)型电容器或片上金属-金属(MOM)型电容器、或者片上密集型电容器(例如具有高介电率的介电材料的深沟槽式电容器)。输出电容器COUT 504可以是任何合适的电容器，诸如多层陶瓷电容器(例如，大小为0201、0402、0603、0805等)、片上金属-绝缘体-金属(MIM)型电容器或片上金属-金属(MOM)型电容器、或者片上密集型电容器(例如具有高介电率的介电材料的深沟槽式电容器)。开关SW1 512、SW2 514、SW3 516、SW4518、SW5 520、SW6 522、SW7 502和SW8 524可以是任何合适的开关，诸如MOSFET。
图5C示出了图5A-5C的调节器的时序图。如所示出的，调节器在状态0和状态1之间切换。在状态0时，开关SW1 512、SW4 518、SW5 520和SW8 524打开，而开关SW2 514、SW3516、SW6 522和SW7 502闭合。在状态1中，开关SW1 512、SW4 518、SW5 520和SW8 524闭合，而开关SW2 514、SW3 516、SW6 522和SW7 502打开。
如图5A和5B所示，假设两个飞跨电容器CFLY1和CFLY2二者都很大，所以它们的电压VCFLY1和VCFLY2保持不变。在状态0中(图5A)：
VCFLY2＝VOUT+VCFLY1
在状态1中(图5B)：
VCFLY1＝VOUT
结果为：
VCFLY2＝2x VOUT
如图5C所示，在状态0中(图5A)，VX＝3x VOUT，并且在状态1中(图5B)，VX＝1x VOUT。与图3A-3C和4A-4C类似，VIN可以采用下述等式确定：
VIN＝D x VOUT+(1-D)x 3x VOUT
＝3x VOUT–2x D x VOUT
＝VOUT(3-2D)
在一些实施例中，该调节器可以被复制且时间交错。这样，调节器就可以支持到输出端的更大量的电流(例如，两相电流是单相电流的两倍)。
因此，提供了用于混合3:1电压调节器的机制(其可以包括电路和方法)。
尽管本发明已在上述说明性实施例中描述和说明，但是应该理解，当前的公开只是为了举例，并且在实施本发明的细节上的许多变化都可以在不背离本发明的精神和范围的情况下进行，而这种精神和范围只受到以下权利要求书的限制。所公开的实施例的特征可以以各种方式组合和重新排列。

Claims (6)

1.一种用于电压调节器的电路，包括：
电感器，其具有耦合至输入电压的第一端并且具有第二端；
第一飞跨电容器，其具有第一端并且具有第二端；
第二飞跨电容器，其具有第一端并且具有第二端；以及
多个开关，
其中：
在第一状态中，所述多个开关：
将所述电感器的第二端耦合至所述第一飞跨电容器的第二端和输出节点；
将所述第一飞跨电容器的第一端耦合至所述第二飞跨电容器的第一端；并且
将所述第二飞跨电容器的第二端耦合至电压电源，
在第二状态中，所述多个开关：
将所述电感器的第二端耦合至所述第二飞跨电容器的第一端；
将所述第二飞跨电容器的第二端耦合至所述输出节点以及所述第一飞跨电容器的第一端；并且
将所述第一飞跨电容器的第二端耦合至所述电压电源。
2.根据权利要求1所述的电路，其中所述电源电压是接地的。
3.根据权利要求1所述的电路，其中每个开关都是MOSFET。
4.根据权利要求1所述的电路，进一步包括控制器，所述控制器将开关控制为在所述第一状态和所述第二状态之间切换。
5.根据权利要求1所述的电路，进一步包括输出电容器。
6.一种用于电压调节器的电路，包括：
电感器，其具有耦合至输入电压的第一端，并且具有第二端；
第一开关，其具有耦合至所述电感器的第二端的第一端，并且具有第二端；
第二开关，其具有耦合至所述电感器的第二端的第一端，并且具有第二端；以及
可重配置的SC调节器，其具有对应于第一VIN:VOUT比的第一输入端，并且具有对应于第二VIN:VOUT比的第二输入端，其中所述可重配置的SC调节器的第一输入端耦合至所述第一开关的第二端，并且其中所述可重配置的SC调节器的第二输入端耦合至所述第二开关的第二端。
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