CN111869073A - 可选择转换比dc至dc转换器 - Google Patents

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Abstract

一种单个集成电路DC至DC转换解决方案，其可以与需要至少两个不同的DC至DC转换比的产品设计结合使用，具体地可以与需要2分压DC至DC的降压转换比和3分压DC至DC的降压转换比两者或者2倍增DC至DC升压转换比和3倍增DC至DC升压转换比两者的产品设计结合使用。实施方式在至少用于实现第一转换比的第一迪克森转换器配置与用于实现不同于第一转换比的第二转换比的第二迪克森转换器配置之间可重新配置，该第一迪克森转换器配置包括两个非并联电容器(两个非并联电容器中任何一个可以在芯片外)以及相关联的受控多相开关，该第二迪克森转换器配置包括与第一电路配置相比较少数目的等效电容器(这可以通过使第一配置的至少两个非并联电容器并联来实现)以及相关联的受控多相开关。

Description

可选择转换比DC至DC转换器
相关申请的交叉引用
本申请要求以下专利申请的优先权：于2018年3月13日提交的题为“SelectableConversion Ratio DC-DC Converter”的美国专利申请序列第15/920,327号，该美国专利申请被转让给本发明的受让人，其全部内容通过引用并入。
背景
(1)技术领域
本发明涉及电子电路，并且更具体地涉及DC至DC转换器电路。
(2)背景技术
许多电子产品使用锂离子(Li-Ion)电池作为电源，特别是移动计算和/或通信产品(例如，笔记本计算机、超级本计算机和平板设备)使用锂离子(Li-Ion)电池作为电源。Li-Ion电池通常以两个或三个串联连接的电池单元(包括这样串联连接的电池单元的并联组)的形式出现，所述两个或三个串联连接的电池单元具有主要取决于电池化学性质(battery chemistry)的每电池单元约3V至5V的标称开路电压。通常可得到的2-单元Li-Ion电池可以提供约6V DC至10V DC的输出电压范围，而通常可得到的3-单元Li-Ion电池可以提供约9V DC至约15V-16V DC的输出电压范围。
许多电池操作的电子系统需要多个电压电平。例如，无线电发射机功率放大器可能需要相对高的电压(例如，12V或更高)，而逻辑电路可能需要相当低的电压电平(例如，1V至2V)。但其他电路可能需要中间电压电平(例如，5V至10V)。
通常使用DC至DC转换器来从DC电源生成较低的DC电压或较高的DC电压。从较高电压的DC电源生成中间电压电平和/或低电压电平的DC至DC转换器通常被称为降压转换器，之所以这样称呼是因为VOUT小于VIN，并且因此该转换器使输入电压“降压”。生成高于DC电源的电压电平的DC至DC转换器通常被称为升压转换器，这是因为VOUT大于VIN。存在许多用来创建降压转换器和升压转换器的选择，包括电感电路、电容电路和线性调节器(包括低压降(LDO)调节器)电路，其中尺寸和效率是这些选择之间的重要差异。对于典型的降压DC至DC转换器，在单个降压转换步骤中输入电压的大幅下降(例如，从15V至1.8V)通常效率低。在电感降压转换器的情况下，大的转换比将需要相当大的电感器，这对于许多应用通常是不可接受的，特别是对于移动应用是不可接受的。对于线性转换器，这样大的转换比将是不可接受地效率低。
虽然最有效的DC至DC转换器通常需要电感器，但是较小的转换器可以基于开关电容器(SC)设计来实现。开关电容器DC至DC转换器不需要电感器，并且因此非常适合于移动电池供电的应用。开关电容器DC至DC转换器通常是可以具有一些外部部件(例如电容器)的集成电路(IC)，并且在一些情况下开关电容器DC至DC转换器的特征在于具有固定的基于整数的转换比(例如，2分压或3分压)，而不是分数转换比。减压降压SC DC至DC转换器通常根据下述原理进行工作：对串联的电容器进行充电并且然后将所述电容器切换至其他配置(例如，并联)以基于不同配置之间的电荷共用来创建期望的输出电压。特定类型的SC DC至DC转换器是迪克森(Dickson)转换器，迪克森转换器紧凑且非常适合于需要初始基于整数的降压转换例如2分压或3分压的移动应用。先前的迪克森转换器只能够提供单个整数分压比，从而限制了灵活性并且针对制造商增加了库存要求。迪克森转换器操作的一般性讨论可以例如通过加州大学伯克利分校电气工程和计算机科学系的Vincent Wai-Shan Ng和Seth R.Sanders在2011年8月17日的技术报告第UCB/EECS-2011-94号的题为“SwitchedCapacitor DC-DC Converter:Superior where the Buck Converter has Dominated”中找到(具体参见例如第8页至第11页)。
图1是现有技术的2-单元电池102以及包括开关电容器2分压DC至DC转换器102的电子系统的框图100。2-单元电池102提供可以施加至较高电压电路106的DC输出电压VHI；这样的电路可以包括用于提供均匀的内部电压的合适的电压调节器。对于使用Li-Ion技术的2-单元电池102，VHI通常为约6V至10V。2分压SC DC至DC转换器104将VHI降压转换成可以施加至中间电压电路108的中间电压VINT。对于使用Li-Ion技术的2-单元电池102，VINT通常为约3V至5V。
2分压SC DC至DC转换器104的输出可以可选地被一个或更多个次级DC至DC转换器110进一步降压转换至甚至更低的输出电压VLOW，例如1V至1.8V。当从VINT到VLOW的减压比相对低时，次级DC至DC转换器110可以为几乎任何类型的电感降压DC至DC转换器、电容降压DC至DC转换器或线性降压DC至DC转换器。例如，VLOW可以由例如模拟LDO调节器的电压调节器电路生成；LDO调节器可以输出任何电压，但是通常效率低。
图2是现有技术的3-单元电池202以及包括开关电容器3分压DC至DC转换器204的电子系统的框图200。虽然与图1非常类似，但是由于3-单元电池202的较高电压(对于Li-Ion技术通常为约9V至约15V-16V)，因此必须使用3分压DC至DC转换器204来获得与图1的2-单元电池102系统中的VINT(即，约3V至5V)相同的电平。
对于所有DC至DC转换器，效率是用来延长电池寿命并且降低系统成本和重量的关键。特别地，对于许多电子部件和系统而言低成本至关重要。此外，电子产品的制造商通常期望可以在基本上不牺牲效率或增加成本的情况下应用于一个以上的设计的灵活部件，例如可以处理具有2个单元或具有3个单元的电池系统的电池管理系统。然而，如图1和图2所示，系统中电池单元的数目由于基于离散整数的分压比的这样的转换器对制造商使用2分压SC DC至DC转换器IC或3分压SC DC至DC转换器IC施加了限制。因此，针对各种产品，制造商必须获得、库存和管理两个单独的SC DC至DC转换器部件的部署，以接纳2-单元电池尺寸和3-单元电池尺寸两者，所有这些增加了制造成本。
因此，所需要的是：可以与需要至少两个不同的DC至DC降压转换比的产品设计结合使用的单芯片解决方案。如果这样的产品还可以允许至少两个不同的DC至DC升压转换比，则将是有用的。这样的单芯片解决方案能够使成本更低，并且使部件的获得和管理更容易。本发明解决了这些和其他需求。
发明内容
本发明涵盖单芯片解决方案，其可以与需要至少两个不同的DC至DC转换比的产品设计结合使用，具体地可以与需要2分压DC至DC降压转换比和3分压DC至DC降压转换比两者或者2倍增DC至DC升压转换比和3倍增DC至DC升压转换比两者的产品设计结合使用。由本发明涵盖的单芯片解决方案使成本更低，并且使部件的获得和管理能够更容易。
本发明的优选实施方式涵盖可以在提供可选择整数分压比(具体地，降压转换比为2或3)的同时保持高效率的新型开关电容器DC/DC转换器。
公开了提供至少两个不同的DC至DC转换比的许多不同的电路。实施方式在用于实现第一转换比的第一配置与用于实现不同于第一转换比的第二转换比的第二配置之间可重新配置，所述第一配置包括至少两个非并联电容器(两个非并联电容器中的任何一个可以在芯片外)以及相关联的受控多相开关，所述第二配置包括与第一电路配置相比较少数目的等效电容器(这可以通过使第一配置的至少两个非并联电容器并联来实现)以及相关联的受控多相开关。
更具体地，本发明的优选实施方式涵盖可以在提供可选择整数分压比(具体地，降压转换比为2或3)的同时保持高效率的新型开关电容器DC/DC转换器。新型DC至DC转换集成电路的一个实施方式包括：第一电路配置，该第一电路配置能够作为迪克森转换器电路进行操作，以将施加的输入电压转换为相对于施加的输入电压具有第一转换比的第一输出电压；第二电路配置，该第二电路配置能够作为迪克森转换器电路进行操作，以将所施加的输入电压转换为相对于所施加的输入电压具有第二转换比的第二输出电压；配置元件，该配置元件用于将DC至DC转换电路选择性地配置为第一电路配置或第二电路配置中的一个；以及可配置时钟信号控制电路，耦接至第一电路配置和第二电路配置，该可配置时钟信号控制电路选择性地输出用于操作第一电路配置的第一组时钟信号以及用于操作第二电路配置的第二组时钟信号。
在一些实施方式中，在第一配置中，可选择时钟信号控制电路将第一时钟信号相位输出至开关阵列的至少一个开关，第一电容器与第二电容器不并联连接，并且开关阵列响应于第一时钟信号相位和第二时钟信号相位的相应施加进行操作，以对第一电容器和第二电容器进行周期性地充电和放电，以在输出电压端子处提供相对于输入电压具有第一比的输出电压。在第二配置中，可选择时钟信号控制电路将第二时钟信号相位输出至开关阵列的至少一个开关，第一电容器与第二电容器并联连接，并且开关阵列响应于第一时钟信号相位和第二时钟信号相位的相应施加进行操作，以对并联的第一电容器和第二电容器(即，基本上作为单个较大的电容器)进行周期性地充电和放电，以在输出电压端子处提供相对于输入电压具有第二比的输出电压，第二比与第一比不同。
在其他实施方式中，在第一配置中，其中第一电容器和第二电容器已耦接至开关阵列，并且第一电容器与第二电容器不并联连接，开关阵列响应于第一时钟信号相位和第二时钟信号相位的相应施加进行操作，以对第一电容器和第二电容器进行周期性地充电和放电，以在输出电压端子处提供相对于输入电压具有第一比的输出电压。在第二配置中，第一电容器和第二电容器中的仅一个耦接至开关阵列，并且开关阵列响应于第一时钟信号相位或第二时钟信号相位或者第一逻辑状态或第二逻辑状态的相应施加进行操作，以对耦接至开关阵列的一个电容器进行周期性地充电和放电，以在输出电压端子处提供相对于输入电压具有第二比的输出电压，第二比与第一比不同。
附图说明
在附图和以下描述中阐述了本发明的一个或更多个实施方式的细节。根据说明书和附图以及根据权利要求书，本发明的其他特征、目的和优点将变得明显。
图1是现有技术的2-单元电池以及包括开关电容器2分压DC至DC转换器的电子系统的框图。
图2是现有技术的3-单元电池以及包括开关电容器3分压DC至DC转换器的电子系统的框图。
图3A是现有技术的2分压迪克森转换器的示意图。
图3B是与图3A示出的电路结合使用的具有两个相位的多相时钟信号的时序图。
图4是现有技术的3分压迪克森转换器的示意图。
图5是可选择转换比DC至DC转换器的第一实施方式的示意图。
图6是用于生成可选择时钟信号Px的一个可变相位时钟生成电路的示意图。
图7是可选择转换比DC至DC转换器的第二实施方式的示意图。
图8A是可选择转换比DC至DC转换器的第三实施方式的示意图。
图8B示出了基于SELECT(选择)信号的状态输出输入时钟相位Pn(即，P1或P2)或者逻辑“1”的一个简单电路。
图8C示出了基于SELECT信号的状态输出输入时钟相位Pn(即，P1或P2)或者逻辑“0”的一个简单电路。
图9A是可选择转换比DC至DC转换器的第四实施方式的处于3分压迪克森转换器配置的示意图。
图9B是图9A的可选择转换比DC至DC转换器的第四实施方式的示意图，但是处于2分压迪克森转换器配置。
图10是描绘用于DC至DC转换的第一方法的过程流程图。
图11是描绘用于DC至DC转换的第二方法的过程流程图。
在各个附图中相似的附图标记和名称指示相似的元件。
具体实施方式
本发明涵盖单芯片解决方案，其可以与需要至少两个不同的DC至DC转换比的产品设计结合使用，具体地可以与需要2分压DC至DC降压转换比和3分压DC至DC降压转换比两者或者2倍增DC至DC升压转换比和3倍增DC至DC升压转换比两者的产品设计结合使用。由本发明涵盖的单芯片解决方案使成本更低，并且使部件的获得和管理能够更容易。
本发明的优选实施方式涵盖可以在提供可选择整数分压比(具体地，降压转换比为2或3)的同时保持高效率的新型开关电容器DC/DC转换器。新型DC至DC转换集成电路的一个实施方式包括：第一电路配置，该第一电路配置能够作为迪克森转换器电路进行操作，以将施加的输入电压转换为相对于施加的输入电压具有第一转换比的第一输出电压；第二电路配置，该第二电路配置能够作为迪克森转换器电路进行操作，以将所施加的输入电压转换为相对于所施加的输入电压具有第二转换比的第二输出电压；配置元件，该配置元件用于将DC至DC转换电路选择性地配置为第一电路配置或第二电路配置中的一个；以及可配置时钟信号控制电路，耦接至第一电路配置和第二电路配置，该可配置时钟信号控制电路选择性地输出用于操作第一电路配置的第一组时钟信号以及用于操作第二电路配置的第二组时钟信号。
由于用于本发明的实施方式的架构是基于迪克森转换器拓扑的新型混合变型的开关电容器(SC)设计，因此对常规迪克森转换器拓扑的更好理解将有助于理解如何制作和使用本发明的实施方式。
2分压迪克森转换器拓扑
图3A是现有技术的2分压迪克森转换器300的示意图。示出的转换器300包括耦接在电压源VIN与参考电势304例如电路接地之间的两个并联单元302a、302b。每个单元302a、302b包括4个串联连接的开关306a1至306a4、306b1至306b4。每个开关可以是例如一个或更多个场效应晶体管(FET)，例如一个或更多个MOSFET。
每个开关306a1至306a4、306b1至306b4耦接至两个时钟相位P1或P2中的一个。图3B是与图3A示出的电路结合使用的具有两个相位的多相时钟信号的时序图350；通常，相位P1和P2的脉冲应当不交叠。
关注图3A示出的左单元302a，电容器C1a耦接在上交替相位对(P1、P2)开关306a1、306a2与下交替相位对(P1、P2)开关306a3、306a4之间。在操作中，当P1开关闭合时，对与耦接至输出节点VOUT的输出电容器COUT串联的电容器C1a进行充电。电容器C1a充电一直到中间电压VINT＝VIN－VOUT，并且保持在VINT处，直至P1开关断开并且P2开关闭合。当P1开关断开并且P2开关闭合事件发生时，电容器C1a与耦接至VOUT的输出电容器COUT并联放置；因此，电容器C1a上的电荷被提供至输出节点VOUT，从而使得COUT能够进行充电。以每个完整的时钟周期重复该过程。将基尔霍夫电流定律(KCL)应用于布置的节点示出了在稳定状态下，VOUT将保持在VIN/2处——即，使VOUT处的电压降压转换为输入电压VIN的一半，转换比为2:1。
除了右单元302b的开关306b1至306b4的极性相对于左单元302a的开关306a1至306a4是180°异相之外，图3A示出的右单元302b的布局与左单元302a基本相同。因此，例如，施加至单元302b中的开关306b1的时钟信号是P2，而施加至单元302a中的开关306a1的时钟信号是P1。
3分压迪克森转换器拓扑
图4是现有技术的3分压迪克森转换器400的示意图。示出的转换器400根据与图3A的转换器300相同的原理进行操作，但是每个互补单元402a、402b具有三个附加开关和一个附加电容器。更具体地，关注图4示出的左单元402a，单元402a包括3个串联连接的开关406a1至406a3，所述3个串联连接的开关406a1至406a3串联耦接至第一分支，该第一分支包括2个串联连接的开关406a4和406a5，并且所述3个串联连接的开关406a1至406a3串联耦接至第二分支，该第二分支包括2个串联连接的开关406a4'和406a5'。每个开关可以包括例如一个或更多个FET，所述一个或更多个FET包括一个或更多个MOSFET。每个开关耦接至两个互补时钟相位P1或P2中的一个。
第一电容器C1a耦接在第一上交替相位对(P1、P2)开关406a1、406a2与第一分支交替相位对(P1、P2)开关406a4、406a5之间。第二电容器C2a耦接在第二上交替相位对(P2、P1)开关406a2、406a3与第二分支交替相位对(P2、P1)开关406a4'、406a5'之间。
在该示例中，转换器400通过3个电容器(例如，C1a、C2a和COUT)将VIN分压为VOUT＝VIN/3的输出电压。除了附加电容器C2a与电容器C1a串联充电之外，操作与图3A的转换器300类似，从而增加了分压比并且将输出电压降低为VIN/3，转换比为3:1。
除了右单元402b的开关的极性相对于左单元402a的开关是180°异相之外，图4示出的右单元402b的布局与左单元402a基本上相同(已经省略了右单元402b中的附图标记以避免混乱)。
可选择转换比DC至DC转换器
应当清楚，图3A的固定的2分压迪克森转换器300与图4的固定的3分压迪克森转换器400基本上不同，并且固定的2分压迪克森转换器300和固定的3分压迪克森转换器400两个不能互换。本发明的目标是公开可以以提供至少两个不同的DC至DC转换比这样的方式操作的单个电路，特别是以提供基于整数的转换比，并且更具体地是2分压DC至DC降压转换比和3分压DC至DC降压转换比两者，或者2倍增DC至DC升压转换比和3倍增DC至DC升压转换比两者这样的方式操作的单个电路。
公开了提供至少两个不同的DC至DC转换比的许多不同的电路。在最一般的情形中，实施方式在被操作成实现第一转换比的第一配置与被操作成实现与第一转换比不同的第二转换比的第二配置之间可重新配置，所述第一配置包括至少两个非并联电容器(两个非并联电容器中的任何一个可以在芯片外)以及相关联的受控多相开关，所述第二配置包括与第一电路配置相比较少数目的等效电容器(这可以通过使第一配置的至少两个非并联电容器并联来实现)以及相关联的受控多相开关。
第一实施方式
图5是可选择转换比DC至DC转换器500的第一实施方式的示意图。特别地，具体示出的转换器500可以使用相同的基本电路被选择性地配置成2分压迪克森转换器或3分压迪克森转换器。通过对电压输入和电压输出进行反转，相同的转换器500可以用于DC至DC升压转换。
如所示出的，除了每个单元502a、502b包括添加的相应配置元件504a、504b以及可替选的“DIV3”导体和“DIV2”导体(已经省略了图4中的附图标记以避免混乱)之外，由时钟信号P1和P2控制的开关阵列的布局以及电容器C1a、C2a、C1b、C1b的布局与图4的3分压迪克森转换器400基本上相同。另外，在单元502a中，直接地耦接至VIN的开关506a由可选择时钟信号Px控制，而在互补单元502b中，直接地耦接至VIN的开关506b由互补可选择时钟信号
Figure BDA0002677481220000091
控制。
当配置元件504a、504b被配置成将相应电容器C1a、C1b耦接至对应的DIV3导体，并且时钟信号Px的相位被设置成与单元502a中的P1相同，并且互补时钟信号
Figure BDA0002677481220000092
的相位被设置成与单元502b中的P2相同时，则转换器500以与图4的常规转换器400完全相同的方式作为3分压迪克森转换器电路进行操作；因此，VOUT＝VIN/3。
当配置元件504a、504b被配置成将相应电容器C1a、C1b耦接至对应的DIV2导体时，则电容器C1x与另一单元的C2x电容器并联连接。因此，在示出的示例中，单元502a中的电容器C1a与单元502b中的电容器C2b并联耦接，而单元502b中的电容器C1b与单元502a中的电容器C2a并联耦接。此外，在DIV2配置中，时钟信号Px的相位被设置成与单元502a中的P2相同(而不是与DIV3配置中的P1相同)，并且互补时钟信号
Figure BDA0002677481220000093
的相位被设置成与单元502b中的P1相同(而不是与DIV3配置中的P2相同)。如此配置，两个电容器(例如，C1a和C2b或者C1b和C2a)的并联布置有效地形成了单个等效电容器，并且从而消除了在转换器500的每个单元502a、502b中具有的第二独立电容器。因此，转换器500以与图3A的常规转换器300完全相同的方式作为2分压迪克森转换器电路进行操作，并且因此，VOUT＝VIN/2。注意，与图3A的常规转换器300相比，由于电容器C1a和C2b的并联耦接以及电容器C1b和C2a的并联耦接，示出的实施方式的2分压配置具有增加的电流容量。
图6是用于生成可选择时钟信号Px的一个可变相位时钟生成电路600的示意图。互补信号P1和P2(例如，与图3B示出的信号类似)作为输入耦接至相应的并联与门602、604。SELECT信号耦接至与门602的另一输入并且SELECT信号在穿过反相器606之后耦接至与门604的另一输入。与门602、604的输出耦接至或门608，该或门608的输出为Px；另一反相器610生成互补
Figure BDA0002677481220000101
当SELECT为逻辑1时，则Px跟踪P1的状态(即，当P1＝0时Px＝0，并且当P1＝1时Px＝1)。相反，当SELECT为逻辑0时，则Px跟踪P2的状态(即，当P2＝0时Px＝0，并且当P2＝1时Px＝1)。应当清楚，图6的电路实质上是简单的多路复用器，并且存在许多其他方式用于针对转换器500的DIV2和DIV3配置根据需要“交换”开关506a、506b的P1和P2时钟信号。
对于特定转换配置，可以针对特定实施方式来静态地设置SELECT信号(例如，永久地连接至电压接地或连接至电路接地，未示出)、或者选择性地设置SELECT信号(例如，利用机械开关或电子开关，未示出)或者在程序控制(电路未示出)下动态地设置SELECT信号。注意，动态地设置SELECT信号需要电容器(例如，C1a、C1b)的电路连接也可以被动态地配置为DIV2或DIV3配置。
再次参照图5，在DIV2配置中，耦接至VIN的开关506a、506b以与DIV3配置相反的周期进行操作。因此，例如，在DIV3配置中，对于开关506a，Px跟踪P1，并且对于开关506b，
Figure BDA0002677481220000102
跟踪P2。相反，在DIV2配置中，对于开关506a，Px跟踪P2，并且对于开关506b，
Figure BDA0002677481220000103
跟踪P1。因此选择性地改变开关506a、506b针对DIV2配置的相位实质上消除了它们相应的开关组中的独立直接连接的串联开关，这是由于现在存在在相同的时钟相位上进行操作的串联的两个P1或两个P2开关。因此，例如，关注图5中的单元502a，当对于开关506a，Px跟踪P2时，则开关506a和508a同时切换，并且因此有效地作为单个开关进行操作。类似地，当对于开关506b，
Figure BDA0002677481220000104
跟踪P1时，则开关506b和508b同时切换，并且因此再次有效地作为单个开关进行操作。
配置元件504a、504b可以被实现为有线连接(例如，设置在集成电路的外部可访问连接端子对之间的跳线或印刷电路板导电迹线——基本上为零欧姆电阻器)，使得在系统制造时(例如，当将包括转换器500的IC粘附至印刷电路板等时)，转换器500可以被设置为特定的DC至DC转换比。作为一个可替选方案，配置元件504a、504b可以被实现为(包括微机电系统[MEMS]开关)的机械单刀双掷(SPDT)开关，使得可以手动地选择转换器500的配置。作为另一可替选方案，配置元件504a、504b可以被实现为使用诸如场效应晶体管(FET)的晶体管开关器件实现的SPDT。虽然配置元件504a、504b可以被实现为使用诸如场效应晶体管(FET)的晶体管开关器件实现的SPDT的情况将使得在转换比配置之间能够进行动态或程序切换，但是由于这样的开关器件而导致的附加串联阻抗可能会对效率产生不利影响。
应当认识到，通过为了将电容器C1a和C2a耦接而进行两种不同的配置，并且通过提供可选择时钟信号Px及其互补
Figure BDA0002677481220000111
单个电路可以提供两个不同的转换比。可以使用分压比的其他组合，例如3分压和4分压，并且该概念可以扩展至可以提供两个以上不同转换比的单个电路。
单元502a、502b对的互补定相提供输出波动平滑和附加的电流容量。应当清楚，可以包括附加单元以提供甚至更大的电流容量。附加单元的互补对可以由间隔180°且具有不同于P1或P2相位的时钟信号相位控制，以提供甚至更大的输出波动平滑(例如45°或60°——或45°或60°的倍数——相对于P1和P2异相)。因此，图3B的两相时钟仅是多相时钟的一个示例。
虽然直接地耦合至VIN的开关506a、506b被示出为由可选择时钟信号Px和
Figure BDA0002677481220000112
控制，但是在变型实施方式中，每个单元502a、502b中的其他开关可以替代由可选择时钟信号Px和
Figure BDA0002677481220000113
控制以实现相同的功能。
虽然图5示出了其中可以重新配置到电容器C1a和C1b的连接的实施方式，但是本发明涵盖其中可以通过对关于施加至特定开关的那些时钟信号相位进行了适当的变换来替代地重新配置到电容器C2a和C2b的连接的实施方式。
在可替选实施方式中，对于DIV2配置，电容器C1a和C1b并非分别地交叉连接至电容器C2b和C2a。相反，电容器C1a和C1b只是保持断开——也就是说，配置元件504a、504b表现为将DIV3配置中的电容器C1a和C1b连接或者将电容器C1a和C1b断开的单刀单掷(SPST)连接。在该可替选实施方式中，仍然需要将可选择时钟信号Px和
Figure BDA0002677481220000114
设置成对应的配置：DIV3(当电容器C1a和C1b在电路中时)或DIV2(当电容器C1a和C1b在电路外时)。然而，当在DIV2配置中时，如果存在电容器C1a和C1b，由于电容器C1a和C1b不产生用途，因此该替选实施方式的效率将更低。
第二实施方式
图7是可选择转换比DC至DC转换器700的第二实施方式的示意图。特别地，具体示出的转换器700可以使用同一电路被选择性地配置成具有2分压DC至DC降压转换比或3分压DC至DC降压转换比。通过对电压输入和电压输出进行反转，同一转换器700可以用于DC至DC升压转换。
如所示出的，除了每个单元502a、502b包括添加的相应配置元件704a、704b(而不是图5中示出的配置元件504a、504b)以及可替选的“DIV3”导体和“DIV2”导体之外，由时钟信号P1和P2控制的开关的布局以及电容器C1a、C2a、C1b、C1b的布局与图5的转换器500基本上相同。关注单元502a，电容器C1a可以借助于配置元件704a选择性地耦接至第一分支706a(用于3分压配置)或耦接至第二分支708a(用于2分压配置)。另外，直接地耦接至VIN的开关506a由可选择时钟信号Px控制，而在单元502b中，直接地耦接至VIN的开关506b由互补可选择时钟信号
Figure BDA0002677481220000121
控制。互补单元502b被类似地配置，但是用于相反的时钟相位。
在该可替选实施方式中，在DIV2配置中，电容器C1a与电容器C2a在其自身的单元502a内并联耦接，并且在单元502a、502b之间没有如图5的实施方式的情况的交叉连接。然而，在该实施方式的变型中，当在DIV2配置中时，为了更好的电流分布，如由虚曲线所示节点①和节点③应当互连，并且节点②和节点④应当互连。
虽然图7示出了其中可以重新配置到电容器C1a和C1b的连接的实施方式，但是本发明涵盖其中可以通过对关于施加至特定开关的那些控制信号相位进行了适当的变换来替代地重新配置到电容器C2a和C2b的连接的实施方式。
第三实施方式
图8A是可选择转换比DC至DC转换器800的第三实施方式的示意图。特别地，具体示出的转换器800可以使用同一电路被选择性地配置成具有2分压DC至DC降压转换比或3分压DC至DC降压转换比。通过对电压输入和电压输出进行反转，同一转换器800可以用于DC至DC升压转换。
在该示例中，在DIV3配置中，连接所有电容器(C1a、C2a、C1b和C2b)(如果在IC外部，则“安装”所有电容器(C1a、C2a、C1b和C2b))。在该具体示例中，至少电容器C2a和C2b分别地安装至端子802a、804a和802b、804b，端子802a、804a和802b、804b可外部访问包含其余DC至DC转换器电路的IC，该IC包括其开关。当在DIV3配置中时，所有开关以与图5的转换器500相同的方式响应于P1和P2时钟信号(两个开关810a、810b被示出为闭合，但是该强制状态用于以下描述的DIV2配置)。
对于DIV2配置，电容器C2a和C2b未安装至相应的端子802a、804a和802b、804b。可替选地，电容器C2a可以耦接至相应的端子802a、804a中的一个而不是耦接至端子802a、804a两者，并且电容器C2b可以耦接至相应的端子802b、804b中的一个而不是耦接至端子802b、804b两者，因此产生开路并且有效地将安装的电容器切换到电路之外。此外，在每个单元502a、502b中，开关810a、810b被强制闭合(如所示出的)，而分别地连接至端子804a、804b的分支812a、812b的一个或两个开关被强制断开(如所示出的)。与图5和图7的实施方式相反，并非为了选择P1或P2中的一个而对用于直接地连接至VIN的开关的时钟信号进行控制。
图8B示出了基于SELECT信号的状态输出输入时钟相位Pn(即，P1或P2)或者逻辑“1”的一个简单电路。图8C示出了基于SELECT信号的状态输出输入时钟相位Pn(即，P1或P2)或者逻辑“0”的一个简单电路。
例如，可以借助于图8B的电路的通过将P1施加至与门820的输入的一个示例来提供到开关810a的时钟信号，而可以借助于图8B的电路的通过将P2施加至与门820的输入的另一示例来提供到开关810b的时钟信号。当SELECT信号被设置为“1”(即，分配给DIV3配置的码)时，则对应的或非门822的输出将跟踪在一种情况下为P1而在另一情况下为P2的输入的状态。当SELECT信号被设置为“0”(即，分配给DIV2配置的码)时，则反相器824将强制使每个这样的电路示例的或非门822的输出为逻辑“1”，因此强制使对应的开关810a、810b为闭合状态。
类似地，可以借助于图8C的电路的通过将相关联的时钟信号(P1或P2)施加至与门830的输入的相应示例来提供到分支812a、812b的一个或两个开关的时钟信号。当SELECT信号被设置为“1”(即，分配给DIV3配置的码)时，则与门830的输出将跟踪根据情况可以是P1或P2的输入的状态。当SELECT信号被设置为“0”(即，分配给DIV2配置的码)时，则每个这样的电路示例的与门830的输出被强制为逻辑“0”，因此强制使分支812a、812b的对应开关为断开状态。
与上述实施方式一样，对于特定配置，可以针对特定实施方式来静态地设置SELECT信号(例如，永久地连接至电压接地或连接至电路接地，未示出)、或者选择性地设置SELECT信号(例如，利用机械开关或电子开关，未示出)或者在程序控制(电路未示出)下动态地设置SELECT信号。
虽然图8A示出了其中可以省略电容器C2a和C2b来创建DIV2配置的实施方式，但是也可以通过对关于被强制关断或闭合的那些开关进行适当的变换来通过保持电容器C2a和C2b并且替代地省略电容器C1a和C1b来创建DIV2配置。
第四实施方式
图9A是可选择转换比DC至DC转换器900的第四实施方式的处于3分压迪克森转换器配置的示意图。图9B是图9A的可选择转换比DC至DC转换器900的第四实施方式但是处于2分压迪克森转换器配置的示意图。注意，该第四实施方式不需要改变任何芯片外(即，板上)部件或连接，也不需要使用额外的开关来连接或断开部件。与以上实施方式相比，这是该第四实施方式的关键优点。特别地，具体示出的转换器900可以使用同一电路并且在板级下没有任何部件变化的情况下被选择性地配置成具有2分压或3分压的DC至DC降压转换比。通过对电压输入和电压输出进行反转，同一转换器900可以用于DC至DC升压转换。在示出的示例中，除了连接所有电容器(C1a、C2a、C1b、C2b)(如果在IC外部，则“安装”所有电容器(C1a、C2a、C1b、C2b))之外，开关P1、P2的布局与图8A相同。
在图9A的DIV3配置中，所有开关以与图8A的转换器800相同的方式响应于P1和P2时钟信号。因此，关注在左单元502a，由P1时钟信号控制开关S1、S3、S4和S7，而由P2时钟信号控制开关S2、S5和S6。右单元502b的对应开关在配置和时钟信号定相方面完全相反，本质上是左单元502a的镜像。因此，转换器900作为3分压迪克森转换器电路进行操作，其中VOUT＝VIN/3。注意，输出电压Vout被配置成例如耦接至如图5中(例如，Cout)的外部输出电容器(未示出)。
在DIV2配置中，对施加至单元502a、502b两者中的开关S1、S4和S6的P1和P2时钟信号的相位进行反转。这已经在图9B的左单元502a中通过对S6开关使用“P1”开关符号并且通过对S1开关和S4开关使用“P2”开关符号来指示。注意，这仅是针对一些开关施加的时钟信号极性的变化，而不是物理开关的变化。可以使用图6的可变相位时钟生成电路600用于例如交换P1和P2时钟信号。
因此，关注左单元502a，开关S1和S4响应于P2时钟信号而不是P1时钟信号，而S6开关响应于P1时钟信号而不是P2时钟信号。因此，在用于左单元502a的DIV2配置中，开关S3、S6和S7由P1时钟信号控制，而开关S1、S2、S4和S5由P2时钟信号控制。此外，右单元502b的对应开关在配置和时钟信号定相方面完全相反，本质上是左单元502a的镜像。因此，转换器900作为2分压迪克森转换器电路进行操作，其中VOUT＝VIN/2。
在不改变任何芯片外(即，板上)部件或连接或者不存在用于连接或断开部件的额外开关的情况下，虽然图9A和图9B描述了在图9A的DIV3转换器与图9B的DIV2转换器之间进行切换所需的开关和相位布置，但是该实施方式要求在时钟信号生成和路由电路方面稍微较复杂。主要问题源于开关驱动器电路需要与它们所驱动的开关一起浮动——也就是说，可能还需要更改用于开关S1和S4的驱动器的电源，以确保将适当的偏压供应至这些浮动供应。
如本领域中已知的，用于FET开关的典型驱动器电路具有VSS和VDD电压输入。对于图9A的DIV3电路，用于开关S1的驱动器将使驱动器的VSS输入连接至单元502b的电容器C2b的顶部节点902处的电压，而用于开关S4的驱动器将使驱动器的VDD输入连接至电容器C1a的顶部节点904处的电压(“顶部”是指示意图900的方向，其中Vin在顶部处，并且接地符号在底部处)。然而，当改变开关S1、S4和S6的相位用于将图9A的DIV3配置更改为图9B的DIV2配置时，将调整VSS和VDD连接以确保适当的偏压。具体地，当用于开关S4的相位从P1改变为P2以进行DIV2操作时，用于开关S4驱动器的VDD供应将需要从电容器C1a的顶部节点904改变为电容器C2a的顶部节点906(当然，同时仍然能够在相位P2的“接通部分”期间将开关S4驱动为“接通”)。同样适用于开关S1，即，用于开关S1驱动的VSS供应将需要从电容器C2b的顶部节点902改变为电容器C1b的顶部节点908(当然，同时仍然能够在相位P1的“接通部分”期间将开关S1驱动为“接通”)。
当然，用于所有其他开关的各个驱动器也应当保持适当电平的VSS和VDD以确保驱动器的正确操作。这些要求的组合可能需要用于各种驱动器(例如，用于开关S1和S4)的可选择供应。可以存在其他可替选方案，例如可以根据需要切换至各种开关的相位和电压生成器阵列。
注意，在图9B的DIV2配置中，可以使开关S2短路以避免与该开关相关联的RON损耗，从而提高DIV2操作的效率。更具体地，由于开关S2与重新定相的开关S1进行同相切换，因此对于DIV2操作不需要开关S2。使开关S2短路可以通过将外部(相对于包括DIV3/DIV2电路的IC)短路连接至节点904和906以及连接至节点902和908(即，分别为电容器C1a和C2a的顶部节点以及电容器C1b和C2b的顶部节点)来实现。开关S2将具有通常为数毫欧姆的RON；类似地，外部短路可能会呈现出数毫欧姆的电阻。因此，跨开关S2的短路产生两个与彼此并联的低电阻路径，从而使关于开关S2的有效RON最小，并且提高了DIV2配置中电路的整体效率。在这样的配置中，开关S2仍然可以在有或没有外部并联短路路径的情况下进行切换。如本领域技术人员将理解的，该第四实施方式的优点是没有用于在DIV2与DIV3之间进行转换的外部部件连接或变换。前述外部短路的添加将会提高效率，但是需要外部部件。
通过该第四实施方式，不需要对如何连接的芯片外电容器进行任何芯片外物理上的变换。因此，在任何特定应用中，在没有关于需要固定的DIV2或DIV3配置还是需要可选择的DIV2/DIV3配置的先验知识的情况下，通过软件控制来完全实现DIV2或DIV3的重新配置。该第四实施方式还具有用于外部短路连接的选项，以提高DIV2配置的效率。这种灵活性对于产品开发者而言会具有很高价值，这是因为可以将单板布局和物料清单(“BOM”)用于任何应用，并且可以容易地适应后期设计变化。这种简化提供了在成本、复杂性、尺寸和灵活性方面的优点。
升压转换实施方式
如上所述，DC/DC转换器可以降低(“降压”)输入电压或增加(“升压”)输入电压。上述转换器实施方式是降压转换器的示例，其中VOUT小于VIN。然而，该转换器实施方式能够通过将供应电压施加至VOUT节点并且从VIN节点获取输出电压成为升压转换器。例如，参照图5的转换器500，如果将输入电压施加至VOUT节点，则VIN节点处的输出电压取决于转换器500是被配置成处于“MULTIPLY3”模式(例如，电容器C1a耦接至DIV3导体)还是被配置成处于“MULTIPLY2”模式(例如，电容器C1a耦接至DIV2导体)为所施加电压的两倍(即，转换比为2:1)或三倍(即，转换比为3:1)。
集成电路实施方式
DC/DC转换器通常包括集成电路(IC)芯片以及外部部件和连接线。例如，上面的实施方式(以及这些实施方式的变型)中的由P1和P2时钟信号控制的开关将通常在芯片上制造为IC的部件。然而，与上述新型DC/DC转换器实施方式中的任一个结合使用的电容器C1a、C2a、C1b、C2b和COUT可能在芯片上(即，作为IC的制造部件)，或者——可能更常见——在芯片外。将电容器放置在芯片外使得具有潜在更高质量和不同电容值的不同电容器能够与同一开关IC一起使用，因此提高了设计的灵活性和效率。
通过拆分功能——芯片上开关、芯片外电容器——配置元件504a、504b、704a、704b被容易地实现为有线连接(例如，设置在IC的外部可访问连接端子对之间的跳线或其他导体)，使得在系统制造时(例如，当将包括转换器500、700的开关部分的IC粘附至印刷电路板等时)，转换器500、700可以被设置为特定DC至DC转换比。
因此，例如，关注图5中的单元502a，对于DIV3配置，跳线从外部电容器C1a的一个端子连接至用于DIV3导体的外部端子，而没有进行(“DNF”或“未安装”)到用于DIV2导体的外部端子的外部连接。类似地，对于DIV2配置，跳线从外部电容器C1a的一个端子连接(安装)至用于DIV2导体的外部端子，而没有进行(“DNF”或“未安装”)到用于DIV3导体的外部端子的外部连接。如上所述，在DIV2配置中，外部电容器C1a因此与外部电容器C2b并联连接，有效地形成具有更大总电容的单个等效电容器。因此，分别在针对电容器C1a和C2a进行外部连接变换的情况下以及在可变相位时钟生成电路600控制到开关506a、506b的Px和
Figure BDA0002677481220000171
(即，P1或P2)的情况下，则同一IC芯片可以被配置为DIV3DC/DC迪克森降压转换器或者被配置为DIV2 DC/DC迪克森降压转换器。更一般地，同一DC/DC转换器IC芯片可以被配置为降压转换器或者被配置为升压转换器，并且可以被配置为具有第一转换比或第二转换比中的至少一个。
本发明的实施方式的特征和优点
如上述实施方式所指示，多个不同电路提供至少两个不同的DC至DC转换比。在一些实施方式中，在第一配置中，可选择时钟信号控制电路将第一时钟信号相位输出至开关阵列的至少一个开关，第一电容器与第二电容器不并联连接，并且开关阵列响应于第一时钟信号相位和第二时钟信号相位的相应施加进行操作，以对第一电容器和第二电容器进行周期性地充电和放电，以在输出电压端子处提供相对于输入电压具有第一比的输出电压。在第二配置中，可选择时钟信号控制电路将第二时钟信号相位输出至开关阵列的至少一个开关，第一电容器与第二电容器并联连接，并且开关阵列响应于第一时钟信号相位和第二时钟信号相位的相应施加进行操作，以对并联的第一电容器和第二电容器(即，基本上作为单个较大的电容器)进行周期性地充电和放电，以在输出电压端子处提供相对于输入电压具有第二比的输出电压，第二比与第一比不同。
在其他实施方式中，在第一配置中，其中第一电容器和第二电容器已耦接至开关阵列并且第一电容器与第二电容器不并联连接，开关阵列响应于第一时钟信号相位和第二时钟信号相位的相应施加进行操作，以对第一电容器和第二电容器进行周期性地充电和放电，以在输出电压端子处提供相对于输入电压具有第一比的输出电压。在第二配置中，第一电容器和第二电容器中的仅一个耦接至开关阵列，并且开关阵列响应于第一时钟信号相位或第二时钟信号相位或者第一逻辑状态或第二逻辑状态的相应施加进行操作，以对耦接至开关阵列的一个电容器(即，第一电容器或第二电容器)进行周期性地充电和放电，以在输出电压端子处提供相对于输入电压具有第二比的输出电压，第二比与第一比不同。
第一实施方式的可选择转换比DC至DC转换器500特别有效，其中示例电路呈现出小于由本发明涵盖的其他实施方式的损耗的一半(例如，与约4％的损耗相比，损耗为约2％)。
有利地，在本发明的各个实施方式中使用的开关可以是于2017年12月5日提交的题为“High Breakdown Voltage Switching Device”的美国专利申请第15/832,626号中描述的高电压开关器件的类型，该美国专利申请被转让给本发明的受让人并且通过引用并入本文。
本发明的各种实施方式的优点包括以下：
·可以使用单个IC用于需要至少两个不同的DC至DC转换比的产品设计，并且具体地用于需要2分压DC至DC降压(降压转换)比和3分压DC至DC降压(降压转换)比两者的产品设计。因此，可以使用单芯片解决方案用于具有两个单元或三个单元的Li-Ion电池的移动平台产品。
о例如，根据本发明，对于其上安装有IC的印刷电路板(PCB)，每个转换器单元可以安装单个外部电容器，并且该IC可以被配置为2分压迪克森降压转换器。
о如果同一PCB每转换器单元具有两个安装的电容器，则同一IC可以被配置为2分压迪克森降压转换器或者被配置为3分压迪克森降压转换器。在2分压配置中，有效地利用两个安装的电容器以增加电流容量。
·可以通过简单的电容器连接选项与逻辑控制的结合使用来对进行配置变换，以根据电容器配置来改变IC中一些开关的相位或状态。
·可以通过将芯片外电容器安装或不安装至包含DC至DC转换器开关的IC的外部可访问的端子以及/或者通过将跳线或导电迹线等(即，基本上为零欧姆的电阻器)安装或不安装至包含DC至DC转换器开关的IC的外部可访问的端子进行配置变换。
·可以使用单个IC解决方案用于升压转换和降压转换。
·本发明的实施方式可以与所有类型的DC电压源(不仅是电池)一起使用，并且本发明的实施方式与具有输出电压变化很大的DC电压源结合特别有用。
·由本发明涵盖的单芯片解决方案使成本更低，并且使部件的获得和管理能够更容易。
方法
本发明的另一方面包括用于DC至DC转换的各种方法。例如，图10是示出用于DC至DC转换的第一方法的过程流程图，该方法包括将第一电路配置成作为迪克森转换器电路进行操作，以将施加的输入电压转换为相对于施加的输入电压具有第一转换比的第一输出电压(步骤1002)；将第二电路配置成作为迪克森转换器电路进行操作，以将施加的输入电压转换为相对于施加的输入电压具有第二转换比的第二输出电压(步骤1004)；选择性地配置DC至DC转换电路以启用第一电路或第二电路中的一个(步骤1006)；以及选择性地提供用于操作第一电路的第一组时钟信号以及用于操作第二电路的第二组时钟信号(步骤1008)。作为步骤1006和1008的可替选方案，该方法可以包括通过提供第一组时钟信号来选择性地启用第一电路，或者通过提供第二组时钟信号来选择性地启用第二电路。
作为另一示例，图11是描绘用于DC至DC转换的第二方法的过程流程图，该方法包括提供第一电路配置，该第一电路配置包括至少两个非并联的电容器以及相关联的受控多相开关，该第一电路配置被操作成将施加的输入电压转换为相对于施加的输入电压具有第一转换比的第一输出电压(步骤1102)；提供第二电路配置，该第二电路配置包括与第一电路配置相比较少数目的等效电容器以及相关联的受控多相开关，该第二电路配置被操作成将施加的输入电压转换为相对于施加的输入电压具有第二转换比的第二输出电压(步骤1104)；以及将DC至DC转换电路选择性地配置成第一电路配置或第二电路配置中的一个(步骤1106)。
用于DC/DC转换的另一方法包括：提供输入电压端子，该输入电压端子被配置成耦接至电压源；提供输出电压端子；提供可选择时钟信号控制电路，该可选择时钟信号控制电路选择性地输出第一时钟信号相位或第二时钟信号相位；提供包括直接地或间接地耦接至输入电压端子的多个开关的开关阵列，开关阵列的每个开关由第一时钟信号相位或第二时钟信号相位中的一个控制，并且开关阵列的至少一个开关耦接至可选择时钟信号控制电路的输出；提供配置元件，该配置元件被配置成将第一电容器选择性地耦接至开关阵列的至少两个节点中的一个；以及提供用于将第二电容器耦接至开关阵列的连接线；其中，在第一配置中，其中(1)第一电容器和第二电容器已经耦接至开关阵列，(2)来自电压源的输入电压已经耦接至输入电压端子，以及(3)可选择时钟信号控制电路将第一时钟信号相位输出至开关阵列的至少一个开关，第一电容器与第二电容器不并联连接，并且开关阵列响应于第一时钟信号相位和第二时钟信号相位的相应施加进行操作，以对第一电容器和第二电容器进行充电和放电，以在输出电压端子处提供相对于输入电压具有第一转换比的第一输出电压；并且其中，在第二配置中，其中(1)第一电容器和第二电容器已经耦接至开关阵列，(2)来自电压源的输入电压已经耦接至输入电压端子，以及(3)可选择时钟信号控制电路将第二时钟信号相位输出至开关阵列的至少一个开关，第一电容器与第二电容器并联连接，并且开关阵列响应于第一时钟信号相位和第二时钟信号相位的相应施加进行操作，以对第一电容器和第二电容器进行充电和放电，以在输出电压端子处提供相对于输入电压具有第二转换比的第二输出电压，第二转换比与第一转换比不同。
用于DC/DC转换的又一方法包括：提供输入电压端子，该输入电压端子被配置成耦至电压源；提供输出电压端子；提供至少一个第一时钟信号控制电路，该至少一个第一时钟信号控制电路选择性地输出施加的时钟信号相位或第一逻辑状态；提供至少一个第二时钟信号控制电路，该至少一个第二时钟信号控制电路选择性地输出施加的时钟信号相位或第二逻辑状态；提供包括直接地或间接地耦接至输入电压端子的多个开关的开关阵列，开关阵列的每个开关由第一时钟信号相位或第二时钟信号相位中的一个控制，并且开关阵列的至少一个开关耦接至第一时钟信号控制电路的输出，并且开关阵列的至少一个开关耦接至第二时钟信号控制电路的输出；提供用于可选地将第一电容器耦接至开关阵列的连接线；以及提供用于可选地将第二电容器耦接至开关阵列的连接线；其中，在第一配置中，其中(1)第一电容器和第二电容器已经耦接至开关阵列，(2)来自电压源的输入电压已经耦接至输入电压端子，以及(3)每个第一时钟信号控制电路和每个第二时钟信号控制电路输出相应施加的时钟信号相位，第一电容器与第二电容器不并联连接，并且开关阵列响应于第一时钟信号相位和第二时钟信号相位的相应施加进行操作，以对第一电容器和第二电容器进行充电和放电，以在输出电压端子处提供相对于输入电压具有第一转换比的第一输出电压；并且其中，在第二配置中，其中(1)第一电容器和第二电容器中的仅一个已经耦接至开关阵列，(2)来自电压源的输入电压已经耦接至输入电压端子，以及(3)每个第一时钟信号控制电路输出第一逻辑状态，并且每个第二时钟信号控制电路输出第二逻辑状态，开关阵列响应于第一时钟信号相位或第二时钟信号相位或者第一逻辑状态或第二逻辑状态的相应施加进行操作，以对耦接至开关阵列的第一电容器或第二电容器中的一个进行充电和放电，以在输出电压端子处提供相对于输入电压具有第二转换比的第二输出电压，第二转换比与第一转换比不同。
上述方法的其他方面包括：第一输出电压和第二输出电压小于输入电压；第一输出电压和第二输出电压大于输入电压；第一转换比和第二转换比是基于整数的比；第一转换比为3:1以及第二转换比为2:1；时钟信号由两相时钟生成并且不交叠；将该方法元件制造为集成电路；将电容器中的至少一个制造为集成电路的部件；将输出电压端子配置成耦接至外部输出电容器；配置包括“安装”或“不安装”连接。
制造技术与选项
如在本公开内容中所使用的，术语“MOSFET”是指具有绝缘栅极并且包括金属或类金属、绝缘体和半导体结构的任何场效应晶体管(FET)。术语“金属”或“类金属”包括至少一种导电材料(例如铝、铜或其他金属，或高掺杂的多晶硅、石墨烯或其他电导体)，“绝缘体”包括至少一种绝缘材料(例如硅氧化物或其他介电材料)，并且“半导体”包括至少一种半导体材料。
对于本领域的普通技术人员应当明显的是，可以实现本发明的各种实施方式以满足各种各样的规范。除非以上另有说明，否则合适部件值的选择是设计选择的问题，并且本发明的各种实施方式可以以任何合适的IC技术(包括但不限于MOSFET结构)或者以混合或分立电路的形式来实现。集成电路实施方式可以使用任何合适的衬底和工艺来制造，包括但不限于标准体硅、绝缘体上硅(SOI)和蓝宝石上硅(SOS)。除非以上另有说明，否则本发明可以以其他晶体管技术例如BCD(双极CMOS DMOS)、双极、GaAs HBT、GaN HEMT、GaAs pHEMT和MESFET技术来实现。单片IC的实现特别有用，这是因为寄生电容通常可以通过精心设计而保持为低(或者保持在最小之处，在所有单元上保持均匀，允许对其进行补偿)。
可以根据特定的规范和/或实现技术(例如，NMOS、PMOS或CMOS，以及增强型或耗尽型晶体管器件)来改变电压电平或者反转电压和/或逻辑信号极性。可以根据需要来调整部件电压、电流和电力处理能力，例如通过调整器件尺寸，串行“堆叠”部件(特别是FET)以承受更大的电压，以及/或者使用多个并行部件来处理更大的电流。可以添加附加的电路部件以增强所公开的电路的能力和/或在不显著地改变所公开的电路的功能的情况下提供附加的功能。
结论
已经描述了本发明的多个实施方式。应当理解，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种修改。例如，上述步骤中的一些可以是与顺序无关的，并且因此可以以与所描述的顺序不同的顺序来执行。此外，上述步骤中的一些可以是可选的。关于以上所识别的方法描述的各种动作可以以重复、串行或并行的方式来执行。
应当理解，前述描述旨在说明而不是限制本发明的范围，本发明的范围由所附权利要求书的范围限定，并且其他实施方式也在权利要求书的范围内(注意，权利要求书元素的括号标记是为了便于引用这样的元素，并且其本身并不指示元素的特定要求顺序或列举；此外，这样的标记可以在从属权利要求书中作为对附加元素的引用而被重复使用，而不被视为引起相矛盾的标记序列)。

Claims (29)

1.一种DC至DC转换电路，包括：
(a)可配置时钟信号控制电路，所述可配置时钟信号控制电路选择性地输出第一相位时钟信号、第二相位时钟信号和可选择相位时钟信号；
(b)第一电路配置，所述第一电路配置耦接至所述可配置时钟信号控制电路并且能够作为迪克森转换器电路进行操作，以将施加的输入电压转换为相对于所述施加的输入电压具有第一转换比的第一输出电压，所述第一电路配置具有：响应于所述第一时钟信号相位的至少一个开关；响应于所述第二时钟信号相位的至少一个开关；以及响应于所述可选择相位时钟信号的至少一个开关；以及
(c)第二电路配置，所述第二电路配置耦接至所述可配置时钟信号控制电路并且能够作为迪克森转换器电路进行操作，以将所述施加的输入电压转换为相对于所述施加的输入电压具有第二转换比的第二输出电压，所述第二电路配置具有：响应于所述第一时钟信号相位的至少一个开关；响应于所述第二时钟信号相位的至少一个开关；以及响应于所述可选择相位时钟信号的至少一个开关。
2.一种DC至DC转换电路，包括：
(a)可配置时钟信号控制电路，所述可配置时钟信号控制电路选择性地输出第一相位时钟信号、第二相位时钟信号和可选择相位时钟信号；
(b)第一电路配置，所述第一电路配置耦接至所述可配置时钟信号控制电路并且能够作为迪克森转换器电路进行操作，以将施加的输入电压转换成相对于所述施加的输入电压具有第一转换比的第一输出电压，所述第一电路配置具有：响应于所述第一时钟信号相位的至少一个开关；响应于所述第二时钟信号相位的至少一个开关；以及响应于所述可选择相位时钟信号的至少一个开关；
(c)第二电路配置，所述第二电路配置耦接至所述可配置时钟信号控制电路并且能够作为迪克森转换器电路进行操作，以将所述施加的输入电压转换为相对于所述施加的输入电压具有第二转换比的第二输出电压，所述第二电路配置具有：响应于所述第一时钟信号相位的至少一个开关；响应于所述第二时钟信号相位的至少一个开关；以及响应于所述可选择相位时钟信号的至少一个开关；以及
(d)配置元件，所述配置元件用于将所述DC至DC转换电路选择性地配置为所述第一电路配置或所述第二电路配置中的一个。
3.一种DC至DC转换电路，包括：
(a)第一电路配置，所述第一电路配置包括至少两个非并联电容器以及相关联的受控多相开关，所述第一电路配置被操作成将施加的输入电压转换为相对于所述施加的输入电压具有第一转换比的第一输出电压；
(b)第二电路配置，所述第二电路配置包括与所述第一电路配置相比较少数目的等效电容器以及相关联的受控多相开关，所述第二电路配置被操作成将所述施加的输入电压转换为相对于所述施加的输入电压具有第二转换比的第二输出电压；以及
(c)配置元件，所述配置元件用于将所述DC至DC转换电路选择性地配置为所述第一电路配置或所述第二电路配置中的一个。
4.一种具有可选择转换比的DC/DC转换电路，包括：
(a)输入电压端子，所述输入电压端子被配置成耦接至电压源；
(b)输出电压端子；
(c)可选择时钟信号控制电路，所述可选择时钟信号控制电路选择性地输出第一时钟信号相位或第二时钟信号相位；
(d)开关阵列，包括直接地或间接地耦接至所述输入电压端子的多个开关，所述开关阵列的每个开关由所述第一时钟信号相位或所述第二时钟信号相位中的一个控制，并且所述开关阵列的至少一个开关耦接至所述可选择时钟信号控制电路的输出；
(e)配置元件，所述配置元件被配置成将第一电容器选择性地耦接至所述开关阵列的至少两个节点中的一个；以及
(f)连接线，用于将第二电容器耦接至所述开关阵列；
其中，在第一配置中，其中(1)所述第一电容器和所述第二电容器已经耦接至所述开关阵列，并且(2)来自所述电压源的输入电压已经耦接至所述输入电压端子，所述第一电容器与所述第二电容器不并联连接，并且所述开关阵列被操作成对所述第一电容器和所述第二电容器进行充电和放电，以在所述输出电压端子处提供相对于所述输入电压具有第一转换比的第一输出电压；并且
其中，在第二配置中，其中(1)所述第一电容器和所述第二电容器已经耦接至所述开关阵列，并且(2)来自所述电压源的输入电压已经耦接至所述输入电压端子，所述第一电容器与所述第二电容器并联连接，并且所述开关阵列被操作成对所述第一电容器和所述第二电容器进行充电和放电，以在所述输出电压端子处提供相对于所述输入电压具有第二转换比的第二输出电压，所述第二转换比与所述第一转换比不同。
5.根据权利要求4所述的发明，其中，所述配置元件包括在所述第一电容器与所述开关阵列的所述至少两个节点之间的“安装”或“不安装”连接。
6.一种具有可选择转换比的DC/DC转换电路，包括：
(a)输入电压端子，所述输入电压端子被配置成耦接至电压源；
(b)输出电压端子；
(c)至少一个第一时钟信号控制电路，所述至少一个第一时钟信号控制电路选择性地输出施加的时钟信号相位或第一逻辑状态；
(d)至少一个第二时钟信号控制电路，所述至少一个第二时钟信号控制电路选择性地输出施加的时钟信号相位或第二逻辑状态；
(e)开关阵列，包括直接地或间接地耦接至所述输入电压端子的多个开关，所述开关阵列的每个开关由第一时钟信号相位或第二时钟信号相位中的一个控制，并且所述开关阵列的至少一个开关耦接至所述第一时钟信号控制电路的输出，并且所述开关阵列的至少一个开关耦接至所述第二时钟信号控制电路的输出；
(f)连接线，用于可选地将第一电容器耦接至所述开关阵列；以及
(g)连接线，用于可选地将第二电容器耦接至所述开关阵列；
其中，在第一配置中，其中(1)所述第一电容器和所述第二电容器已经耦接至所述开关阵列，并且(2)来自所述电压源的输入电压已经耦接至所述输入电压端子，所述第一电容器与所述第二电容器不并联连接，并且所述开关阵列被操作成对所述第一电容器和所述第二电容器进行充电和放电，以在所述输出电压端子处提供相对于所述输入电压具有第一转换比的第一输出电压；并且
其中，在第二配置中，其中(1)所述第一电容器和所述第二电容器中的仅一个已经耦接至所述开关阵列，并且(2)来自所述电压源的输入电压已经耦接至所述输入电压端子，所述开关阵列被操作成对耦接至所述开关阵列的所述第一电容器或所述第二电容器中的一个进行充电和放电，以在所述输出电压端子处提供相对于所述输入电压具有第二转换比的第二输出电压，所述第二转换比与所述第一转换比不同。
7.根据权利要求4或6所述的发明，其中，所述第一时钟信号相位和所述第二时钟信号相位由两相时钟生成并且所述第一时钟信号相位和所述第二时钟信号相位不交叠。
8.根据权利要求4或6所述的发明，其中，所述DC至DC转换电路被制造为集成电路，并且其中，所述第一电容器和所述第二电容器中的至少一个被制造为所述集成电路的部件。
9.根据权利要求1、2、3、4或6所述的发明，其中，所述第一输出电压和所述第二输出电压小于所述输入电压。
10.根据权利要求1、2、3、4或6所述的发明，其中，所述第一输出电压和所述第二输出电压大于所述输入电压。
11.根据权利要求1、2、3、4或6所述的发明，其中，所述第一转换比和所述第二转换比是基于整数的比。
12.根据权利要求1、2、3、4或6所述的发明，其中，所述第一转换比为3:1以及所述第二转换比为2:1。
13.根据权利要求1、2、3、4或6所述的发明，其中，所述输出电压被配置成耦合至外部输出电容器。
14.根据权利要求1、2、3、4或6所述的发明，其中，所述DC至DC转换电路被制造为集成电路。
15.一种用于DC至DC转换的方法，包括：
(a)提供可配置时钟信号控制电路，所述可配置时钟信号控制电路选择性地输出第一相位时钟信号、第二相位时钟信号和可选择相位时钟信号；
(b)将DC至DC转换电路的第一电路配置成作为迪克森转换器电路进行操作，以将施加的输入电压转换成相对于所述施加的输入电压具有第一转换比的第一输出电压，所述第一电路配置具有：响应于所述第一时钟信号相位的至少一个开关；响应于所述第二时钟信号相位的至少一个开关；以及响应于所述可选择相位时钟信号的至少一个开关；
(c)将所述DC至DC转换电路的第二电路配置成作为迪克森转换器电路进行操作，以将所述施加的输入电压转换成相对于所述施加的输入电压具有第二转换比的第二输出电压，所述第二电路配置具有：响应于所述第一时钟信号相位的至少一个开关；响应于所述第二时钟信号相位的至少一个开关；以及响应于所述可选择相位时钟信号的至少一个开关；以及
(d)选择性地启用所述第一电路或者选择性地启用所述第二电路。
16.一种用于DC至DC转换的方法，包括：
(a)提供可配置时钟信号控制电路，所述可配置时钟信号控制电路选择性地输出第一相位时钟信号、第二相位时钟信号和可选择相位时钟信号；
(b)将DC至DC转换电路的第一电路配置成作为迪克森转换器电路进行操作，以将施加的输入电压转换成相对于所述施加的输入电压具有第一转换比的第一输出电压，所述第一电路配置具有：响应于所述第一时钟信号相位的至少一个开关；响应于所述第二时钟信号相位的至少一个开关；以及响应于所述可选择相位时钟信号的至少一个开关；
(c)将所述DC至DC转换电路的第二电路配置成作为迪克森转换器电路进行操作，以将所述施加的输入电压转换成相对于所述施加的输入电压具有第二转换比的第二输出电压，所述第二电路配置具有：响应于所述第一时钟信号相位的至少一个开关；响应于所述第二时钟信号相位的至少一个开关；以及响应于所述可选择相位时钟信号的至少一个开关；
(d)将所述DC至DC转换电路选择性地配置成启用所述第一电路或所述第二电路中的一个；以及
(e)选择性地启用所述第一电路或者选择性地启用所述第二电路。
17.根据权利要求15或16所述的方法，还包括将所述DC至DC转换电路制造为集成电路。
18.一种用于DC至DC转换的方法，所述方法包括：
(a)提供第一电路配置，所述第一电路配置包括至少两个非并联电容器以及相关联的受控多相开关，所述第一电路配置被操作成将施加的输入电压转换成相对于所述施加的输入电压具有第一转换比的第一输出电压；
(b)提供第二电路配置，所述第二电路配置包括与所述第一电路配置相比较少数目的等效电容器以及相关联的受控多相开关，所述第二电路配置被操作成将所述施加的输入电压转换成相对于所述施加的输入电压具有第二转换比的第二输出电压；以及
(c)将所述DC至DC转换电路选择性地配置为所述第一电路配置或所述第二电路配置中的一个。
19.一种用于DC/DC转换的方法，所述方法包括：
(a)提供输入电压端子，所述输入电压端子被配置成耦接至电压源；
(b)提供输出电压端子；
(c)提供可选择时钟信号控制电路，所述可选择时钟信号控制电路选择性地输出第一时钟信号相位或第二时钟信号相位；
(d)提供开关阵列，所述开关阵列包括直接地或间接地耦接至所述输入电压端子的多个开关，所述开关阵列的每个开关由所述第一时钟信号相位或所述第二时钟信号相位中的一个控制，并且所述开关阵列的至少一个开关耦接至所述可选择时钟信号控制电路的输出；
(e)提供配置元件，所述配置元件被配置成将第一电容器选择性地耦接至所述开关阵列的至少两个节点中的一个；以及
(f)提供用于将第二电容器耦接至所述开关阵列的连接线；
其中，在第一配置中，其中(1)所述第一电容器和所述第二电容器已经耦接至所述开关阵列，并且(2)来自所述电压源的输入电压已经耦接至所述输入电压端子，所述第一电容器与所述第二电容器不并联连接，并且所述开关阵列被操作成对所述第一电容器和所述第二电容器进行充电和放电，以在所述输出电压端子处提供相对于所述输入电压具有第一转换比的第一输出电压；并且
其中，在第二配置中，其中(1)所述第一电容器和所述第二电容器已经耦接至所述开关阵列，并且(2)来自所述电压源的输入电压已经耦接至所述输入电压端子，所述第一电容器与所述第二电容器并联连接，并且所述开关阵列被操作成对所述第一电容器和所述第二电容器进行充电和放电，以在所述输出电压端子处提供相对于所述输入电压具有第二转换比的第二输出电压，所述第二转换比与所述第一转换比不同。
20.根据权利要求19所述的方法，其中，所述配置元件包括在所述第一电容器与所述开关阵列的所述至少两个节点之间的“安装”或“不安装”连接。
21.一种用于DC/DC转换的方法，所述方法包括：
(a)提供输入电压端子，所述输入电压端子被配置成耦接至电压源；
(b)提供输出电压端子；
(c)提供至少一个第一时钟信号控制电路，所述至少一个第一时钟信号控制电路选择性地输出施加的时钟信号相位或第一逻辑状态；
(d)提供至少一个第二时钟信号控制电路，所述至少一个第二时钟信号控制电路选择性地输出施加的时钟信号相位或第二逻辑状态；
(e)提供开关阵列，所述开关阵列包括直接地或间接地耦接至所述输入电压端子的多个开关，所述开关阵列的每个开关由第一时钟信号相位或第二时钟信号相位中的一个控制，并且所述开关阵列的至少一个开关耦接至所述第一时钟信号控制电路的输出，并且所述开关阵列的至少一个开关耦接至所述第二时钟信号控制电路的输出；
(f)提供用于可选地将第一电容器耦接至所述开关阵列的连接线；以及
(g)提供用于可选地将第二电容器耦接至所述开关阵列的连接线；
其中，在第一配置中，其中(1)所述第一电容器和所述第二电容器已经耦接至所述开关阵列，并且(2)来自所述电压源的输入电压已经耦接至所述输入电压端子，所述第一电容器与所述第二电容器不并联连接，并且所述开关阵列被操作成对所述第一电容器和所述第二电容器进行充电和放电，以在所述输出电压端子处提供相对于所述输入电压具有第一转换比的第一输出电压；并且
其中，在第二配置中，其中(1)所述第一电容器和所述第二电容器中的仅一个已经耦接至所述开关阵列，并且(2)来自所述电压源的输入电压已经耦接至所述输入电压端子，所述开关阵列被操作成对耦接至所述开关阵列的所述第一电容器或所述第二电容器中的一个进行充电和放电，以在所述输出电压端子处提供相对于所述输入电压具有第二转换比的第二输出电压，所述第二转换比与所述第一转换比不同。
22.根据权利要求19或21所述的方法，其中，所述第一时钟信号相位和所述第二时钟信号相位由两相时钟生成并且所述第一时钟信号相位和所述第二时钟信号相位不交叠。
23.根据权利要求19或21所述的方法，还包括将所提供的元件制造为集成电路，并且将所述第一电容器和所述第二电容器中的至少一个制造为所述集成电路的部件。
24.根据权利要求15、16、18、19或21所述的方法，其中，所述第一输出电压和所述第二输出电压小于所述输入电压。
25.根据权利要求15、16、18、19或21所述的方法，其中，所述第一输出电压和所述第二输出电压大于所述输入电压。
26.根据权利要求15、16、18、19或21所述的方法，其中，所述第一转换比和所述第二转换比是基于整数的比。
27.根据权利要求15、16、18、19或21所述的方法，其中，所述第一转换比为3:1以及所述第二转换比为2:1。
28.根据权利要求15、16、18、19或21所述的方法，还包括将所述输出电压配置成耦合至外部输出电容器。
29.根据权利要求18、19或21所述的方法，还包括将所提供的元件制造为集成电路。
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