CN111697788A - 开关调节器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种被配置为根据输入电压产生电平控制的输出电压的开关调节器，所述开关调节器包括：电感器；输出电容器，被配置为基于流经所述电感器的电流来产生所述电平控制的输出电压；至少两个飞跨电容器；以及多个开关，被配置为当开关调节器在第一操作模式下操作时形成电连接，以使用所述输入电压交替地对所述至少两个飞跨电容器中的每一个飞跨电容器进行充电，以及使用所述至少两个飞跨电容器中的充电的飞跨电容器向所述电感器提供第一升压电压。

Description

开关调节器及其操作方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年3月11日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2019-0027642的优先权，该申请的公开内容通过引用全部并入本文中。
技术领域
本发明构思涉及电源电压的产生，并且更具体地，涉及开关调节器及其操作方法。
背景技术
可以产生电源电压以向电子组件供电，并且可以改变向电子组件提供的电源电压的电平以降低电子组件的功耗。例如，在处理数字信号的数字电路的情况下，当期望相对较低的性能时可以提供低电平的电源电压，而当期望相对较高的性能时可以提供高电平的电源电压。因此，可以使用产生各种电平的电源电压的开关调节器，并且开关调节器可以在有限的设计空间中快速改变电压电平并产生具有减小的噪声的电源电压。因此，已研究了实现高效地产生各种电平的电源电压的紧凑型开关调节器。
发明内容
本发明构思提供了一种开关调节器和操作所述开关调节器的方法，所述开关调节器用于提高产生输出电压的电压转换操作的可靠性和效率。
根据本发明构思的一个方面，提供了一种开关调节器，该开关调节器被配置为根据输入电压产生电平控制的输出电压。开关调节器包括：电感器；输出电容器，被配置为基于流经所述电感器的电流来产生所述电平控制的输出电压；至少两个飞跨电容器；以及多个开关，被配置为当开关调节器在第一操作模式下操作时形成电连接，以使用所述输入电压交替地对所述至少两个飞跨电容器中的每一个飞跨电容器进行充电，以及使用所述至少两个飞跨电容器中的充电的飞跨电容器向所述电感器提供第一升压电压。
根据本发明构思的一个方面，提供了一种开关调节器，该开关调节器被配置为根据输入电压产生电平控制的输出电压。开关调节器包括：电感器；输出电容器，被配置为基于流经所述电感器的电流来产生所述电平控制的输出电压；第一飞跨电容器，被配置为向所述电感器提供第一升压电压；第二飞跨电容器，被配置为向所述电感器提供第二升压电压；第一开关电路，连接到所述第一飞跨电容器并被配置为形成电连接以执行以下操作：当所述开关调节器在第一操作模式的第一阶段中操作时将所述第一飞跨电容器连接到所述电感器，所述第一操作模式基于交错开关控制方案，以及当所述开关调节器在所述第一操作模式的第二阶段中操作时使用所述输入电压对所述第一飞跨电容器进行充电；以及第二开关电路，连接到所述第二飞跨电容器并被配置为形成电连接以执行以下操作：当所述开关调节器在所述第一操作模式的所述第一阶段中操作时使用所述输入电压对所述第二飞跨电容器进行充电；以及当所述开关调节器在所述第一操作模式的所述第二阶段中操作时将所述第二飞跨电容器连接到所述电感器。
根据本发明构思的一个方面，提供了一种开关调节器，该开关调节器被配置为根据输入电压产生输出电压。开关调节器包括：电感器；输出电容器，被配置为基于流经所述电感器的电流来产生所述输出电压；多个第一飞跨电容器；以及第一开关电路，被配置为通过形成电连接以执行以下操作来在降压-升压模式或升压模式中的一个模式下向所述电感器提供从所述输入电压升压的第一升压电压：在第一阶段中使用所述输入电压对所述多个第一飞跨电容器中的每一个第一飞跨电容器进行充电，以及在第二阶段中将所述多个第一飞跨电容器串联连接到所述电感器。
附图说明
通过下列结合附图的具体实施方式，将更清楚地理解一些示例实施例，在附图中：
图1是根据示例实施例的开关调节器的框图；
图2A至图3B是根据示例实施例的开关调节器的示意图；
图4是根据示例实施例的开关调节器20的电路图；
图5A至图5D是根据示例实施例的在作为第一操作模式的第二升压模式下操作的开关调节器20的电路图，并且图5E是示出了根据一些示例实施例的开关调节器20在第二升压模式下的操作的时序图，其中图5A至图5D的相应状态顺序地重复；
图6A和图6B是根据示例实施例的在作为第二操作模式的降压模式下操作的开关调节器20的电路图，并且图6C是示出了开关调节器 20在降压模式下的操作的时序图，其中图6A和图6B的相应状态重复；
图7A至图7C是根据示例实施例的在作为第二操作模式的降压- 升压模式下操作的开关调节器20的电路图，并且图7D是示出了根据一些示例实施例的开关调节器20在降压-升压模式下的操作的时序图，其中图7A至图7C的相应状态顺序地重复；
图8A和图8B是根据示例实施例的在作为第二操作模式的第一升压模式下操作的开关调节器20的电路图，并且图8C是示出了根据一些示例实施例的图8A和图8B的开关调节器20的操作的时序图；
图9是根据示例实施例的包括单个开关电路的开关调节器30的电路图；
图10A和图10B是根据示例实施例的在第二升压模式下操作的包括单个开关电路的开关调节器30的电路图，并且图10C是示出了根据一些示例实施例的图10A和图10B的包括单个开关电路的开关调节器 30的操作的时序图；
图11是根据示例实施例的包括两个开关电路的开关调节器30的电路图；
图12是根据示例实施例的用于设置开关调节器的操作模式的条件的表；
图13是根据示例实施例的操作开关调节器的方法的流程图；
图14是根据示例实施例的图13中的操作S140的详细流程图；
图15是根据示例实施例的系统的示意图；以及
图16是根据示例实施例的无线通信设备的框图。
具体实施方式
在本说明书中，开关的接通可以指开关的两端彼此电连接的状态，并且开关的断开可以指开关的两端彼此电断开的状态。另外，经由导通状态下的开关和/或导电线彼此电连接的至少两个元件可以被简称为“连接”，并且始终经由导电线等彼此电连接的至少两个元件可以被称为“耦合”。
在下文中，将参考附图详细描述实施例。
图1是根据示例实施例的开关调节器10的框图。开关调节器10 可以通过输入节点13接收输入电压VIN并通过输出节点14输出输出电压VO。输出电压VO可以用作其他电子组件(和/或负载)的电源电压。
如图1中所示，开关调节器10可以包括开关电路11、控制器12、多个飞跨电容器(例如，第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb)、电感器L和/或输出电容器CO。在一些实施例中，开关调节器10的元件可以包括在单个半导体封装中。在一些实施例中，开关调节器10可以包括印刷电路板(PCB)，并且开关调节器10的至少两个元件可以作为分离的半导体封装安装在PCB上。根据一些示例实施例，这里描述为由控制器12执行的操作可以由处理电路来执行。如本公开中所使用的，术语“处理电路”可以指例如包括逻辑电路的硬件；诸如执行软件的处理器等的硬件/软件组合；或其组合。例如，处理电路更具体地可以包括但不限于中央处理单元(CPU)、算术逻辑单元(ALU)、数字信号处理器、微计算机、现场可编程门阵列(FPGA)、片上系统(SoC)、可编程逻辑单元、微处理器、专用集成电路(ASIC)等。根据一些示例实施例，这里描述为由开关调节器10执行的操作可以基于由控制器 12产生的控制信号来执行。
开关调节器10可以指电子电路，该电子电路被配置为通过接通或断开元件来产生输出电压VO。例如，开关调节器10的开关电路11 可以基于来自控制器12的开关控制信号CS_SW接通或断开包括在开关电路11中的至少一个开关，并因此可以控制流经电感器L的电感器电流IL的路径。通过开关电路11的操作，开关调节器10可以作为各种转换器操作，这将在下面描述。
作为开关调节器10的示例，直流(DC)-DC转换器可以根据DC 电压(例如，输入电压VIN)产生DC电压(例如，输出电压VO)。例如，降压转换器可以产生比输入电压VIN更低的电平的输出电压VO，并且可以被称为降压式转换器。升压转换器可以产生比输入电压VIN 更高的电平的输出电压VO，并且可以被称为升压式转换器。此外，升压转换器可以在多个升压模式下操作。例如，升压转换器可以在这样的升压模式下操作，在该升压模式下输入电压VIN的电平与输出电压 VO的电平之比等于或低于参考值，或者升压转换器可以在这样的升压模式下操作，在该升压模式下输入电压VIN的电平与输出电压VO的电平之比超过参考值。降压-升压(或升压式/降压式)转换器可以产生比输入电压VIN更低或更高的电平的的输出电压VO。在下文中，将主要参考在各种操作模式下产生输出电压的降压-升压DC-DC转换器来描述开关调节器10，但是应当理解，示例实施例可以应用于不同类型的开关调节器10，比如其中输入电压VIN为交流(AC)电压的AC-DC 转换器。根据一些示例实施例，参考值可以是通过实证研究确定的设计参数。
在一些实施例中，可以根据输出电压VO的目标电平将开关调节器10设置在降压模式、降压-升压模式和/或多个升压模式中的一个模式中。例如，控制器12可以基于输入电压VIN和参考电压VREF设置开关调节器10的模式。在一些实施例中，当输出电压VO的电平低于输入电压VIN的大约90％时，控制器12可以将开关调节器10设置在降压模式中，当输出电压VO的电平等于或高于输入电压VIN的大约 110％且低于输入电压VIN的大约150％时，控制器12可以将开关调节器10设置在第一升压模式(或正常升压模式)中，当输出电压VO的电平等于或高于输入电压VIN的大约150％时，控制器12可以将开关调节器10设置在第二升压模式(或扩展升压模式)中，并且当输出电压VO的电平等于或高于输入电压VIN的大约90％且低于输入电压VIN 的大于110％时，控制器12可以将开关调节器10设置在降压-升压模式中。由于开关调节器10支持降压模式、降压-升压模式和升压模式中的所有模式，因此输出电压VO的电平可以在宽范围内变化。根据一些示例实施例，参考电压VREF可以是通过实证研究确定的设计参数。
开关电路11可以包括连接开关CSW。尽管在包括图1的附图中示出的实施例中连接开关CSW被实现为N沟道金属氧化物半导体(NMOS) 晶体管，但是这仅是示例实施例，并且本发明构思不限于此。连接开关CSW可以实现为各种半导体元件。在下文中，连接开关CSW是半导体元件，该半导体元件可以将第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器 CFb中的每一个飞跨电容器的一端连接到输入节点13。连接开关CSW 的输出端子可以分叉到至少两个电流路径。例如，电流路径可以包括对第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb中的每一个进行充电的电流的路径和朝向电感器L的电感器电流IL的路径。尽管为了便于描述，在图1中仅示出了一个连接开关CSW，但是根据一些示例实施例，开关电路11可以包括更多的连接开关。根据一些示例实施例，可以在特定的操作模式下将适当的开关控制方案应用于开关电路11，以防止或减少连接开关CSW中的过多电流流动。根据一些示例实施例，可以在特定的操作模式下将适当的电路配置应用于开关电路11，以防止或减少连接开关CSW中的过多电流流动。
根据示例实施例，可以根据开关调节器10的操作模式使用不同的开关控制方案来控制开关电路11，并因此可以防止在连接开关CSW 中流动的电流超过预先确定或确定的电平，或者无论开关调节器10 的操作模式(或输出电压VO的电平)如何，都可以减少在连接开关 CSW中流动的电流超过预先确定或确定的电平的发生。换言之，减小了连接开关CSW上的电流负载，可以实现连接开关CSW的小型化，可以带来开关调节器10的设计优势，并且开关调节器10即使在高开关频率下也可以执行可靠且高效的电压转换操作，从而拓宽了输出电压VO的电平范围。
根据一些实施例，当输出电压VO的目标电平等于或高于参考电平(例如，参考电压电平)时，可以由控制器12在相应的操作模式下使用第一开关控制方案来控制开关电路11。例如，当输出电压VO的目标电平等于或高于参考电平时，控制器12可以将开关调节器10设置在第二升压模式中，并且可以将基于第一开关控制方案产生的开关控制信号CS_SW提供给开关电路11以产生目标电平的输出电压VO。在开关周期的一些阶段中，开关电路11可以基于开关控制信号CS_SW 执行开关操作，并且可以控制开关电路11以通过经过连接开关CSW 的多个路径中的一个路径来输出电流。例如，路径可以包括朝向第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb中的每一个的路径和朝向电感器L的路径。根据一些示例实施例，参考电平可以是通过实证研究确定的设计参数。
根据一些实施例，当输出电压VO的目标电平低于参考电平时，可以由控制器12在相应的操作模式下使用第二开关控制方案来控制开关电路11。例如，当输出电压VO的目标电平低于参考电平时，控制器12可以根据目标电平将开关调节器10设置在降压模式、降压-升压模式或第一升压模式中，并且可以将基于第二开关控制方案产生的开关控制信号CS_SW提供给开关电路11以产生目标电平的输出电压 VO。在开关周期的一些阶段中，开关电路11可以基于开关控制信号 CS_SW执行开关操作，并且可以控制开关电路11以通过包括连接开关 CSW的多个路径中的至少两个路径来输出电流。
如上所述，当输出电压VO的目标电平等于或高于参考电平时(或当开关调节器10在第二升压模式下操作时)，可以使用第一开关控制方案来控制开关电路11，从而限制在连接开关CSW中流动的电流的电平。当输出电压VO的目标电平低于参考电平时(或当开关调节器10 在降压模式、降压-升压模式或第一升压模式下操作时)，可以使用第二开关控制方案来控制开关电路11，这是由于在连接开关CSW中流动的电流的电平不足以触发限制。
根据一些示例实施例，开关电路11可以在控制器12的控制下，在特定的操作模式下在开关周期的一些阶段中将使用第一飞跨电容器 CFa和第二飞跨电容器CFb升压的电压作为施加电压VX提供给电感器 L。在一些实施例中，施加电压VX可以约为输入电压VIN的至少三倍。然而，这仅是示例实施例，并且本发明构思不限于此。开关电路11 可以连接到更多的飞跨电容器并可以将与飞跨电容器的数量成比例地升压的电压作为施加电压VX提供给电感器L。如上所述，当开关电路 11在特定的操作模式下在开关周期的一个阶段中将升压至高电平的电压施加到电感器L时，减小了该阶段的持续时间(或时间)，并因此可以确保用于对第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb中的每一个飞跨电容器进行充电的阶段的重要的持续时间，从而允许经过连接开关CSW以对第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb中的每一个飞跨电容器进行充电的电流的电平降低。因此，可以在用于对第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb中的每一个飞跨电容器进行充电的阶段中减小连接开关CSW上的电流负载。下面将参考包括图9的附图对此进行详细地描述。
在下文中，将详细描述开关调节器10的操作。
开关电路11可以从控制器12接收开关控制信号CS_SW并还可以包括多个开关，所述多个开关响应于开关控制信号CS_SW而接通或断开。开关电路11可以通过基于开关控制信号CS_SW控制向电感器L 提供的电压，来控制流经电感器L的电感器电流IL。例如，开关电路 11可以响应于开关控制信号CS_SW而感应出电感器电流IL以对输出电容器CO进行充电，并且可以响应于开关控制信号CS_SW而控制电感器电流IL以防止输出电容CO过充电或减少输出电容器CO过充电的发生。当存在接收开关调节器10的输出电压VO的负载(例如，图4中的负载LD)时，可以向负载提供电感器电流IL的至少一部分电感器电流。下面将参考包括图4的附图描述开关电路11的示例。
电感器L和输出电容器CO可以彼此串联连接，并因此当忽略流到控制器12的电流时，电感器电流IL可以与输出传送电流ID相同或基本相同。电感器电流IL可以取决于由开关电路11施加到电感器L 的电压(例如，图1中的VX)。这里，连接到开关电路11和电感器L的节点的电压可以被称为施加电压VX。在一些实施例中，可以基于提供给与开关调节器10的输出端子14相连的负载(或由该负载消耗) 的电流来确定输出电容器CO的电容。在一些实施例中，可以基于输出电容器CO的电容和/或开关频率来确定电感器L的电感。在一些实施例中，可以基于提供给负载的电流、开关频率、输入电压VIN和/或输出电压VO来确定第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb的电容。
控制器12可以基于参考电压VREF和输出电压VO来产生开关控制信号CS_SW。例如，控制器12可以通过使用至少两个电阻器对输出电压VO进行分压来产生反馈电压，将反馈电压与参考电压VREF进行比较，并且产生具有调整的占空比的开关控制信号CS_SW，该调整的占空比使得反馈电压等于或接近于参考电压VREF，其中占空比涉及开启/切断控制。因此，可以基于参考电压VREF的电平来确定输出电压 VO的电平，并且可以通过改变参考电压VREF的电平来改变输出电压 VO的电平。在一些实施例中，为了执行上述操作，控制器12可以检测电感器电流IL或输出传送电流II)并基于检测到的电流电平来产生开关控制信号CS_SW。在一些实施例中，控制器12可以基于输出电压 VO和输出节点14的电流来产生开关控制信号CS_SW。在一些实施例中，控制器12可以包括至少一个比较器和至少一个逻辑门。
控制器12可以产生开关控制信号CS_SW，使得开关电路11以及连接到开关电路11的第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb用作充电泵，并且可以在开关周期的一个阶段中将由充电泵升压的施加电压VX提供给电感器L。在一些实施例中，升压电压可以根据开关电路 11与第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb之间的连接是输入电压VIN的倍数。通过开关电路11的这种配置，可以连续地改变向输出电容器CO和负载提供的输出传送电流ID。随着输出传送电流ID的连续变化，输出传送电流ID的电平可以快速变化，并且输出电压VO的噪声可以减小。
由开关调节器10产生的输出电压VO可以用作向电子组件提供电力的电源电压，电子组件可以被称为开关调节器10的负载。例如，输出电压VO可以提供给处理数字信号的数字电路、处理模拟信号的模拟电路和/或处理射频(RF)信号的RF电路。
图2A至图3B是根据示例实施例的开关调节器的示意图。具体地，图2A和图2B是示出了开关调节器20在第一操作模式MODE_1下的操作的电路图，并且图3A和图3B是示出了开关调节器20在第二操作模式MODE_2下的操作的电路图。在下文中，当参考图2A至图3B进行描述时，省略了冗余的描述。
参照图2A，开关调节器20可以包括第一开关电路21_1、第二开关电路21_2、控制器22、输入节点23、输出节点24、第一飞跨电容器CFa、第二飞跨电容器CFb、电感器L和/或输出电容器CO。第一开关电路21_1可以包括第一连接开关CSW1和/或多个开关，并且可以连接到第一飞跨电容器CFa。第一连接开关CSW1可以将第一飞跨电容器 CFa的一端选择性地连接到输入节点23。第二开关电路21_2可以包括第二连接开关CSW2和/或多个开关，并且可以连接到第二飞跨电容器 CFb。第二连接开关CSW2可以将第二飞跨电容器CFb的一端选择性地连接到输入节点23。根据一些示例实施例，这里描述为由控制器22 执行的操作可以由处理电路来执行。根据一些示例实施例，这里描述为由开关调节器20执行的操作可以基于由控制器22产生的控制信号来执行。
根据实施例，第一开关电路21_1和第二开关电路21_2可以在输入节点23与电感器L之间彼此并联连接。控制器22可以单独地控制第一开关电路21_1和第二开关电路21_2。下面将描述当开关调节器 20在第一操作模式MODE_1下操作时使用交错开关控制方案控制的第一开关电路21_1和第二开关电路21_2。假定第一操作模式MODE_1是如上所述的在输出电压VO的目标电平等于或高于参考电平时设置的模式(例如，第二升压模式)。然而，这仅是示例实施例，并且本发明构思不限于此。第一操作模式MODE_1还可以包括包含降压-升压模式和第一升压模式在内的各种操作模式中的至少一个操作模式。
在开关周期的第一阶段中，可以基于从控制器22接收的第一开关控制信号CS_SW1来控制第一开关电路21_1以使第一电流I11通过第一连接开关CSW1，其中第一电流I11用于将由第一飞跨电容器CFa 升压的电压作为施加电压VX提供给电感器L。在第一阶段中，可以基于从控制器22接收的第二开关控制信号CS_SW2来控制第二开关电路 21_2以使第二电流122通过第二连接开关CSW2，其中第二电流I22 用于对第二飞跨电容器CFb进行充电。
参照图2B，在开关周期的第二阶段，可以基于从控制器22接收的第一开关控制信号CS_SW1来控制第一开关电路21_1以使第三电流 I12通过第一连接开关CSW1，其中第三电流I12用于对第一飞跨电容器CFa进行充电。在第二阶段中，可以基于从控制器22接收的第二开关控制信号CS_SW2来控制第二开关电路21_2以使第四电流I21通过第二连接开关CSW2，其中第四电流I21用于将由第二飞跨电容器CFb 升压的电压作为施加电压VX提供给电感器L。如上所述，控制器22 执行开关控制，使得第一连接开关CSW1和第二连接开关CSW2中的每一个连接开关可以分别在第一阶段和第二阶段中使电流(例如I11和 I22、或者I12和I21)通过相应的路径，从而减小第一连接开关CSW1 和第二连接开关CSW2中的每一个连接开关上的电流负荷。
在实施例中，根据参考图2A和图2B所述的交错开关控制方案，其中连接到第一开关电路21_1的第一飞跨电容器CFa连接到电感器L 的阶段可以与其中连接到第二开关电路21_2的第二飞跨电容器CFb 连接到电感器L的阶段不同，并且其中使用输入电压VIN对第一飞跨电容器CFa进行充电的阶段可以与其中使用输入电压VIN对第二飞跨电容器CFb进行充电的阶段不同。换言之，交错开关控制方案可以指这样的方法，即，控制第一开关电路21_1和第二开关电路21_2，使得在开关周期的不同阶段中使用输入电压BIN交替地对第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb进行充电并且第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb交替地连接到电感器L。
下面将参考图3A和图3B描述当开关调节器20在第二操作模式 MODE_2下操作时使用同步开关控制方案控制的第一开关电路21_1和第二开关电路21_2。假定第二操作模式MODE_2是如上所述的当输出电压VO的目标电平低于参考电平时设置的模式(例如，降压模式、降压-升压模式或第一升压模式)。然而，这仅是示例实施例，并且本发明构思不限于此。第二操作模式MODE_2可以包括除了第一操作模式 MODE_1之外的其他操作模式。
参照图3A，在开关周期的特定阶段，可以基于从控制器22接收的第一开关控制信号CS_SW1’来控制第一开关电路21_1以使第一电流I11’和第二电流I12’通过第一连接开关CSW1。第一电流I11’用于向电感器L提供输入电压VIN，第二电流I12’用于对第一飞跨电容器CFa进行充电。在第一阶段中，可以基于第二开关控制信号CS_SW2’来控制第二开关电路21_2以使第三电流I21’和第四电流I22’通过第二连接开关CSW2。第三电流I21’用于向电感器L提供输入电压VIN，第四电流I22’用于对第二飞跨电容器CFb进行充电。如上所述，在其中第一连接开关CSW1和第二连接开关CSW2中的每一个连接开关上的电流负载预计不会过大的第二操作模式MODE_2下，控制器22可以执行开关控制，使得第一连接开关CSW1和第二连接开关CSW2中的每一个连接开关可以在一阶段中使电流(例如，I11’、I12’、I21’和I22’)通过相应的路径。
同步开关控制方案可以指这样的方法，即，相同地或类似地控制第一开关电路21_1和第二开关电路21_2，使得在一个阶段中对第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb进行充电和/或第一飞跨电容器 CFa和第二飞跨电容器CFb连接到电感器L。
参照图3B，在一些实施例中，当开关调节器20处于第二操作模式MODE_2下时，控制器22可以选择第一开关电路21_1和第二开关电路21_2中的一个开关电路并使用选择的开关电路来产生输出电压VO。具体地，控制器22可以选择第一开关电路21_1并向第一开关电路 21_1提供第一开关控制信号CS_SW1”，使得控制第一开关电路21_1 以在开关周期的特定阶段中使用于将输入电压VIN提供给电感器L的第一电流I11’以及用于对第一飞跨电容器CFa进行充电的第二电流 I12’通过第一连接开关CSW1。控制器22可以通过向第二开关电路 21_2提供第二开关控制信号CS_SW2”来禁用第二开关电路21_2(例如，将第二开关电路21_2与输入电压VIN和/或电感器L断开)。开关调节器20可以在第二操作模式MODE_2下通过禁用未选择的开关电路来减少功耗。
图4是根据示例实施例的开关调节器20的框图。
参照图4，开关调节器20可以包括第一开关电路21_1、第二开关电路21_2、控制器22、第一飞跨电容器CFa、第二飞跨电容器CFb、电感器L和/或输出电容器CO。负载LD可以连接到开关调节器20。将省略已经参考图2A至图3B给出的冗余描述。在包括图4的附图中示出的开关均可以具有这样的结构，即，该结构根据从控制器22提供的开关控制信号(例如，CS_SW1或CS_SW2)电连接或断开两端。第一开关电路21_1的第一开关SW1_1可以对应于图2A中的第一连接开关 CSW1，并且第五开关SW2_1可以对应于图2A中的第二连接开关CSW2。
第一开关电路21_1可以包括第一开关SW1_1至第四开关SW1_4。第一开关SW1_1和第二开关SW1_2可以顺序地串联连接在输入节点与电感器L的一端之间，并且第三开关SW1_3和第四开关SW1_4可以顺序地串联连接在输入节点与接地节点之间。第一飞跨电容器CFa可以具有连接到第一开关SW1_1和第二开关SW1_2的一端以及连接到第三开关SW1_3和第四开关SW1_4的一端。
第二开关电路21_2可以包括第五开关SW2_1至第九开关SW2_5。第五开关SW2_1和第六开关SW2_2可以顺序地串联连接在输入节点与电感器L之间，第七开关SW2_3和第八开关SW2_4可以顺序地串联连接在输入节点与接地节点之间，并且第九开关SW2_5可以连接在第六开关SW2_2的一端与接地节点之间。根据一些示例实施例，如下所述，控制器22可以产生第一开关控制信号CS_SW1和第二开关控制信号 CS_SW2，使得第一飞跨电容器CFa、第一开关电路21_1、第二飞跨电容器CFb和第二开关电路21_2用作充电泵。控制器22可以产生第一开关控制信号CS_SW1和第二开关控制信号CS_SW2，使得通过充电泵升压的施加电压VX施加到电感器L。
在实施例中，控制器22可以根据开关调节器20的操作模式使用不同的开关控制方案来控制第一开关电路21_1和第二开关电路21_2。换言之，控制器22可以在第一操作模式(例如，第二升压模式)下，在开关周期的多个阶段中，通过限制在第一开关SW1_1和第五开关SW2_1中流动的电流来减小第一开关电路21_1的第一开关SW1_1和第二开关电路21_2的第五开关SW2_1上的电流负载。
图5A至图5D是根据示例实施例的在作为第一操作模式的第二升压模式下操作的开关调节器20的电路图，并且图5E是示出了根据一些示例实施例的开关调节器20在第二升压模式下的操作的时序图，其中图5A至图5D的相应状态顺序地重复。图5A示出了处于第一阶段 P1的开关调节器20，图5B示出了处于第二阶段P2的开关调节器20，图5C示出了处于第三阶段P3的开关调节器20，并且图5D示出了处于第四阶段P4的开关调节器20。在图5A至图5D中，以粗体示出了电流流经的路径以及处于导通状态的开关。
参照图5A，在第二升压模式下，控制器22可以在第一阶段P1中产生第一开关控制信号CS_SW1a和第二开关控制信号CS_SW2a，使得第一开关电路21_1的第二开关SW1_2和第三开关SW1_3以及第二开关电路21_2的第五开关SW2_1和第八开关SW2_4接通，并且其他开关(例如第一开关SW1_1、第四开关SW1_4、第六开关SW2_2、第七开关SW2_3 和第九开关SW2_5)断开。
第一飞跨电容器CFa的两端可以分别连接到输入节点和电感器L。可以通过处于导通状态的第二开关SW1_2将由第一飞跨电容器CFa升压的施加电压VX提供给电感器L。第二飞跨电容器CFb的两端可以分别连接到输入节点和接地节点，并且可以使用输入电压VIN对第二飞跨电容器CFb进行充电。电感器电流IL可以通过第三开关SW1_3、第一飞跨电容器CFa和第二开关SW1_2从输入节点流到输出电容器CO 和负载LD。因此，如图5E所示，电感器电流IL可以在第一阶段P1 中逐渐增大，并且提供给电感器L的施加电压VX可以等于或接近于升压电压，例如，等于输入电压VIN的大约两倍的电压。
参照图5B，在第二升压模式下，控制器22可以在第二阶段P2中产生第一开关控制信号CS_SW1b和第二开关控制信号CS_SW2b，使得第一开关电路21_1的第一开关SW1_1和第二开关SW1_2以及第二开关电路21_2的第五开关SW2_1和第八开关SW2_4接通，并且其他开关(例如，第三开关SW1_3、第四开关SW1_4、第六开关SW2_2、第七开关SW2_3 和第九开关SW2_5)断开。
在第二阶段P2中，第一飞跨电容器CFa的两端可以浮置，并且第二飞跨电容器CFb的两端可以如第一阶段P1中的那样分别连接到输入节点和接地节点，并因此可以使用输入电压VIN对第二飞跨电容器 CFb进行充电。电感器电流IL可以通过处于导通状态的第一开关SW1_1 和第二开关SW1_2从输入节点流到输出电容器CO和负载LD。因此，如图5E中所示，电感器电流IL可以在第二阶段P2中逐渐减小，并且提供给电感器L的施加电压VX可以等于或接近于输入电压VIN。
参照图5C，在第二升压模式下，控制器22可以在第三阶段P3中产生第一开关控制信号CS_SW1c和第二开关控制信号CS_SW2c，使得第一开关电路21_1的第一开关SW1_1和第四开关SW1_4以及第二开关电路21_2的第六开关SW2_2和第七开关SW2_3接通，并且其他开关(例如，第二开关SW1_2、第三开关SW1_3、第五开关SW2_1、第八开关SW2_4 和第九开关SW2_5)断开。
第一飞跨电容器CFa的两端可以分别连接到输入节点和接地节点，并且可以使用输入电压VIN对第一飞跨电容器CFa进行充电。第二飞跨电容器CFb的两端可以分别连接到输入节点和电感器L，并且通过处于导通状态的第六开关SW2_2将由第二飞跨电容器CFb升压的施加电压VX提供给电感器L。电感器电流IL可以通过第七开关SW2_3、第二飞跨电容器CFb和第六开关SW2_2从输入节点流到输出电容器CO 和负载LD。因此，如图5E中所示，电感器电流IL可以在第三阶段P3 中逐渐增大，并且提供给电感器L的施加电压VX可以等于或接近于升压电压，例如，等于输入电压VIN的大约两倍的电压。
参照图5D，在第二升压模式下，控制器22可以在第四阶段P4中产生第一开关控制信号CS_SW1d和第二开关控制信号CS_SW2d，使得第一开关电路21_1的第一开关SW1_1和第四开关SW1_4以及第二开关电路21_2的第五SW2_1开关和第六开关SW2_2接通，并且其他开关(例如，第二开关SW1_2、第三开关SW1_3、第七开关SW2_3、第八开关SW2_4 和第九开关SW2_5)断开。
在第四阶段P4中，第一飞跨电容器CFa的两端可以如第三阶段P3中的那样分别连接到输入节点和接地节点，并因此可以使用输入电压VIN对第一飞跨电容器CFa进行充电。第二飞跨电容器CFb的两端可以浮置。电感器电流IL可以通过处于导通状态的第五开关SW2_1 和第六开关SW2_2从输入节点流到输出电容器CO和负载LD。因此，如图5E中所示，电感器电流IL可以在第四阶段P4中逐渐减小，并且提供给电感器L的施加电压VX可以等于或接近于输入电压VIN。
如上所述，在第二升压模式中，控制器22可以基于交错开关控制方案来控制第一开关电路21_1和第二开关电路21_2，使得在不同阶段中第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb被交替地充电并连接到电感器L。在图5A至图5D中示出的开关调节器20在第一阶段P1 至第四阶段P4的操作仅是示例实施例，并且本发明构思不限于此。可以用图5D的开关调节器20的操作来代替图5B的开关调节器20在第二阶段P2中的操作，并且可以用图5B的开关调节器20的操作来代替图5D的开关调节器20在第四阶段P4中的操作。
图6A和图6B是根据示例实施例的在作为第二操作模式的降压模式下操作的开关调节器20的电路图，并且图6C是示出了开关调节器 20在降压模式下的操作的时序图，其中图6A和图6B的相应状态重复。图6A示出了处于第一阶段P1中的开关调节器20，并且图6B示出了处于第二阶段P2中的开关调节器20。在图6A和图6B中，以粗体示出了电流流经的路径以及处于导通状态的开关。
参照图6A，在降压模式下，控制器22可以在第一阶段P1中产生第一开关控制信号CS_SW1a和第二开关控制信号CS_SW2a，使得第一开关电路21_1的第一开关SW1_1、第二开关SW1_2和第四开关SW1_4 以及第二开关电路21_2的第五开关SW2_1、第六开关SW2_2和第八开关SW2_4接通，并且其他开关(例如，第三开关SW1_3、第七开关SW2_3 和第九开关SW2_5)断开。
第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb中的每一个飞跨电容器的两端可以分别连接到输入节点和接地节点。电感器L可以通过第一开关电路21_1和第二开关电路21_2连接到输入节点并从而接收与输入电压VIN相对应的施加电压VX。与图5A至图5D不同，在图6A 中，用于对第一飞跨电容器CFa进行充电的电流和流到电感器L的电流可以同时地或同时流经第一开关SW1_1，并且用于对第二飞跨电容器CFb进行充电的电流和流到电感器L的电流可以同时地或同时流经第五开关SW2_1。因此，如图6C中所示，电感器电流IL可以逐渐增加，并且施加电压VX可以等于或接近于输入电压VIN。
参照图6B，在降压模式下，控制器22可以在第二阶段P2中产生第一开关控制信号CS_SW1b和第二开关控制信号CS_SW2b，使得第一开关电路21_1的第一开关SW1_1和第四开关SW1_4以及第二开关电路 21_2的第五开关SW2_1、第八开关SW2_4和第九开关SW2_5接通，并且其他开关(例如，第二开关SW1_2、第三开关SW1_3、第六开关SW2_2 和第七开关SW2_3)断开。
第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb中的每一个飞跨电容器的两端可以分别连接到输入节点和接地节点。电感器L可以通过第二开关电路21_2连接到接地节点并从而接收与接地电压相对应的施加电压VX。因此，如图6C中所示，电感器电流IL可以逐渐减小，并且施加电压VX可以等于或接近于接地电压。
图7A至图7C是根据示例实施例的在作为第二操作模式的降压- 升压模式下操作的开关调节器20的电路图，并且图7D是示出了根据一些示例实施例的开关调节器20在降压-升压模式下的操作的时序图，其中图7A至图7C的相应状态顺序地重复。图7A示出了处于第一阶段P1的开关调节器20，图7B示出了处于第二阶段P2的开关调节器20，并且图7C示出了处于第三阶段P3的开关调节器20。在图7A 至图7C中，以粗体示出了电流流经的路径以及处于导通状态的开关。
参照图7A，在降压-升压模式下，控制器22可以在第一阶段P1 中产生第一开关控制信号CS_SW1a和第二开关控制信号CS_SW2a，使得第一开关电路21_1的第二开关SW1_2和第三开关SW1_3以及第二开关电路21_2的第六开关SW2_2和第七开关SW2_3接通，并且其他开关 (例如，第一开关SW1_1、第四开关SW1_4、第五开关SW2_1、第八开关SW2_4和第九开关SW2_5)断开。
第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb中的每一个飞跨电容器的两端可以分别连接到输入节点和电感器L。可以通过处于导通状态的第二开关SW1_2和第六开关SW2_2将由第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb升压的施加电压VX提供给电感器L。电感器电流IL 可以通过第一开关电路21_1和第二开关电路21_2从输入节点流到输出电容器CO和负载LD。因此，如图7D中所示，电感器电流IL可以在第一阶段P1中逐渐增大，并且提供给电感器L的施加电压VX可以等于或接近于升压电压，例如，等于输入电压VIN的大约两倍的电压。
参照图7B，在降压-升压模式下，控制器22可以在第二阶段P2 中产生第一开关控制信号CS_SW1b和第二开关控制信号CS_SW2b，使得第一开关电路21_1的第一开关SW1_1、第二开关SW1_2和第四开关 SW1_4以及第二开关电路21_2的第五开关SW2_1、第六开关SW2_2和第八开关SW2_4接通，并且其他开关(例如，第三开关SW1_3、第七开关SW2_3和第九开关SW2_5)断开。
第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb中每一个飞跨电容器的两端可以分别连接到输入节点和接地节点，并且可以使用输入电压 VIN对第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb进行充电。电感器电流IL可以通过第一开关电路21_1和第二开关电路21_2从输入节点流到输出电容器CO和负载LD。因此，如图7D中所示，电感器电流IL 可以在第二阶段P2中基本保持恒定，并且施加电压VX可以等于或接近于输入电压VIN。
参照图7C，在降压-降压模式下，控制器22可以在第三阶段P3 中产生第一开关控制信号CS_SW1c和第二开关控制信号CS_SW2c，使得第一开关电路21_1的第一开关SW1_1和第四开关SW1_4以及第二开关电路21_2的第五开关SW2_1、第八开关SW2_4和第九开关SW2_5接通，并且其他开关(例如，第二开关SW1_2、第三开关SW1_3、第六开关SW2_2和第七开关SW2_3)断开。
第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb中的每一个飞跨电容器的两端可以分别连接到输入节点和接地节点。电感器L可以通过第二开关电路21_2连接到接地节点并可以接收与接地电压相对应的施加电压VX。因此，如图7D中所示，电感器电流IL可以逐渐减小，并且施加电压VX可以等于或接近于接地电压。
如上所述，控制器22可以在降压模式期间在一个阶段中相同或类似地控制第一飞跨电容器CFa的连接关系和第二飞跨电容器CFb的连接关系，并且可以产生低于输入电压VIN的输出电压VO。
图8A至图8B是根据示例实施例的在作为第二操作模式的第一升压模式下操作的开关调节器20的电路图，并且图8C是示出了根据一些示例实施例的图8A和图8B的开关调节器20的操作的时序图。图 8A示出了处于第一阶段P1中的开关调节器20，并且图8B示出了处于第二阶段P2中的开关调节器20。在图8A和图8B中，以粗体示出了电流流经的路径以及处于导通状态的开关。
参照图8A，在第一升压模式下，控制器22可以在第一阶段P1中产生第一开关控制信号CS_SW1a和第二开关控制信号CS_SW2a，使得第一开关电路21_1的第二开关SW1_2和第三开关SW1_3以及第二开关电路21_2的第六开关SW2_2和第七开关SW2_3接通，并且其他开关(例如，第一开关SW1_1、第四开关SW1_4、第五开关SW2_1、第八开关SW2_4 和第九开关SW2_5)断开。
第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb中的每一个飞跨电容器的两端可以分别连接到输入节点和电感器L。可以通过处于导通状态的第二开关SW1_2和第六开关SW2_2将由第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb升压的施加电压VX提供给电感器L。电感器电流IL 可以通过第一开关电路21_1和第二开关电路21_2从输入节点流到输出电容器CO和负载LD。因此，如图8C所示，电感器电流IL可以在第一阶段P1中逐渐增大，并且提供给电感器L的施加电压VX可以等于或接近于升压电压，例如，等于输入电压VIN的大约两倍的电压。
参照图8B，在第一升压模式下，控制器22可以在第二阶段P2中产生第一开关控制信号CS_SW1b和第二开关控制信号CS_SW2b，使得第一开关电路21_1的第一开关SW1_1、第二开关SW1_2和第四开关 SW1_4以及第二开关电路21_2的第五开关SW2_1、第六开关SW2_2和第八开关SW2_4接通，并且其他开关(例如，第三开关SW1_3、第七开关SW2_3和第九开关SW2_5)断开。
第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb中每一个飞跨电容器的两端可以分别连接到输入节点和接地节点，并且可以使用输入电压 VIN对第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb进行充电。电感器电流IL可以通过第一开关电路21_1和第二开关电路21_2从输入节点流到输出电容器CO和负载LD。因此，如图8C中所示，电感器电流IL 可以在第二阶段P2中逐渐减小，并且施加电压VX可以等于或接近于输入电压VIN。
如以上参考图6A至图8C所述，控制器22可以基于同步开关控制方案来控制第一开关电路21_1和第二开关电路21_2，使得在一个阶段中第一飞跨电容器CFa的连接结构与第二飞跨电容器CFb的连接结构相同或相似。
尽管图5E、图6C、图7D和图8C示出了在一个开关周期中阶段具有相同的时段或相似的时段，但这仅是为了便于说明。阶段可以具有彼此不同的时段。例如，图5E中的第一阶段P1和第三阶段P3中的每一个阶段的时段可以长于图8C中的第一阶段P1的时段。因此，图5E中的第二阶段P2和第四阶段P4中的每一个阶段的时段可以短于图 8C中的第二阶段P2的时段。换言之，图5E中的第一阶段P1和第三阶段P3中的每一个阶段的时段(或图8C中的第一阶段P1的时段)可以与占空比成比例，并且控制器22可以基于比第一升压模式中的占空比更大的第二升压模式中的占空比来控制第一开关电路21_1和第二开关电路21_2。
图9是根据示例实施例的开关调节器30的电路图。
参照图9，开关调节器30可以包括开关电路31、控制器32、第一飞跨电容器CFa、第二飞跨电容器CFb、电感器L和/或输出电容器 CO。负载LD可以连接到开关调节器30。开关电路31的第一开关SW1 可以对应于图1中的连接开关CSW。
开关电路31可以包括第一开关SW1至第九开关SW9。第一开关 SW1和第四开关SW4可以顺序地串联连接在输入节点与电感器L之间，第六开关SW6至第八开关SW8中的每一个开关的一端可以连接到输入节点。第六开关SW6的另一端可以连接到第一飞跨电容器CFa的一端。第七开关SW7的另一端可以连接到第二飞跨电容器CFb的一端。第八开关SW8的另一端可以连接到第二飞跨电容器CFb的另一端。第三开关SW3可以连接在第二飞跨电容器CFb的另一端与接地节点之间。第二开关SW2可以连接在第一飞跨电容器CFa的一端与第二飞跨电容器 CFb的一端之间。第五开关SW5可以连接在第一飞跨电容器CFa的一端与接地节点之间。第九开关SW9可以连接在电感器L的一端与接地节点之间。如下所述，控制器32可以产生开关控制信号CS_SW，使得第一飞跨电容器CFa、第二飞跨电容器CFb和开关电路31用作充电泵。控制器32可以产生开关控制信号CS_SW，使得由充电泵升压的施加电压VX施加到电感器L。根据一些示例实施例，这里描述为由控制器32 执行的操作可以由处理电路来执行。根据一些示例实施例，这里描述为由开关调节器30执行的操作可以基于由控制器32产生的控制信号来执行。
在实施例中，控制器32可以产生开关控制信号CS_SW，使得使用第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb升压至输入电压VIN的三倍的施加电压VX被施加到电感器L。然而，这仅是示例实施例，并且本发明构思不限于此。开关调节器30可以具有这样的结构，既，该结构包括更多的飞跨电容器和开关并允许升压电压(例如，等于输入电压VIN的N倍的施加电压VX，其中N是等于或大于4的整数)施加到电感器L。在下文中，描述将集中在开关调节器30在第二升压模式下操作的情况，但是应当理解，开关调节器30可以在各种模式下操作。
图10A和图10B是根据示例实施例的在第二升压模式下操作的开关调节器30的电路图，并且图10C是示出了根据一些示例实施例的图 10A和图10B的开关调节器30的操作的时序图。图10A示出了处于第一阶段P1中的开关调节器30，并且图10B示出了处于第二阶段P2中的开关调节器30。在图10A和图10B中，以粗体示出了电流流经的路径以及处于导通状态的开关。
参照图10A，在第二升压模式下，控制器32可以在第一阶段P1 中产生开关控制信号CS_SWa，使得开关电路31的第二开关SW2、第四开关SW4和第八开关SW8接通，并且其他开关(例如，第一开关SW1、第三开关SW3、第五开关SW5、第六开关SW6、第七开关SW7和第九开关SW9)断开。
第二飞跨电容器CFb和第一飞跨电容器CFa可以顺序地串联连接在输入节点与电感器L之间。由第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb升压的施加电压VX可以通过处于导通状态的第二开关SW2、第四开关SW4和第八开关SW8提供给电感器L。电感器电流IL可以通过开关电路31从输入节点流到输出电容器CO和负载LD。因此，如图10C 中所示，电感器电流IL可以在第一阶段P1中逐渐增大，并且提供给电感器L的施加电压VX可以等于或接近于升压电压，例如等于输入电压VIN的大约三倍的电压。
参照图10B，在第二升压模式下，控制器32可以在第二阶段P2 中产生开关控制信号CS_SWb，使得开关电路31的第一开关SW1、第三开关SW3、第四开关SW4、第五开关SW5和第七开关SW7接通，并且其他开关(例如，第二开关SW2、第六开关SW6、第八开关SW8和第九开关SW9)断开。
第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb中每一个飞跨电容器的两端可以分别连接到输入节点和接地节点，并且可以使用输入电压 VIN对第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb进行充电。电感器电流IL可以通过开关电路31从输入节点流到输出电容器CO和负载 LD。因此，如图10C中所示，电感器电流IL可以逐渐减小，并且施加电压VX可以等于或接近于输入电压VIN。
如上参考图10A所述，等于输入电压VIN的三倍的施加电压VX 可以在第一阶段P1中提供给电感器L，并因此第一阶段P1的时段可以减小。换言之，随着在第一阶段P1中提供给电感器L的施加电压 VX的电平的增大，第一阶段P1的时段可以减小。例如，图10C中的第一阶段P1的时段可以短于图5E中的第一阶段P1和第三阶段P3中的每一个阶段的时段。因此，图10C中的第二阶段的时段可以长于图 5E中的第二阶段P2和第四阶段P4中的每一个阶段的时段，并因此可以在图10B的第二阶段P2中充分保证第一飞跨电容器CFa和第二飞跨电容器CFb的充电时间。因此，可以防止异常过大电流流入第一开关SW1，或者可以减少异常过大电流流入第一开关SW1的发生。
图11是根据示例实施例的开关调节器30的电路图。
参考图11，开关调节器30可以包括第一开关电路31_1、第二开关电路31_2、控制器32、电感器L、输出电容器CO和/或第一飞跨电容器至第四飞跨电容器CFa1、CFa2、CFb1和CFb2。负载LD可以连接到开关调节器30。第一开关电路31_1的第一开关SW11和第二开关电路31_2的第十开关SW21可以分别对应于图2A至图2B中的第一连接开关CSW1和第二连接开关CSW2。
第一开关电路31_1可以包括第一开关SW11至第九开关SW19(例如SW11、SW12、SW13、SW14、SW15、SW16、SW17、SW18和SW19)并可以连接到第一飞跨电容器CFa1和第二飞跨电容器CFb1。第二开关电路31_2可以包括第十开关SW21至第十八开关SW29(例如SW21、SW22、SW23、SW24、SW25、SW26、SW27、SW28和SW29)并可以连接到第三飞跨电容器CFa2和第四飞跨电容器CFb2。第一开关电路31_1和第二开关电路31_2的结构与已参考图9详细描述的开关电路31的结构相同或相似，并因此将省略冗余的描述。
控制器32可以根据开关调节器30的操作模式使用不同的开关控制方案来控制第一开关电路31_1和第二开关电路31_2。在实施例中，控制器32可以在第一操作模式下基于交错开关控制方案来控制第一开关电路31_1和第二开关电路31_2，使得在不同阶段中第一飞跨电容器至第四飞跨电容器CFa1、CFa2、CFb1和CFb2被交替地充电并连接到电感器L。控制器32可以在第二操作模式下基于同步开关控制方案来相同或类似地控制第一开关电路31_1和第二开关电路31_2。由于已参考包括图4的附图给出了其详细描述，因此将省略冗余的描述。
图12是根据示例实施例的用于设置开关调节器的操作模式的条件的表。在下文中，为了清楚起见，假定“a”为0.1，并且“b”为 0.5。然而，这仅是用于说明的示例，并且“a”和“b”不限于此并可以被不同地设置。
参考图12，当输出电压VO的目标电平小于输入电压VIN的(1-a) 倍时，开关调节器可以设置在降压模式中。当输出电压VO的目标电平等于或大于输入电压VIN的(1-a)倍且小于输入电压VIN的(1+a) 倍时，开关调节器可以设置在降压-升压模式中。当输出电压VO的目标电平等于或大于输入电压VIN的(1+a)倍且小于输入电压VIN的 (1+b)倍时，开关调节器可以设置在第一升压模式中。当输出电压 VO的目标电平等于或大于输入电压VIN的(1+b)倍时，开关调节器可以设置在第二升压模式中。
在实施例中，当开关调节器设置在第二升压模式中时，可以基于交错开关控制方案来控制开关调节器的开关。当开关调节器设置在第一升压模式、降压模式或降压-升压模式中时，可以基于同步开关控制方案来控制开关调节器的开关。然而，这仅是示例实施例，并且本发明构思不限于此。当开关调节器设置在第一升压模式中时，可以基于交错开关控制方案来控制开关调节器的开关。此外，开关调节器可以设置在更多种的操作模式中，并且可以根据操作模式使用多种开关控制方案来减少连接开关上的电流负载。
图13是根据示例实施例的操作开关调节器的方法的流程图。
参考图13，在操作S100中，开关调节器可以识别输出电压的目标电平。在操作S120中，可以基于输出电压的目标电平来设置开关调节器的操作模式。在操作S140中，开关调节器可以通过基于与操作模式相对应的开关控制方案执行电压转换操作来产生输出电压。
图14是根据示例实施例的图13中的操作S140的详细流程图。
参考图14，在操作S120(图13)之后，在操作S142中，开关调节器可以检查开关调节器是否设置在第二升压模式中。当在操作S142 中开关调节器处于第二升压模式时(例如，在“是”的情况下)，在操作S144中，开关调节器可以基于交错开关控制方案来执行电压转换操作。当在操作S142中开关调节器不处于第二升压模式时(例如，在“否”的情况下)，在操作S146中，开关调节器可以基于同步开关控制方案来执行电压转换操作。
图15是根据示例实施例的系统100的示意图。系统100可以在一些实施例中实现为单个半导体集成电路，例如片上系统(SoC)，或者在一些实施例中可以包括印刷电路板(PCB)和安装在PCB上的封装。如图15中所示，系统100可以包括第一功能块110至第四功能块140 (例如第一功能块110、第二功能块120、第三功能块130和第四功能块140)和/或电源管理集成电路(PMIC)150。
第一功能块110至第四功能块140中的每一个功能块可以基于从 PMIC 150输出的第一电源电压VDD1至第四电源电压VDD4(例如VDD1、 VDD2、VDD3和VDD4)中的相应一个电源电压提供的电力来操作。例如，第一功能块110至第四功能块140中的至少一个功能块可以包括处理数字信号的数字电路，例如应用处理器(AP)，或者处理模拟信号的模拟电路，例如放大器。第一功能块110至第四功能块140中的至少一个功能块可以包括处理混合信号的电路，例如模数转换器(ADC)。尽管在图15中系统100包括四个功能块，但在一些实施例中，系统100 可以包括更少或更多的功能块。
PMIC 150可以根据输入电压VIN产生第一电源电压VDD1至第四电源电压VDD4，并且响应于电压控制信号C_V而改变第一电源电压 VDD1至第四电源电压VDD4中的至少一个电源电压的电平。第一功能块110至第四功能块140中的至少一个功能块可以接收具有这样的电平的电源电压，即，该电平随着第一功能块110至第四功能块140中的至少一个功能块的性能和功耗而动态变化。例如，第一功能块110 可以包括处理图像数据的图像处理器。第一功能块110可以在处理包括一系列图像的视频时接收具有高电平的第一电源电压VDD1。第一功能块110可以在处理包括单个图像的照片时接收具有低电平的第一电源电压VDD1。PMIC 150可以接收与第一功能块110的性能和功耗相对应的电压控制信号C_V，并且可以基于电压控制信号C_V来增大或减小第一电源电压VDD1的电平。如上所述，动态地改变功能块的电源电压的电平的方法可以被称为动态电压缩放。
PMIC 150可以包括上面已参考附图描述的任何开关调节器(例如，开关调节器10、开关调节器20和/或开关调节器30)。根据一些示例实施例，PMIC 150可以根据输入电压VIN产生第一电源电压VDD1至第四电源电压VDD4，并且使用开关调节器响应于电压控制信号C_V而改变第一电源电压VDD1至第四电源电压VDD4中的至少一个电源电压的电平。因此，当第一电源电压VDD1保持在某一电平时，第一电源电压VDD1可以具有减小的噪声。由于减小了第一电源电压VDD1中的噪音，因此可以提高第一功能块110和系统100的操作可靠性。另外，可以快速地改变第一电源电压VDD1的电平。在一些实施例中，第一功能块110可以在第一电源电压VDD1的电平正被改变时停止操作，并且可以在第一电源电压VDD1的电平被改变之后重新开始操作。因此，当第一电源电压VDD1的电平被快速地改变时，第一功能块110的操作时间可以减少。因此，系统100可以提供改善的性能。另外，PMIC 150 可以包括具有减小的尺寸的元件(例如，连接开关)，因此PMIC 150 可以容易地与第一功能块110至第四功能块140集成在单个封装中。
图16是根据示例实施例的无线通信设备200的框图。具体地，图16示出了由电池250供电的用户设备(UE)(或用户终端)。在一些实施例中，可以使用蜂窝网络、无线局域网(WLAN)系统、或另一无线通信系统将无线通信设备200包括在诸如第五代(5G)或长期演进(LTE)的无线通信系统中。在无线通信设备200中，根据示例实施例的开关调节器可以用于向功率放大器(PA)216供应可变的电力。如图16中所示，无线通信设备200可以包括收发器210、基带处理器220、天线230、电源电路240和/或电池250。
收发器210可以包括天线接口(IF)电路211、接收机和/或发射机。接收机可以包括输入电路212、低噪声放大器(LNA)213和/或接收机(RX)电路214。发射机可以包括发射机(TX)电路215、PA 216 和/或输出电路217。天线IF电路211可以根据TX模式和/或RX模式将发射机和/或接收机连接到天线230。在一些实施例中，输入电路212 可以包括匹配电路或滤波器，LNA 213可以放大输入电路212的输出信号，和/或RX电路214可以包括用于下变频的混频器。在一些实施例中，TX电路215可以包括用于上变频的混频器，PA 216可以放大 TX电路215的输出信号，和/或输出电路217可以包括匹配电路和/或滤波器。
基带处理器220可以向收发器210发送和/或从收发器210接收基带信号，并且可以执行调制、解调、编码和/或解码。在一些实施例中，基带处理器220可以被称为调制解调器。基带处理器220可以产生设置信号SET，设置信号SET用于设置平均功率跟踪模式和/或包络跟踪模式，和/或用于改变输出电压VO的电平。
电源电路240可以从电池250接收输入电压VIN，并且产生向PA 216供电的输出电压VO。电源电路240可以包括上面已参考附图描述的任何开关调节器(例如开关调节器10、开关调节器20和/或开关调节器30)，并且可以使输出电压VO的电平能够快速地改变并保持稳定。根据一些示例实施例，电源电路240根据输入电压VIN产生输出电压VO，并且通过使用开关调节器使输出电压VO的电平能够快速地改变并保持稳定。
尽管已参考本发明构思的实施例具体示出和描述了本发明构思，但是应当理解，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (25)

1.一种开关调节器，被配置为根据输入电压产生电平控制的输出电压，所述开关调节器包括：
电感器；
输出电容器，被配置为基于流经所述电感器的电流来产生所述电平控制的输出电压；
至少两个飞跨电容器；以及
多个开关，被配置为当所述开关调节器在第一操作模式下操作时形成电连接，以执行以下操作：
使用所述输入电压交替地对所述至少两个飞跨电容器中的每一个飞跨电容器进行充电，以及
使用所述至少两个飞跨电容器中的充电的飞跨电容器向所述电感器提供第一升压电压。
2.根据权利要求1所述的开关调节器，其中
所述开关调节器被配置为当所述电平控制的输出电压的目标电压电平等于或高于参考电压电平时在所述第一操作模式下操作。
3.根据权利要求1所述的开关调节器，其中
所述多个开关包括多个连接开关，所述多个连接开关连接到所述至少两个飞跨电容器并被配置为形成电连接以选择性地将所述输入电压施加到所述至少两个飞跨电容器中的至少一个飞跨电容器。
4.根据权利要求3所述的开关调节器，其中
所述多个连接开关中的至少一个连接开关被配置为当所述开关调节器在所述第一操作模式下操作时接通以通过多个路径中的一个路径输出电流。
5.根据权利要求4所述的开关调节器，其中
所述多个路径包括朝向所述至少两个飞跨电容器中的一个飞跨电容器的第一路径和朝向所述电感器的第二路径。
6.根据权利要求1所述的开关调节器，其中
所述至少两个飞跨电容器包括第一飞跨电容器和第二飞跨电容器；并且
所述多个开关被配置为当所述开关调节器在所述第一操作模式的第一阶段中操作时形成电连接以执行以下操作：
将所述电感器连接到所述第一飞跨电容器，以及
在所述第一操作模式期间的第一阶段中使用所述输入电压对所述第二飞跨电容器进行充电。
7.根据权利要求6所述的开关调节器，其中
所述多个开关被配置为当所述开关调节器在所述第一操作模式的第二阶段中操作时形成电连接以执行以下操作：
将所述电感器连接到所述第二飞跨电容器，以及
使用所述输入电压对所述第一飞跨电容器进行充电。
8.根据权利要求7所述的开关调节器，其中
所述多个开关被配置为当所述开关调节器在所述第一操作模式的第三阶段中操作时形成电连接以通过第一路径向所述电感器提供所述输入电压，所述第一路径通过所述多个开关中的连接到所述第一飞跨电容器的一端的第一开关。
9.根据权利要求8所述的开关调节器，其中
所述多个开关被配置为当所述开关调节器在所述第一操作模式的第四阶段中操作时形成电连接以通过第二路径向所述电感器提供所述输入电压，所述第二路径通过所述多个开关中的连接到所述第二飞跨电容器的一端的第二开关。
10.根据权利要求1所述的开关调节器，其中
所述开关调节器被配置为在所述第一操作模式或不同于所述第一操作模式的第二操作模式下操作；并且
所述多个开关被配置为当所述开关调节器在所述第二操作模式下操作时形成电连接以执行以下操作：
使用所述输入电压同时对所述至少两个飞跨电容器进行充电，以及
使用所述至少两个飞跨电容器中的所有飞跨电容器向所述电感器提供第二升压电压。
11.根据权利要求10所述的开关调节器，其中
所述开关调节器被配置为当所述电平控制的输出电压的目标电压电平低于参考电压电平时在所述第二操作模式下操作。
12.根据权利要求10所述的开关调节器，其中
所述多个开关被配置为形成电连接以执行以下操作：
当所述开关调节器在所述第二操作模式的第一阶段中操作时将所述电感器连接到所述至少两个飞跨电容器，以及
当所述开关调节器在所述第二操作模式的第二阶段中操作时使用所述输入电压对所述至少两个飞跨电容器进行充电。
13.根据权利要求1所述的开关调节器，其中
流经所述电感器的电流被提供给所述输出电容器和接收所述电平控制的输出电压的负载。
14.根据权利要求1所述的开关调节器，其中
所述输出电容器连接到所述电感器。
15.一种开关调节器，被配置为根据输入电压产生电平控制的输出电压，所述开关调节器包括：
电感器；
输出电容器，被配置为基于流经所述电感器的电流来产生所述电平控制的输出电压；
第一飞跨电容器，被配置为向所述电感器提供第一升压电压；
第二飞跨电容器，被配置为向所述电感器提供第二升压电压；
第一开关电路，连接到所述第一飞跨电容器并被配置为形成电连接以执行以下操作：
当所述开关调节器在第一操作模式的第一阶段中操作时将所述第一飞跨电容器连接到所述电感器，所述第一操作模式基于交错开关控制方案，以及
当所述开关调节器在所述第一操作模式的第二阶段中操作时使用所述输入电压对所述第一飞跨电容器进行充电；以及
第二开关电路，连接到所述第二飞跨电容器并被配置为形成电连接以执行以下操作：
当所述开关调节器在所述第一操作模式的所述第一阶段中操作时使用所述输入电压对所述第二飞跨电容器进行充电；以及
当所述开关调节器在所述第一操作模式的所述第二阶段中操作时将所述第二飞跨电容器连接到所述电感器。
16.根据权利要求15所述的开关调节器，其中
所述第一开关电路和所述第二开关电路在接收所述输入电压的端子与所述电感器之间彼此并联连接。
17.根据权利要求15所述的开关调节器，其中
所述第一操作模式包括第一升压模式，所述第一升压模式用于产生具有等于或高于参考电压电平的电压电平的所述电平控制的输出电压。
18.根据权利要求15所述的开关调节器，其中
所述第一开关电路和所述第二开关电路中的每一个开关电路被配置为在所述第一操作模式下使相应的电流通过相应的路径。
19.根据权利要求15所述的开关调节器，其中
所述第一开关电路被配置为当所述开关调节器在所述第一操作模式的所述第一阶段和第三阶段中操作时形成电连接以基于从所述第一开关电路输出的第一电流产生所述电平控制的输出电压；并且
所述第二开关电路被配置为当所述开关调节器在所述第一操作模式的所述第一阶段和所述第三阶段中操作时形成电连接以对所述第二飞跨电容器进行充电。
20.根据权利要求19所述的开关调节器，其中
所述第一开关电路被配置为当所述开关调节器在所述第一操作模式的所述第二阶段和第四阶段中操作时形成电连接以对所述第一飞跨电容器进行充电；并且
所述第二开关电路被配置为当所述开关调节器在所述第一操作模式的所述第二阶段和所述第四阶段中操作时形成电连接以基于从所述第二开关电路输出的第二电流产生所述电平控制的输出电压。
21.根据权利要求15所述的开关调节器，其中
所述开关调节器被配置为在所述第一操作模式或不同于所述第一操作模式的第二操作模式下操作，所述第二操作模式基于同步开关控制方案；
所述第一开关电路被配置为当所述开关调节器在所述第二操作模式下操作时形成电连接以同时执行以下操作：
将所述第一飞跨电容器连接到所述电感器，以及
对所述第一飞跨电容器进行充电；并且
所述第二开关电路被配置为当所述开关调节器在所述第二操作模式下操作时形成电连接以同时执行以下操作：
将所述第二飞跨电容器连接到所述电感器，以及
对所述第二飞跨电容器进行充电。
22.根据权利要求21所述的开关调节器，其中
所述第二操作模式包括降压-升压模式和第二升压模式，所述降压-升压模式和所述第二升压模式中的每一个用于产生具有低于参考电压电平的电压电平的所述电平控制的输出电压。
23.根据权利要求15所述的开关调节器，其中
所述开关调节器被配置为在所述第一操作模式或不同于所述第一操作模式的第二操作模式下操作；
所述第一开关电路被配置为当所述开关调节器在所述第二操作模式下操作时形成电连接以同时执行以下操作：
将所述第一飞跨电容器连接到所述电感器，以及
对所述第一飞跨电容器进行充电；并且
当所述开关调节器在所述第二操作模式下操作时，所述第二开关电路被禁用。
24.一种开关调节器，被配置为根据输入电压产生输出电压，所述开关调节器包括：
电感器；
输出电容器，被配置为基于流经所述电感器的电流来产生所述输出电压；
多个第一飞跨电容器；以及
第一开关电路，被配置为通过形成电连接以执行以下操作来在降压-升压模式或升压模式中的一个模式下向所述电感器提供从所述输入电压升压的第一升压电压：
在第一阶段中使用所述输入电压对所述多个第一飞跨电容器中的每一个第一飞跨电容器进行充电，以及
在第二阶段中将所述多个第一飞跨电容器串联连接到所述电感器。
25.根据权利要求24所述的开关调节器，还包括：
多个第二飞跨电容器；以及
第二开关电路，被配置为通过形成电连接以执行以下操作来基于交错开关控制方案在所述升压模式下向所述电感器提供从所述输入电压升压的第二升压电压：
在不同于所述第一阶段的阶段中使用所述输入电压对所述多个第二飞跨电容器进行充电，以及
在不同于所述第二阶段的阶段中将所述多个第二飞跨电容器串联连接到所述电感器。
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