KR102137359B1 - Circuit for hybrid switched capacitor converter - Google Patents
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Abstract
회로들은: VIN에 연결되는 제1 면을 갖는 인덕터; 인덕터의 제2 면에 연결되는 제1 면, 및 인덕터의 제2 면에 연결되지 않는 제2 면을 갖는 제1 스위치; VIN에 연결되는 제1 면을 갖는 제2 스위치; 제2 스위치의 제2 면에 연결되는 제1 면을 갖는 제1 커패시터; 제1 스위치의 제2면에 연결되는 제1 면을 갖는 제3 스위치; 제3 스위치의 제2 면에 연결되는 제1 면을 갖는 제4 스위치; 제1 커패시터의 제2 면에 그리고 제4 스위치의 제2 면에 연결되는 제1 면을 가지며, 전압 소스에 커플링되는 제2 면을 갖는 제5 스위치; 및 제4 스위치의 제1 면에 연결되는 제1 면을 가지며, 제5 스위치의 제2 면에 연결되는 제2 면을 갖는 제2 커패시터를 포함한다.The circuits include: an inductor having a first side connected to V IN ; A first switch having a first side connected to the second side of the inductor, and a second side not connected to the second side of the inductor; A second switch having a first side connected to V IN ; A first capacitor having a first surface connected to a second surface of the second switch; A third switch having a first surface connected to a second surface of the first switch; A fourth switch having a first surface connected to a second surface of the third switch; A fifth switch having a first side connected to the second side of the first capacitor and to the second side of the fourth switch and having a second side coupled to the voltage source; And a second capacitor having a first surface connected to the first surface of the fourth switch and a second surface connected to the second surface of the fifth switch.
Description
[관련 출원들에 대한 상호 참조] 본 출원은 2017년 9월 5일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/695,955호의 이익을 주장하고, 이 미국 특허 출원은 이로써 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된다.[Cross reference to related applications] This application claims the benefit of U.S. Patent Application No. 15/695,955, filed September 5, 2017, which is hereby incorporated by reference in its entirety. .
[기술분야] 본 개시내용은 재구성가능 딕슨 스타 스위치드 커패시터 전압 레귤레이터(reconfigurable Dickson Star switched capacitor voltage regulator)를 제공하는 것 그리고/또는 하이브리드(예를 들어, 2-스테이지) 전압 레귤레이터를 제공하는 것을 위한 장치들, 시스템들, 및 방법들에 관한 것이다.TECHNICAL FIELD The present disclosure provides an apparatus for providing a reconfigurable Dickson Star switched capacitor voltage regulator and/or for providing a hybrid (eg, two-stage) voltage regulator. Fields, systems, and methods.
전자 시스템들의 사이즈를 감소시키려는 강한 요구가 있다. 사이즈 감소는 공간이 중요한 모바일 전자 장치에서 특히 바람직하지만, 고정된 사이즈의 면적(real estate)에 가능한 많은 서버들을 집어넣는 것이 중요하기 때문에 빅 데이터 센터들에 배치되는 서버들에서도 또한 바람직하다.There is a strong demand to reduce the size of electronic systems. Size reduction is particularly desirable in mobile electronic devices where space is important, but it is also desirable in servers deployed in big data centers because it is important to put as many servers as possible in a fixed size real estate.
전자 시스템들에서 가장 큰 컴포넌트들 중 일부가 전압 레귤레이터들(전력 레귤레이터들이라고도 또한 지칭됨)이다. 전압 레귤레이터들은 종종 다수의 부피가 큰 오프칩(off-chip) 컴포넌트들을 포함하고, 프로세서들, 메모리 디바이스들(예를 들어, 동적 판독 액세스 메모리(dynamic read access memory)(DRAM)), 무선 주파수(radio-frequency)(RF) 칩들, WiFi 콤보 칩들, 및 전력 증폭기들을 포함하는 집적 칩들과 같은 회로들에 전압들을 전달하는 데 사용된다.Some of the largest components in electronic systems are voltage regulators (also referred to as power regulators). Voltage regulators often include a number of bulky off-chip components, processors, memory devices (e.g. dynamic read access memory (DRAM)), radio frequency ( It is used to deliver voltages to circuits such as integrated chips including radio-frequency (RF) chips, WiFi combo chips, and power amplifiers.
전력을 효율적으로 전달하기 위해, 전압 레귤레이터는 "벅(buck)" 토폴로지(topology)를 사용할 수 있다. 이러한 레귤레이터는 벅 레귤레이터라고 지칭된다. 벅 레귤레이터는 인덕터를 사용하여 전력 소스로부터 출력 부하로 전하를 전송한다. 벅 레귤레이터는 전력 스위치들을 사용하여 인덕터를 (각각 상이한 시점에서의) 상이한 전압들에/로부터 연결/연결해제함으로써, 상이한 전압들의 가중 평균인 출력 전압을 제공할 수 있다. 벅 레귤레이터는 인덕터가 상이한 전압들에 커플링되는 시간량을 제어함으로써 출력 전압을 조정할 수 있다.To efficiently deliver power, the voltage regulator can use a "buck" topology. This regulator is referred to as a buck regulator. The buck regulator uses an inductor to transfer charge from the power source to the output load. The buck regulator can use power switches to connect/disconnect the inductor to/from different voltages (at different time points), thereby providing a weighted average output voltage of different voltages. The buck regulator can regulate the output voltage by controlling the amount of time the inductor is coupled to different voltages.
유감스럽게도, 벅 레귤레이터는 고도로 집적된 전자 시스템들에는 매우 적합하지 않다. 벅 레귤레이터의 변환 효율은, 특히 전력 변환 비율이 높을 때 그리고 출력 부하에 의해 소비되는 전류의 양이 많을 때, 인덕터의 사이즈에 좌우된다. 인덕터가 대면적을 차지할 수 있고 온다이(on-die) 또는 온패키지(on-package)를 집적시킬 정도로 부피가 크기 때문에, 기존의 벅 레귤레이터들은 종종 다수의 오프칩 인덕터 컴포넌트들을 사용한다. 이 전략은 종종 인쇄 회로 보드 상의 대면적을 요구하는데, 이는 차례로 전자 디바이스의 사이즈를 증가시킨다. 모바일 시스템 온 칩(system-on-chip)(SoC)들이 더 복잡해지고 점점 더 많은 수의 전압 도메인들이 전압 레귤레이터에 의해 전달될 필요가 있음에 따라 도전과제가 악화된다.Unfortunately, the buck regulator is not very suitable for highly integrated electronic systems. The conversion efficiency of the buck regulator depends on the size of the inductor, especially when the power conversion ratio is high and the amount of current consumed by the output load is large. Existing buck regulators often use multiple off-chip inductor components because the inductor can occupy a large area and is bulky enough to integrate on-die or on-package. This strategy often requires a large area on the printed circuit board, which in turn increases the size of the electronic device. The challenge is exacerbated as mobile system-on-chips (SoCs) become more complex and more and more voltage domains need to be delivered by a voltage regulator.
이에 따라, 새로운 전압 레귤레이터 회로들이 바람직하다.Accordingly, new voltage regulator circuits are desirable.
하이브리드 스위치드 커패시터 컨버터용 회로들이 제공된다. 일부 실시예들에서, 회로들이 제공되고, 회로들은: 제1 면 및 제2 면을 갖는 인덕터 - 여기서 제1 면은 입력 전압에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제1 스위치 - 여기서 제1 면은 인덕터의 제2 면에 연결되고 제2 면은 인덕터의 제2 면에 연결되지 않음 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제2 스위치 - 여기서 제1 면은 입력 전압에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제1 커패시터 - 여기서 제1 면은 제2 스위치의 제2 면에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제3 스위치 - 여기서 제1 면은 제1 스위치의 제2 면에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제4 스위치 - 여기서 제1 면은 제3 스위치의 제2 면에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제5 스위치 - 여기서 제1 면은 제1 커패시터의 제2 면에 그리고 제4 스위치의 제2 면에 연결되고, 여기서 제2 면은 전압 소스에 커플링됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제2 커패시터 - 여기서 제1 면은 제4 스위치의 제1 면에 연결되고, 여기서 제2 면은 제5 스위치의 제2 면에 연결됨 - 를 포함한다.Circuits for hybrid switched capacitor converters are provided. In some embodiments, circuits are provided, the circuits comprising: an inductor having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the input voltage; A first switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the inductor and the second side is not connected to the second side of the inductor; A second switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the input voltage; A first capacitor having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the second switch; A third switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the first switch; A fourth switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the third switch; A fifth switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the first capacitor and to the second side of the fourth switch, wherein the second side is coupled to the voltage source; And a second capacitor having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the first side of the fourth switch, where the second side is connected to the second side of the fifth switch.
이들 실시예들 중 일부에서, 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 제4 스위치, 및 제5 스위치 중 적어도 하나는 트랜지스터이다.In some of these embodiments, at least one of the first switch, second switch, third switch, fourth switch, and fifth switch is a transistor.
이들 실시예들 중 일부에서, 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 제4 스위치, 및 제5 스위치 중 적어도 하나는 MOSFET이다.In some of these embodiments, at least one of the first switch, second switch, third switch, fourth switch, and fifth switch is a MOSFET.
이들 실시예들 중 일부에서, 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 제4 스위치, 및 제5 스위치 중 적어도 하나는 트랜지스터이고, 제1 스위치, 제2 스위치, 제3 스위치, 제4 스위치, 및 제5 스위치 중 적어도 하나는 제어기에 의해 제어된다.In some of these embodiments, at least one of the first switch, the second switch, the third switch, the fourth switch, and the fifth switch is a transistor, and the first switch, second switch, third switch, fourth switch , And at least one of the fifth switch is controlled by a controller.
이들 실시예들 중 일부에서, 회로가 제1 상태에 있을 때: 제1 스위치가 폐쇄되고; 제2 스위치가 개방되고; 제3 스위치가 개방되고; 제4 스위치가 폐쇄되고; 제5 스위치가 개방되고; 회로가 제2 상태에 있을 때: 제1 스위치가 폐쇄되고; 제2 스위치가 개방되고; 제3 스위치가 폐쇄되고; 제4 스위치가 개방되고; 제5 스위치가 폐쇄된다.In some of these embodiments, when the circuit is in the first state: the first switch is closed; The second switch is opened; The third switch is opened; The fourth switch is closed; The fifth switch is opened; When the circuit is in the second state: the first switch is closed; The second switch is opened; The third switch is closed; The fourth switch is opened; The fifth switch is closed.
이들 실시예들 중 일부에서, 회로가 제1 상태에 있을 때: 제1 스위치가 폐쇄되고; 제2 스위치가 개방되고; 제3 스위치가 개방되고; 제4 스위치가 폐쇄되고; 제5 스위치가 개방되고; 회로가 제2 상태에 있을 때: 제1 스위치가 폐쇄되고; 제2 스위치가 개방되고; 제3 스위치가 폐쇄되고; 제4 스위치가 개방되고; 제5 스위치가 폐쇄되고; 회로가 제3 상태에 있을 때: 제1 스위치가 개방되고; 제2 스위치가 폐쇄되고; 제3 스위치가 개방되고; 제4 스위치가 폐쇄되고; 제5 스위치가 개방되고; 회로가 제4 상태에 있을 때: 제1 스위치가 개방되고; 제2 스위치가 개방되고; 제3 스위치가 폐쇄되고; 제4 스위치가 개방되고; 제5 스위치가 폐쇄된다.In some of these embodiments, when the circuit is in the first state: the first switch is closed; The second switch is opened; The third switch is opened; The fourth switch is closed; The fifth switch is opened; When the circuit is in the second state: the first switch is closed; The second switch is opened; The third switch is closed; The fourth switch is opened; The fifth switch is closed; When the circuit is in the third state: the first switch is opened; The second switch is closed; The third switch is opened; The fourth switch is closed; The fifth switch is opened; When the circuit is in the fourth state: the first switch is opened; The second switch is opened; The third switch is closed; The fourth switch is opened; The fifth switch is closed.
이들 실시예들 중 일부에서, 회로들은: 제1 면 및 제2 면을 갖는 제6 스위치 - 여기서 제1 면은 인덕터의 제2 면에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제7 스위치 - 여기서 제1 면은 입력 전압에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제3 커패시터 - 여기서 제1 면은 제7 스위치의 제2 면에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제8 스위치 - 여기서 제1 면은 제6 스위치의 제2 면에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제9 스위치 - 여기서 제1 면은 제8 스위치의 제2 면에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제10 스위치 - 여기서 제1 면은 제3 커패시터의 제2 면에 그리고 제9 스위치의 제2 면에 연결되고, 여기서 제2 면은 전압 소스에 커플링됨 - 를 더 포함한다.In some of these embodiments, the circuits include: a sixth switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the inductor; A seventh switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the input voltage; A third capacitor having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the seventh switch; An eighth switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the sixth switch; A ninth switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the eighth switch; A tenth switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the third capacitor and to the second side of the ninth switch, wherein the second side is coupled to the voltage source. It includes more.
이들 실시예들 중 일부에서, 회로들은: 제1 면 및 제2 면을 갖는 제6 스위치 - 여기서 제1 면은 인덕터의 제2 면에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제7 스위치 - 여기서 제1 면은 입력 전압에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제3 커패시터 - 여기서 제1 면은 제7 스위치의 제2 면에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제8 스위치 - 여기서 제1 면은 제6 스위치의 제2 면에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제9 스위치 - 여기서 제1 면은 제8 스위치의 제2 면에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제10 스위치 - 여기서 제1 면은 제3 커패시터의 제2 면에 그리고 제9 스위치의 제2 면에 연결되고, 여기서 제2 면은 전압 소스에 커플링됨 - 를 더 포함하고, 여기서, 회로가 제1 상태에 있을 때: 제1 스위치가 개방되고; 제2 스위치가 폐쇄되고; 제3 스위치가 개방되고; 제4 스위치가 폐쇄되고; 제5 스위치가 개방되고; 제6 스위치가 개방되고; 제7 스위치가 개방되고; 제8 스위치가 폐쇄되고; 제9 스위치가 개방되고; 제10 스위치가 폐쇄되고; 회로가 제2 상태에 있을 때: 제1 스위치가 개방되고; 제2 스위치가 개방되고; 제3 스위치가 폐쇄되고; 제4 스위치가 개방되고; 제5 스위치가 폐쇄되고; 제6 스위치가 개방되고; 제7 스위치가 폐쇄되고; 제8 스위치가 개방되고; 제9 스위치가 폐쇄되고; 제10 스위치가 개방된다.In some of these embodiments, the circuits include: a sixth switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the inductor; A seventh switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the input voltage; A third capacitor having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the seventh switch; An eighth switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the sixth switch; A ninth switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the eighth switch; A tenth switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the third capacitor and to the second side of the ninth switch, wherein the second side is coupled to the voltage source. Further comprising, when the circuit is in the first state: the first switch is opened; The second switch is closed; The third switch is opened; The fourth switch is closed; The fifth switch is opened; The sixth switch is opened; The seventh switch is opened; The eighth switch is closed; The ninth switch is opened; The tenth switch is closed; When the circuit is in the second state: the first switch is opened; The second switch is opened; The third switch is closed; The fourth switch is opened; The fifth switch is closed; The sixth switch is opened; The seventh switch is closed; The eighth switch is opened; The ninth switch is closed; The tenth switch is opened.
이들 실시예들 중 일부에서, 회로들은: 제1 면 및 제2 면을 갖는 제6 스위치 - 여기서 제1 면은 인덕터의 제2 면에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제7 스위치 - 여기서 제1 면은 입력 전압에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제3 커패시터 - 여기서 제1 면은 제7 스위치의 제2 면에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제8 스위치 - 여기서 제1 면은 제6 스위치의 제2 면에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제9 스위치 - 여기서 제1 면은 제8 스위치의 제2 면에 연결됨 -; 제1 면 및 제2 면을 갖는 제10 스위치 - 여기서 제1 면은 제3 커패시터의 제2 면에 그리고 제9 스위치의 제2 면에 연결되고, 여기서 제2 면은 전압 소스에 커플링됨 - 를 더 포함하고, 여기서, 회로가 제1 상태에 있을 때: 제1 스위치가 개방되고; 제2 스위치가 폐쇄되고; 제3 스위치가 개방되고; 제4 스위치가 폐쇄되고; 제5 스위치가 개방되고; 제6 스위치가 개방되고; 제7 스위치가 개방되고; 제8 스위치가 폐쇄되고; 제9 스위치가 개방되고; 제10 스위치가 폐쇄되고; 회로가 제2 상태에 있을 때: 제1 스위치가 개방되고; 제2 스위치가 개방되고; 제3 스위치가 폐쇄되고; 제4 스위치가 개방되고; 제5 스위치가 폐쇄되고; 제6 스위치가 개방되고; 제7 스위치가 폐쇄되고; 제8 스위치가 개방되고; 제9 스위치가 폐쇄되고; 제10 스위치가 개방되고; 회로가 제3 상태에 있을 때: 제1 스위치가 폐쇄되고; 제2 스위치가 개방되고; 제3 스위치가 개방되고; 제4 스위치가 폐쇄되고; 제5 스위치가 개방되고; 제6 스위치가 개방되고; 제7 스위치가 개방되고; 제8 스위치가 폐쇄되고; 제9 스위치가 개방되고; 제10 스위치가 폐쇄되고; 회로가 제4 상태에 있을 때: 제1 스위치가 개방되고; 제2 스위치가 개방되고; 제3 스위치가 개방되고; 제4 스위치가 폐쇄되고; 제5 스위치가 개방되고; 제6 스위치가 폐쇄되고; 제7 스위치가 개방되고; 제8 스위치가 폐쇄되고; 제9 스위치가 개방되고; 제10 스위치가 폐쇄되고; 회로가 제5 상태에 있을 때: 제1 스위치가 개방되고; 제2 스위치가 개방되고; 제3 스위치가 폐쇄되고; 제4 스위치가 개방되고; 제5 스위치가 폐쇄되고; 제6 스위치가 폐쇄되고; 제7 스위치가 개방되고; 제8 스위치가 개방되고; 제9 스위치가 폐쇄되고; 제10 스위치가 개방되고; 회로가 제6 상태에 있을 때: 제1 스위치가 폐쇄되고; 제2 스위치가 개방되고; 제3 스위치가 폐쇄되고; 제4 스위치가 개방되고; 제5 스위치가 폐쇄되고; 제6 스위치가 개방되고; 제7 스위치가 개방되고; 제8 스위치가 개방되고; 제9 스위치가 폐쇄되고; 제10 스위치가 개방된다.In some of these embodiments, the circuits include: a sixth switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the inductor; A seventh switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the input voltage; A third capacitor having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the seventh switch; An eighth switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the sixth switch; A ninth switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the eighth switch; A tenth switch having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the second side of the third capacitor and to the second side of the ninth switch, wherein the second side is coupled to the voltage source. Further comprising, when the circuit is in the first state: the first switch is opened; The second switch is closed; The third switch is opened; The fourth switch is closed; The fifth switch is opened; The sixth switch is opened; The seventh switch is opened; The eighth switch is closed; The ninth switch is opened; The tenth switch is closed; When the circuit is in the second state: the first switch is opened; The second switch is opened; The third switch is closed; The fourth switch is opened; The fifth switch is closed; The sixth switch is opened; The seventh switch is closed; The eighth switch is opened; The ninth switch is closed; The tenth switch is opened; When the circuit is in the third state: the first switch is closed; The second switch is opened; The third switch is opened; The fourth switch is closed; The fifth switch is opened; The sixth switch is opened; The seventh switch is opened; The eighth switch is closed; The ninth switch is opened; The tenth switch is closed; When the circuit is in the fourth state: the first switch is opened; The second switch is opened; The third switch is opened; The fourth switch is closed; The fifth switch is opened; The sixth switch is closed; The seventh switch is opened; The eighth switch is closed; The ninth switch is opened; The tenth switch is closed; When the circuit is in the fifth state: the first switch is opened; The second switch is opened; The third switch is closed; The fourth switch is opened; The fifth switch is closed; The sixth switch is closed; The seventh switch is opened; The eighth switch is opened; The ninth switch is closed; The tenth switch is opened; When the circuit is in the sixth state: the first switch is closed; The second switch is opened; The third switch is closed; The fourth switch is opened; The fifth switch is closed; The sixth switch is opened; The seventh switch is opened; The eighth switch is opened; The ninth switch is closed; The tenth switch is opened.
개시된 청구물의 다양한 목적들, 피처들, 및 이점들은 동일한 참조 번호들이 동일한 요소들을 식별하는 다음의 도면들과 관련하여 고려될 때 개시된 청구물의 다음의 상세한 설명을 참조하여 더 충분히 인식될 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 종래 기술에서 알려진 바와 같은 벅 레귤레이터 및 그것의 동작의 예를 예시한다.
도 2는 종래 기술에서 알려진 바와 같은 3:1 스텝다운(step-down) 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 예를 도시한다.
도 3a 내지 도 3c는 종래 기술에서 알려진 바와 같은 3:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작의 예를 예시한다.
도 4는 일부 실시예들에 따른 복수의 변환 비율들을 지원하도록 재구성될 수 있는 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 예를 예시한다.
도 5a 내지 도 5c는 일부 실시예들에 따른 3:1의 변환 비율에 대한 도 4의 재구성가능 레귤레이터의 동작의 예를 예시한다.
도 6a 내지 도 6c는 일부 실시예들에 따른 2:1의 변환 비율에 대한 도 4의 재구성가능 레귤레이터의 동작의 예를 예시한다.
도 7a 내지 도 7c는 일부 실시예들에 따른 1:1의 변환 비율에 대한 도 4의 재구성가능 레귤레이터의 동작의 예를 예시한다.
도 8은 일부 실시예들에 따른 고정 변환 비율 4:1 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 예를 예시한다.
도 9a 내지 도 9c는 일부 실시예들에 따른 4:1 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작의 예를 도시한다.
도 10은 일부 실시예들에 따른 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 예를 도시한다.
도 11a 내지 도 11c는 일부 실시예들에 따른 4:1 변환 모드에서의 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작의 예를 예시한다.
도 12a 내지 도 12c는 일부 실시예들에 따른 3:1 변환 모드에서의 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작의 예를 예시한다.
도 13a 내지 도 13c는 일부 실시예들에 따른 2:1 변환 모드에서의 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작의 예를 예시한다.
도 14a 내지 도 14c는 일부 실시예들에 따른 1:1 변환 모드에서의 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작의 예를 예시한다.
도 15a 및 도 15b는 일부 실시예들에 따른 N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 예를 예시한다.
도 16은 일부 실시예들에 따른 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 예를 예시한다.
도 17a 내지 도 17c는 일부 실시예들에 따른 4:1 변환 모드에서의 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작의 예를 예시한다.
도 18a 내지 도 18c는 일부 실시예들에 따른 3:1 변환 모드에서의 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작의 예를 예시한다.
도 19a 내지 도 19c는 일부 실시예들에 따른 2:1 변환 모드에서의 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작의 예를 예시한다.
도 20a 내지 도 20c는 일부 실시예들에 따른 1:1 변환 모드에서의 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작의 예를 예시한다.
도 21a 및 도 21b는 일부 실시예들에 따른 N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 예를 예시한다.
도 22 내지 도 24는 일부 실시예들에 따른 스텝업 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터들의 예를 예시한다.
도 25는 일부 실시예들에 따른 SC 레귤레이터가 제1 스테이지 전압 레귤레이션을 제공하는 2-스테이지 전압 레귤레이션 시스템의 예를 예시한다.
도 26a 및 도 26b는 일부 실시예들에 따른 제2 스테이지 레귤레이터가 벅 컨버터인 도 25의 실시예의 예를 예시한다.
도 27은 일부 실시예들에 따른 SC 레귤레이터가 제2 스테이지 전압 레귤레이션을 제공하는 2-스테이지 전압 레귤레이션 시스템의 예를 예시한다.
도 28a 및 도 28b는 일부 실시예들에 따른 제1 스테이지 레귤레이터가 인덕터로 이루어지는 2-스테이지 전압 레귤레이터의 예를 예시한다.
도 29a 및 도 29b는 일부 실시예들에 따른 SC 레귤레이터가 4:1 딕슨 스타 스위치드 커패시터(switched-capacitor)(SC) 레귤레이터인 도 28의 2-스테이지 레귤레이터의 동작의 예를 예시한다.
도 30은 일부 실시예들에 따른 제2 스테이지 레귤레이터의 듀티 사이클링(duty-cycling) 및 VTMP의 전압 스윙(voltage swing)의 예를 예시한다.
도 31은 일부 실시예들에 따른 제2 스테이지 레귤레이터가 다위상 전압 레귤레이터(multi-phase voltage regulator)인 2-스테이지 전압 레귤레이션 시스템의 예를 예시한다.
도 32는 일부 실시예들에 따른 도 31의 스위치 커패시터들 사이의 위상 관계의 예를 예시한다.
도 33은 일부 실시예들에 따른 제1 스테이지 레귤레이터의 듀티 사이클을 유지하는 것을 가능하게 하는 스위치들의 제어 시퀀스의 예를 예시한다.
도 34는 일부 실시예들에 따른 전압 레귤레이션 시스템을 포함하는 컴퓨팅 디바이스의 블록도의 예이다.
도 35a 내지 도 35c는 일부 실시예들에 따른 N:1 변환 모드에서의 N:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작의 예를 도시한다.
도 36a 내지 도 36c는 일부 실시예들에 따른 하이브리드 컨버터(인덕터 및 2:1 스위치 커패시터 레귤레이터를 포함함) 및 H21 모드에 있을 때의 그것의 동작의 예를 예시한다.
도 37a 내지 도 37c는 일부 실시예들에 따른 하이브리드 컨버터(인덕터 및 2:1 스위치 커패시터 레귤레이터를 포함함) 및 2:1 SC 모드에 있을 때의 그것의 동작의 예를 예시한다.
도 38a 및 도 38b는 일부 실시예들에 따른 다위상 하이브리드 컨버터(인덕터 및 2:1 스위치 커패시터 레귤레이터를 포함함) 및 2:1 SC 모드에 있을 때의 그것의 동작의 예를 예시한다.
도 39a 내지 도 39e는 일부 실시예들에 따른 다위상 하이브리드 컨버터(인덕터 및 2:1 스위치 커패시터 레귤레이터를 포함함) 및 H21 모드에 있을 때의 그것의 동작의 예를 예시한다.Various objects, features, and advantages of the disclosed claims may be more fully appreciated with reference to the following detailed description of the disclosed claims when the same reference numbers are considered in connection with the following figures that identify the same elements.
1A and 1B illustrate an example of a buck regulator and its operation as known in the prior art.
2 shows an example of a 3:1 step-down Dickson Star SC regulator as known in the prior art.
3A-3C illustrate an example of the operation of a 3:1 step-down Dickson Star SC regulator as known in the prior art.
4 illustrates an example of a reconfigurable Dickson Star SC regulator that can be reconfigured to support multiple conversion ratios according to some embodiments.
5A-5C illustrate an example of the operation of the reconfigurable regulator of FIG. 4 for a 3:1 conversion ratio in accordance with some embodiments.
6A-6C illustrate an example of the operation of the reconfigurable regulator of FIG. 4 for a 2:1 conversion ratio in accordance with some embodiments.
7A-7C illustrate an example of the operation of the reconfigurable regulator of FIG. 4 for a 1:1 conversion ratio in accordance with some embodiments.
8 illustrates an example of a fixed conversion ratio 4:1 Dickson Star SC regulator in accordance with some embodiments.
9A-9C show examples of operation of a 4:1 Dickson Star SC regulator in accordance with some embodiments.
10 shows an example of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in accordance with some embodiments.
11A-11C illustrate an example of operation of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in a 4:1 conversion mode in accordance with some embodiments.
12A-12C illustrate an example of operation of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in a 3:1 conversion mode according to some embodiments.
13A-13C illustrate an example of the operation of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in a 2:1 conversion mode according to some embodiments.
14A-14C illustrate an example of the operation of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in a 1:1 conversion mode according to some embodiments.
15A and 15B illustrate an example of an N:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in accordance with some embodiments.
16 illustrates an example of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in accordance with some embodiments.
17A-17C illustrate an example of the operation of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in a 4:1 conversion mode according to some embodiments.
18A-18C illustrate an example of operation of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in a 3:1 conversion mode according to some embodiments.
19A-19C illustrate an example of operation of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in a 2:1 conversion mode according to some embodiments.
20A-20C illustrate an example of the operation of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in a 1:1 conversion mode in accordance with some embodiments.
21A and 21B illustrate an example of an N:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in accordance with some embodiments.
22-24 illustrate examples of step-up reconfigurable Dickson Star SC regulators in accordance with some embodiments.
25 illustrates an example of a two-stage voltage regulation system in which the SC regulator provides first stage voltage regulation according to some embodiments.
26A and 26B illustrate an example of the embodiment of FIG. 25 where the second stage regulator is a buck converter in accordance with some embodiments.
27 illustrates an example of a two-stage voltage regulation system in which the SC regulator provides second stage voltage regulation according to some embodiments.
28A and 28B illustrate an example of a two-stage voltage regulator in which the first stage regulator is made of an inductor according to some embodiments.
29A and 29B illustrate an example of the operation of the two-stage regulator of FIG. 28 where the SC regulator in accordance with some embodiments is a 4:1 Dixon Star switched-capacitor (SC) regulator.
30 illustrates an example of the duty-cycling of the second stage regulator and the voltage swing of V TMP according to some embodiments.
31 illustrates an example of a two-stage voltage regulation system where the second stage regulator is a multi-phase voltage regulator in accordance with some embodiments.
FIG. 32 illustrates an example of the phase relationship between switch capacitors of FIG. 31 in accordance with some embodiments.
33 illustrates an example of a control sequence of switches that makes it possible to maintain the duty cycle of a first stage regulator in accordance with some embodiments.
34 is an example of a block diagram of a computing device including a voltage regulation system in accordance with some embodiments.
35A-35C show an example of operation of an N:1 step-down Dickson Star SC regulator in an N:1 conversion mode in accordance with some embodiments.
36A-36C illustrate an example of a hybrid converter (including an inductor and a 2:1 switch capacitor regulator) and its operation when in H21 mode, in accordance with some embodiments.
37A-37C illustrate examples of hybrid converters (including inductors and 2:1 switch capacitor regulators) and their operation when in 2:1 SC mode, in accordance with some embodiments.
38A and 38B illustrate examples of multiphase hybrid converters (including inductors and 2:1 switch capacitor regulators) and their operation when in 2:1 SC mode, according to some embodiments.
39A-39E illustrate an example of a multiphase hybrid converter (including an inductor and a 2:1 switch capacitor regulator) and its operation when in H21 mode, in accordance with some embodiments.
다음의 설명에서, 개시된 청구물의 완전한 이해를 제공하기 위해, 개시된 청구물의 장치들, 시스템들, 및 방법들과, 이러한 장치들, 시스템들, 및 방법들이 동작할 수도 있는 환경 등과 관련하여 수많은 특정 세부사항들이 제시된다. 그러나, 본 기술분야의 통상의 기술자에게는, 개시된 청구물이 이러한 특정 세부사항들 없이 실시될 수도 있고, 본 기술분야에 잘 알려져 있는 특정 피처들이 개시된 청구물의 복잡성을 회피하기 위해 상세히 설명되지 않는다는 것이 명백할 것이다. 부가적으로, 아래에 제공되는 예들은 예시의 목적들을 위한 것이며, 개시된 청구물의 범주 내에 있는 다른 장치들, 시스템들, 및 방법들이 있는 것으로 고려된다는 것이 이해될 것이다.In the following description, in order to provide a thorough understanding of the disclosed claims, numerous specific details regarding the devices, systems, and methods of the disclosed claims, and the environment in which such devices, systems, and methods may operate, and the like. Details are presented. However, it is apparent to those skilled in the art that the disclosed claims may be practiced without these specific details, and that certain features well known in the art are not described in detail to avoid the complexity of the disclosed claims. something to do. Additionally, it will be understood that the examples provided below are for purposes of illustration, and that there are other devices, systems, and methods within the scope of the disclosed claims.
현대의 전자 시스템들은 단일 칩 내에 다수의 프로세싱 코어들 및 이종 컴포넌트들(예를 들어, 메모리 제어기들, 하드웨어 가속기들)을 포함하는 시스템 온 칩(SoC)으로서 타이트하게 집적되어 있다. 더 타이트한 전력 예산들과 결합된 SoC들의 인기가 블록별 입도(granularity)로 전압 및 주파수의 제어를 유도한다. 블록별 전압 제어는 전자 시스템이 더 높은 성능을 원하는 코어(들)의 전압만을 단지 상승시키는 것을 가능하게 할 수 있다. 이러한 블록별 전압 제어는 전력 및/또는 성능을 개선시킬 수 있다.Modern electronic systems are tightly integrated as a system-on-chip (SoC) that includes multiple processing cores and heterogeneous components (eg, memory controllers, hardware accelerators) in a single chip. The popularity of SoCs combined with tighter power budgets drives the control of voltage and frequency with block-by-block granularity. Block-by-block voltage control can enable the electronic system to only raise the voltage of the core(s) that desire higher performance. The voltage control for each block may improve power and/or performance.
그러나, 오프칩 전압 레귤레이터들의 비용 및 사이즈 제한들로 인해 동적 전압 및 주파수 스케일링(dynamic voltage and frequency scaling)(DVFS)의 전통적인 접근법들이 조립 레벨(coarse-grain level)로 수행되고 있었다. 더욱이, 전통적인 DVFS 방식들은 오프칩 전압 레귤레이터들의 느린 속도로 인해 마이크로초 타임스케일(timescale)에서의 느린 전압/주파수 스케일링으로 제한되었다. 나노초 타임스케일로 DVFS가 빨라지면 급속하게 변경되는 계산 요구에 대해 SoC 전압을 면밀히 추적함으로써 SoC에 의해 소비되는 전력을 훨씬 더 절약할 수 있다.However, due to cost and size limitations of off-chip voltage regulators, traditional approaches of dynamic voltage and frequency scaling (DVFS) have been performed at the coarse-grain level. Moreover, traditional DVFS schemes have been limited to slow voltage/frequency scaling at microsecond timescales due to the slow speed of off-chip voltage regulators. Faster DVFS with nanosecond timescales can further save power consumed by SoCs by closely tracking SoC voltages for rapidly changing computational demands.
오프칩 전압 레귤레이터들의 이들 결점들을 고려하여, 보드 사이즈를 감소시키고 나노초 타임스케일, 코어별 DVFS를 가능하게 하는 집적 전압 레귤레이터들(integrated voltage regulators)(IVR)을 구축하는 데 관심이 급증하고 있다. IVR은, 스위칭 레귤레이터 및 저 드롭아웃 선형 레귤레이터(low-dropout linear regulator)를 포함하는 다양한 전압 레귤레이터들을 포함할 수 있다. 보드 사이즈를 감소시킬 수 있고 나노초 타임스케일, 코어당 DVFS를 가능하게 할 수 있는 IVR들은, Wonyoung Kim 등에 의해, 2008년 2월에 HPCA(High-Performance Computer Architecture)에 관한 IEEE 국제 심포지움에서 발표된 "System Level Analysis of Fast, Per-Core DVFS using On-Chip Switching Regulators"라는 제목의 논문; Hanh-Phuc Le 등에 의해, 2011년 9월에 IEEE JSSC(Journal of Solid-State Circuits)에서 발표된 "Design Techniques for Fully Integrated Switched-Capacitor DC-DC Converters"라는 제목의 논문; 및 Wonyoung Kim 등에 의해, 2012년 1월에 IEEE JSSC(Journal of Solid-State Circuits)에서 발표된 "A Fully-Integrated 3-Level DC/DC Converter for Nanosecond-Scale DVFS"라는 제목의 논문을 포함하는, 본 출원의 발명자들에 의해 작성된 논문들에 개시되어 있는데, 이들 논문들 각각은 이로써 본 명세서에 그 전체가 참조로 포함된다.In view of these shortcomings of off-chip voltage regulators, there is a growing interest in building integrated voltage regulators (IVRs) that reduce board size and enable nanosecond timescale, DVFS per core. The IVR can include a variety of voltage regulators, including switching regulators and low-dropout linear regulators. IVRs that can reduce board size and enable nanosecond timescale, DVFS per core, were presented at the IEEE International Symposium on High-Performance Computer Architecture (HPCA) in February 2008 by Wonyoung Kim et al. A paper entitled "System Level Analysis of Fast, Per-Core DVFS using On-Chip Switching Regulators"; A paper entitled "Design Techniques for Fully Integrated Switched-Capacitor DC-DC Converters" published by IEEE Journal of Solid-State Circuits (JSSC) in September 2011 by Hanh-Phuc Le et al.; And a paper entitled "A Fully-Integrated 3-Level DC/DC Converter for Nanosecond-Scale DVFS" published by IEEE Young of Solid-State Circuits (JSSC) in January 2012 by Wonyoung Kim et al., Disclosed in the papers written by the inventors of the present application, each of these papers is hereby incorporated herein by reference in its entirety.
스위칭 레귤레이터의 예는 벅 레귤레이터이다. 도 1a 및 도 1b는 종래 기술에서 알려진 바와 같은 벅 레귤레이터 및 그것의 동작의 예들을 예시한다. 도 1a에 예시된 바와 같이, 벅 레귤레이터(100)는 인덕터(108) 및 2개의 스위치들(114, 116)을 포함할 수 있다. 벅 레귤레이터(100)는 한 세트의 전력 스위치들(114, 116)을 통해 인덕터(108)를 제1 전압 소스 VIN(104) 및 제2 전압 소스(118)에 연결할 수 있다. 일부 경우들에서, 제2 전압 소스(118)는 접지 전압 소스일 수 있다. 전력 스위치들(114, 116)은 외부 컨트롤들을 사용하여 턴 온 및 오프될(turned on and off) 수 있다. 일부 경우들에서, 전력 스위치들(114, 116)은 2개의 스위치들이 동시에 턴 온되지 않도록 제어될 수 있다.An example of a switching regulator is a buck regulator. 1A and 1B illustrate examples of a buck regulator and its operation as known in the prior art. As illustrated in FIG. 1A, the
전력 스위치들(114, 116)은 일부 실시예들에서 임의의 적합한 트랜지스터들로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 트랜지스터들은 MOSFET 트랜지스터들을 사용하여 구현될 수 있다. 더 구체적으로는, 예를 들어, 일부 실시예들에서 스위치(114)는 P-채널 MOSFET 트랜지스터를 사용하여 구현될 수 있고, 스위치(116)는 N-채널 MOSFET 트랜지스터를 사용하여 구현될 수 있다.Power switches 114 and 116 may be formed from any suitable transistors in some embodiments. For example, transistors can be implemented using MOSFET transistors. More specifically, for example, in some embodiments, switch 114 may be implemented using a P-channel MOSFET transistor, and switch 116 may be implemented using an N-channel MOSFET transistor.
도 1b에 예시된 바와 같이, 전력 스위치들(114, 116)이 주기 T로 턴 온 및 오프됨에 따라, 인덕터 VX(102)의 입력은 주기 T로 0 내지 VIN에서 스윙할 수 있다. 인덕터(108) 및 커패시터(120)는, 시간이 지남에 따라 VX(102)를 평균화함으로써 작은 전압 리플을 갖는 레귤레이터 출력 VOUT(110)에서의 신호를 생성하는 저역 통과 필터로서 동작한다. 출력 전압 VOUT(110)은, 인덕터(108)가 제1 전압 소스 VIN(104)에 커플링되는 시간량, 및 인덕터(108)가 제2 전압 소스(118)(예시의 목적들을 위해 0V임)에 커플링되는 시간량에 좌우될 수 있다. 예를 들어, 벅 레귤레이터(100)는 VOUT(510)의 레벨을 VIND + (0V)(1-D)로 조정할 수 있고, 여기서 0 내지 1의 수인 D는 VX가 VIN에 커플링되는 시간의 부분이다. D는 VX(102)의 듀티 사이클이라고도 또한 지칭된다. 전류를 소비하는 출력 부하(106)는, 프로세서, 메모리(DRAM, NAND 플래시), RF 칩, WiFi 콤보 칩, 전력 증폭기 등을 포함하는 임의의 타입의 전자 디바이스일 수 있다.As illustrated in FIG. 1B, as power switches 114 and 116 are turned on and off at period T, the input of
벅 레귤레이터(100)의 효율은 다음과 같이 컴퓨팅될 수 있다:The efficiency of the
여기서 은 출력 부하로 전달되는 전력을 나타내고 는 벅 레귤레이터(108)의 출력 전력을 나타낸다. 은 다음과 같이 컴퓨팅될 수 있다: , 여기서 는 전압 레귤레이션 프로세스 동안 전력 손실들의 양을 포함한다.here Denotes the power delivered to the output load Denotes the output power of the
벅 레귤레이터(100)와 연관된 주요 전력 손실들 중 하나는, 인덕터(108)의 기생 저항에 의해 발생되는 저항성 손실 을 포함한다. 벅 레귤레이터(100)가 전류(112)를 제공함으로써 출력 부하에 전력을 전달할 때, 이상적으로, 벅 레귤레이터(100)는 그것의 출력 전력 모두를 출력 부하(106)에 제공한다. 그러나, 실제 시나리오에서, 벅 레귤레이터(100)는 인덕터(108)에서 내부적으로 그것의 출력 전력의 일부를 소산시킨다. 이상적으로, 인덕터는 제로 저항을 갖는다. 그에 따라, 인덕터(108)를 통한 전류는 어떠한 전력도 소산시키지 않을 것이다. 그러나, 실제 시나리오에서, 인덕터는, 주로 인덕터를 형성하는 재료의 저항으로 인해, 유한 저항과 연관된다. 인덕터의 이 바람직하지 않은 유한 저항이 기생 저항이라고 지칭된다. 기생 저항은 인덕터를 통한 전류가 에너지를 소산시키게 할 수 있기 때문에 기생 저항이 저항성 전력 손실을 발생시킬 수 있다. 그에 따라, 저항성 전력 손실은 벅 레귤레이터(100)의 전력 변환 효율을 감소시킬 수 있다.Major power losses associated with
전류가 교류하고 있을 때, 그러면 저항성 전력 손실은 로서 컴퓨팅될 수 있고, 여기서 RL은 인덕터(108)의 기생 저항의 값이고, IL,RMS는 인덕터(108)를 통한 전류의 평균 제곱근이다. 인덕터 전류의 피크-투-피크 리플(peak-to-peak ripple)(IL,PP(120))을 감소시킴으로써 IL,RMS가 감소될 수 있다. 그에 따라, 벅 레귤레이터(100)는 인덕터 전류의 피크-투-피크 리플 IL,PP(120)를 감소시킴으로써 저항성 손실 을 감소시킬 수 있다.When the current is alternating, then the resistive power loss Can be computed as, where R L is the value of the parasitic resistance of the
인덕터 전류의 피크-투-피크 리플 IL,PP(120)를 감소시키기 위한 2개의 방식들이 있다. 첫 번째로, 벅 레귤레이터(100)는 고주파로 스위칭하고 스위칭 레귤레이터의 주기 T를 감소시킬 수 있다. 그러나, 이 솔루션은 스위치들(114, 116) 사이의 접합부(122)에서 기생 커패시턴스를 충전 및 방전하기 위해 소비되는 전력을 증가시킬 수 있다. 이 용량성 전력 손실은 상당할 수 있는데, 이는 스위치들(114, 116)의 사이즈가 클 수 있어 그것이 기생 커패시턴스를 증가시키기 때문이고, 그리고 VX(102)에 대한 전압 스윙이 크기 때문이다. 이 용량성 전력 손실은 다음과 같이 컴퓨팅될 수 있다: , 여기서 C는 접합부(122)에서의 기생 커패시턴스의 양이고, 는 벅 레귤레이터(100)가 스위칭하는 주파수이고, V는 접합부(122)에서의 전압 스윙이다. 이 전력 손실은 상당할 수 있는데, 이는 스위치들(114, 116)의 사이즈가 커서 그것이 기생 커패시턴스를 증가시키기 때문이고, 그리고 VX(102)에 대한 전압 스윙이 크기 때문이다.There are two ways to reduce the peak-to-peak ripple I L,PP 120 of the inductor current. First, the
두 번째로, 벅 레귤레이터(100)는 높은 인덕턴스 값을 갖는 인덕터(108)를 사용함으로써, 기생 저항 RL을 감소시킬 수 있다. 그러나, 이 접근법은 인덕터(108)를 커지게 하는데, 이는 집적을 어렵게 한다.Second, the
스위칭 레귤레이터의 다른 예는 스위치드 커패시터(SC) 레귤레이터이다. SC 레귤레이터는 인덕터 대신에 하나 이상의 커패시터들을 사용하여, 전력 소스로부터 출력 부하로 전하를 전달할 수 있다. SC 레귤레이터는 전력 스위치들을 사용하여 하나 이상의 커패시터들을 상이한 전압들에/로부터 연결/연결해제함으로써(상이한 시점에서 각각의 상이한 전압이 연결됨), 상이한 전압들의 가중 평균인 출력 전압을 제공할 수 있다. SC 레귤레이터는 커패시터들이 서로 커플링되게 하는 구성, 시퀀스 및 듀티 사이클을 변경함으로써 출력 전압을 제어할 수 있다. 커패시터들은 인덕터들보다 온다이 또는 온패키지를 집적시키기가 더 쉽기 때문에, 작은 사이즈를 갖는 SC IVR들을 구현하는 것이 더 쉽다.Another example of a switching regulator is a switched capacitor (SC) regulator. The SC regulator can use one or more capacitors instead of an inductor to transfer charge from the power source to the output load. The SC regulator can provide output voltages that are a weighted average of different voltages by connecting/disconnecting one or more capacitors to/from different voltages using power switches (each different voltage connected at different times). The SC regulator can control the output voltage by changing the configuration, sequence and duty cycle that causes the capacitors to be coupled to each other. Since capacitors are easier to integrate on-die or on-package than inductors, it is easier to implement SC IVRs with smaller sizes.
SC 레귤레이터의 하나의 타입은 딕슨 스타 SC 레귤레이터이다. 3:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터(입력 전압 레벨을 1/3로 나누도록 구성되는 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터)의 예가 도 2에 예시되어 있다. 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 다른 SC 레귤레이터 토폴로지들과 비교하여 여러 이점들을 갖는다. 첫 번째로, 그것은 래더 타입 SC 레귤레이터(ladder type SC regulator)와 같은 다른 SC 레귤레이터 토폴로지들과 비교하여 더 적은 커패시터들을 사용한다. 두 번째로, 그것은 직렬-병렬 SC 레귤레이터(series-to-parallel SC regulator)와 같은 다른 SC 레귤레이터 토폴로지들과 비교하여 더 낮은 전압 정격들을 갖는 트랜지스터들을 스위치들로서 사용할 수 있다. 세 번째로, 그것은 직렬-병렬 SC 레귤레이터와 같은 다른 SC 레귤레이터 토폴로지들과 비교하여 더 높은 입력 전압들로 더 쉽게 스케일링될 수 있다.One type of SC regulator is the Dickson Star SC regulator. An example of a 3:1 step-down Dixon Star SC regulator (a step-down Dixon Star SC regulator configured to divide the input voltage level by 1/3) is illustrated in FIG. 2. The Dickson Star SC regulator has several advantages compared to other SC regulator topologies. First, it uses fewer capacitors compared to other SC regulator topologies such as ladder type SC regulators. Secondly, it can use transistors with lower voltage ratings as switches compared to other SC regulator topologies, such as a series-to-parallel SC regulator. Third, it can be scaled more easily with higher input voltages compared to other SC regulator topologies such as series-parallel SC regulators.
딕슨 스타 SC 레귤레이터(200)는, 스위칭 커패시터들 C1FLY(204) 및 C2FLY(206), 및 스위칭 커패시터들 C1FLY(204) 및 C2FLY(206)를 입력 전압 노드 VIN(202), 출력 전압 노드 VOUT(208), 및 접지 노드 GND(210)에 전기적으로 커플링시키도록 구성되는 복수의 스위치들(216, 218, 220, 222, 224, 226, 및 228)을 포함하는 스위치 매트릭스를 포함할 수 있다. 출력 노드 VOUT(208)은 출력 부하 IOUT(212) 및 디커플링 커패시터(decoupling capacitor) COUT(214)에 커플링된다.The Dickson
도 3a 내지 도 3c는 딕슨 스타 SC 레귤레이터(200)의 기본 동작을 예시한다. 도 3c에 도시된 바와 같이, 딕슨 스타 SC 레귤레이터(200)는 시간이 지남에 따라 듀티 사이클 D로 (도 3a에 예시된) 상태0과 (도 3b에 예시된) 상태 1 사이에서 듀티 사이클링된다. 듀티 사이클(D)의 값은 0 내지 1, 그리고 바람직하게는 0.25 내지 0.75의 임의의 값일 수 있다.3A to 3C illustrate the basic operation of the Dickson
스위칭 커패시터들 C1FLY(204) 및 C2FLY(206)가 충분히 클 때, 이들 스위칭 커패시터들 양단의 전압들 VC1FLY, VC2FLY 각각은 상태0과 상태1 사이에서 거의 일정하게 유지된다. 부가적으로, 종종 큰 디커플링 커패시터 COUT(214)는 항상 출력 VOUT(208)에 커플링되어 출력에 대한 노이즈를 감소시킨다. 그에 따라, 출력 전압 VOUT(208)은 상태0 및 상태1에서 거의 일정하게 유지된다. 이들 특성들에 기초하여, 다음의 전압 관계들이 도출될 수 있다:When the switching
상태0 : VOUT(208) + VC1FLY = VC2FLY State 0: V OUT (208) + V C1FLY = V C2FLY
상태1 : VOUT(208) = VC1FLY State 1: V OUT (208) = V C1FLY
상태1 : VOUT(208) + VC2FLY = VIN(202)State 1: V OUT (208) + V C2FLY = V IN (202)
이들 관계들로부터 VC1FLY 및 VC2FLY를 제거함으로써, 다음의 관계들이 도출될 수 있다:By removing V C1FLY and V C2FLY from these relationships, the following relationships can be derived:
VOUT = (1/3) x VIN V OUT = (1/3) x V IN
이것은 상태0과 상태1 사이의 교번이 3:1 스텝다운 전압 레귤레이션을 제공한다는 것을 보여준다. 이 3:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터 설계는 N:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터로 확장될 수 있고, 여기서 N은 3보다 더 큰 수이다.This shows that the alternation between
도 35a 및 도 35b는 N:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 토폴로지 및 동작을 도시한다. N:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 커패시터 매트릭스(커패시터 뱅크라고도 또한 지칭됨)를 포함할 수 있다. 커패시터 매트릭스는 제1 커패시터 서브-매트릭스 및 제2 커패시터 서브-매트릭스를 포함할 수 있다. 제1 커패시터 서브-매트릭스에서의 커패시터들은 C(1, j)라고 지칭되고, 여기서 첫 번째 인덱스 "1"은 "제1" 커패시터 매트릭스를 지칭하고, 두 번째 인덱스 "j"는 제1 커패시터 서브-매트릭스에서의 j번째 커패시터를 지칭한다. 마찬가지로, 제2 커패시터 서브-매트릭스에서의 커패시터들은 C(2, j)라고 지칭된다. 도 35a 및 도 35b에서, 제1 커패시터 서브-매트릭스는 M개의 수의 커패시터들을 포함하고; 제2 커패시터 서브-매트릭스는 K개의 수의 커패시터들을 포함한다. M은 floor(N/2)와 동일할 수 있고, K는 floor((N-1)/2)와 동일할 수 있다.35A and 35B show the topology and operation of the N:1 step-down Dickson Star SC regulator. The N:1 step-down Dixon Star SC regulator can include a capacitor matrix (also referred to as a capacitor bank). The capacitor matrix can include a first capacitor sub-matrix and a second capacitor sub-matrix. The capacitors in the first capacitor sub-matrix are called C(1, j), where the first index "1" refers to the "first" capacitor matrix, and the second index "j" to the first capacitor sub-matrix. It refers to the jth capacitor in the matrix. Likewise, capacitors in the second capacitor sub-matrix are referred to as C(2, j). 35A and 35B, the first capacitor sub-matrix includes M number of capacitors; The second capacitor sub-matrix includes K number of capacitors. M may be equal to floor(N/2), and K may be equal to floor((N-1)/2).
N:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 복수의 스위치 매트릭스들을 포함한다. 제1 스위치 서브-매트릭스에서의 스위치들은 하부의 4개의 스위치들 SW1(216), SW2(218), SW3(220), SW4(222)를 포함한다. 제2 스위치 서브-매트릭스에서의 스위치들은 SW(2, j)라고 지칭되고, 여기서 인덱스 "j"는 스위치 매트릭스에서의 j번째 스위치를 지칭한다.The N:1 step-down Dickson Star SC regulator includes multiple switch matrices. The switches in the first switch sub-matrix include the lower four
도 35a 및 도 35b에서, 제1 스위치 서브-매트릭스 SW1(216), SW2(218), SW3(220), SW4(222)에서, 스위치들의 수 및 스위치들의 커넥션들은 "N"의 값에 관계없이 변경되지 않는다. 제2 스위치 서브-매트릭스는 F개의 수의 스위치들을 포함하고, 값 F는 M+K+1과 동일할 수 있다.35A and 35B, in the first
SW1(216)은 GND(210)와 SW2(218)의 하나의 단자 사이에 연결된다. SW2(218)의 다른 단자는 VOUT(208) 및 SW3(220)의 하나의 단자에 연결된다. SW4(222)는 GND(210)와 SW3(220)의 다른 단자 사이에 연결된다. SW(2,1)은 VOUT(208)과 C(1,1)의 하나의 단자 사이에 연결된다. 제2 스위치 서브-매트릭스에서의 나머지 스위치들은 제1 커패시터 서브-매트릭스에서의 커패시터들과 제2 커패시터 서브-매트릭스에서의 커패시터들 사이에 연결된다. 예를 들어, SW(2, j)(여기서 J>=2)는 C(1,p)의 하나의 단자와 C(2, q)의 하나의 단자 사이에 연결되고, 여기서 값 p는 ceiling(j/2)와 동일하고 값 q는 floor(j/2)와 동일하다. SW1(216)과 SW2(218) 사이의 커넥션은 C(1,p)의 다른 단자에 연결되고, SW3(220)과 SW4(222) 사이의 커넥션은 C(2,q)의 다른 단자에 연결된다.
N:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 스위치 매트릭스들에서의 스위치들을 턴 온 및 오프시킴으로써, 도 35a 및 도 35b 각각에 도시된 바와 같이, 상태0과 상태1 사이에서 듀티 사이클링될 수 있다.The N:1 step-down Dickson Star SC regulator can be duty cycled between
도 35a 및 도 35b는 N:1 변환 모드에서의 N:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작을 도시한다. 상태0에서, 제1 스위치 서브-매트릭스에서, SW1(216) 및 SW3(220)은 턴 오프(즉, 개방)되고, SW2(218) 및 SW4(222)는 턴 온(즉, 폐쇄)된다. 제2 스위치 서브-매트릭스에서, 모든 홀수 인덱스 스위치들은 오프(즉, 개방)되는 한편, 모든 짝수 인덱스 스위치들은 온(즉, 폐쇄)된다. 이에 후속하여, 상태1에서, 모든 스위치 상태들이 상태0과 비교하여 반전된다.35A and 35B show the operation of the N:1 step-down Dickson Star SC regulator in N:1 conversion mode. In
이 스위치 구성의 이점은, N이 얼마나 큰지에 관계없이, 모든 스위치들이 이들 양단에 최대 VOUT(208)만이 단지 인가되게 한다는 점이다. 하나의 결점은, 일부 커패시터들이 이들 양단에 고전압들이 인가되게 하는데, 이는 부피가 크고 고비용일 수 있는 고전압 정격 커패시터들을 요구한다는 점이다. 일부 실시예들에서, 커패시터들 양단의 전압들 VC(1,p) 및 VC(2,q)는 ((p-1) x 2+1) x VOUT(208) 및 q x 2 x VOUT(208)과 동일하다. 그 결과, 이 딕슨 스타 구성은 저전압 스위치들 및 고전압 커패시터들이 이용가능할 때 유용하다.The advantage of this switch configuration is that, regardless of how large N is, all switches have only a
딕슨 스타 SC 레귤레이터들이 유용할 수 있지만, 이러한 설계는 여전히 단일 변환 비율(N:1의 입력 전압 VIN(202)과 출력 전압 VOUT(208) 사이의 비율)로 제한될 것이고 다른 변환 비율들을 제공하기 위해 전압들을 효율적으로 레귤레이팅할 수 없다.Dixon Star SC regulators may be useful, but this design will still be limited to a single conversion ratio (the ratio between the
단일 변환 비율 SC 레귤레이터를 사용할 때의 하나의 단점은 출력 전압들의 제한된 범위이다. 종종, SC 레귤레이터들의 효율들은 입력 전압의 미리 결정된 분율(fraction)(예를 들어, 1/N)이 아닌 출력 전압들에서 저하될 수 있다. SC 레귤레이터는 전형적으로 단일 변환 비율에서 고효율을 달성하도록 최적화된다. 예를 들어, SC 레귤레이터가 3.3V를 제공하는 배터리에 커플링될 때, SC 레귤레이터는 3.3V를 수신하고 1.1V의 고정 출력 전압을 제공하도록 최적화될 수도 있다. 이 경우에, SC 레귤레이터의 효율은 1.1V의 출력 전압을 제공하도록 최적화된다 - SC 레귤레이터의 효율은 출력 전압이 1.1V로부터 벗어남에 따라 저하될 것이다. 달리 말하면, SC 레귤레이터는 3:1의 변환 비율에서 높은 효율을 제공하도록 최적화될 수도 있고, SC 레귤레이터의 효율은 변환 비율이 3:1로부터 벗어남에 따라 저하될 수도 있다. 이 효율 저하는 유감스러운 일인데, 이는 시스템 온 칩(SoC)이 많은 전압 레벨들에서 동작할 수도 있기 때문이고, 단일 SC 레귤레이터를 사용하여 SoC에서의 이들 전압 레벨들 모두를 수용하는 것이 바람직할 것이다.One disadvantage of using a single conversion ratio SC regulator is the limited range of output voltages. Often, the efficiency of SC regulators can degrade at output voltages that are not a predetermined fraction of the input voltage (eg, 1/N). SC regulators are typically optimized to achieve high efficiency at a single conversion ratio. For example, when an SC regulator is coupled to a battery providing 3.3V, the SC regulator may be optimized to receive 3.3V and provide a fixed output voltage of 1.1V. In this case, the efficiency of the SC regulator is optimized to provide an output voltage of 1.1V-the efficiency of the SC regulator will decrease as the output voltage deviates from 1.1V. In other words, the SC regulator may be optimized to provide high efficiency at a conversion ratio of 3:1, and the efficiency of the SC regulator may decrease as the conversion ratio deviates from 3:1. This decline in efficiency is unfortunate because the system-on-chip (SoC) may operate at many voltage levels, and it would be desirable to use a single SC regulator to accommodate all of these voltage levels in the SoC. .
다수의 변환 비율들을 지원하기 위한 하나의 방식은, 각각이 특정 변환 비율로 전용되는 복수의 레귤레이터들을 제공하고, 어떤 변환 비율이 지원될 필요가 있는지에 따라 이들 레귤레이터들 중 단지 하나만을 인에이블시키는 것이다. 그러나, 이것은 많은 중복 커패시터들 및 스위치들을 요구한다. 예를 들어, 3:1 레귤레이터가 사용되고 있을 때, 2:1 및 1:1 레귤레이터들에 대한 모든 스위치들 및 커패시터들은 사용되는 일 없이 유휴 상태를 유지한다. 중복 커패시터들 및 스위치들은 집적 회로 칩에 대한 면적을 요구하고 비용들을 부가시키는데, 이들 양측 모두는 바람직하지 않다.One way to support multiple conversion rates is to provide multiple regulators, each dedicated to a specific conversion rate, and enable only one of these regulators depending on which conversion rate needs to be supported. . However, this requires many redundant capacitors and switches. For example, when a 3:1 regulator is being used, all switches and capacitors for 2:1 and 1:1 regulators remain idle without being used. Redundant capacitors and switches require an area for the integrated circuit chip and add costs, both of which are undesirable.
그에 따라, 다수의 변환 비율들에서 높은 효율들을 달성할 수 있는 단일 SC 레귤레이터를 제공하는 것이 바람직할 것이다. 다시 말해, 많은 변환 비율들(예를 들어, 1/2, 1/3, 2/3, 2/5, 3/5, 4/5) 중 하나에 대해 재구성될 수 있는 단일 SC 레귤레이터를 제공하여 단일 SC 레귤레이터가 많은 출력 전압 레벨들 중 하나를 고효율로 수용할 수 있도록 하는 것이 바람직할 것이다.Accordingly, it would be desirable to provide a single SC regulator that can achieve high efficiencies at multiple conversion ratios. In other words, by providing a single SC regulator that can be reconstructed for one of many conversion ratios (e.g. 1/2, 1/3, 2/3, 2/5, 3/5, 4/5) It would be desirable for a single SC regulator to accommodate one of many output voltage levels with high efficiency.
본 개시내용은 다양한 모드들 사이에서 재구성함으로써 다수의 변환 비율들을 지원할 수 있는 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 보여준다. 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 다수의 동작 모드들에 걸쳐(다수의 변환 비율들에 걸쳐) 커패시터들 및 스위치들을 재사용함으로써 중복 커패시터들의 수를 감소시키도록 설계된다.This disclosure shows a reconfigurable Dickson Star SC regulator that can support multiple conversion ratios by reconstructing between various modes. The reconfigurable Dickson Star SC regulator is designed to reduce the number of redundant capacitors by reusing capacitors and switches across multiple modes of operation (over multiple conversion ratios).
일부 실시예들에서, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 정규 딕슨 스타 SC 레귤레이터 및 모드 스위치 매트릭스를 포함한다. 모드 스위치 매트릭스는, 정규 딕슨 스타 SC 레귤레이터에 커플링되는 복수의 스위치들을 포함한다. 원하는 변환 비율에 따라, 모드 스위치 매트릭스에서의 하나 이상의 스위치들은 정규 딕슨 스타 SC 레귤레이터에서의 커패시터들의 배열을 재구성하도록 인에이블될 수도 있다. 이러한 방식으로, 모드 스위치 매트릭스는 정규 고정 변환 모드 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 변환 비율을 재구성하는 것이 가능하다.In some embodiments, the reconfigurable Dixon Star SC regulator includes a regular Dixon Star SC regulator and a mode switch matrix. The mode switch matrix includes a plurality of switches coupled to a regular Dixon Star SC regulator. Depending on the desired conversion ratio, one or more switches in the mode switch matrix may be enabled to reconstruct the arrangement of capacitors in a regular Dickson Star SC regulator. In this way, the mode switch matrix is capable of reconstructing the conversion ratio of the regular fixed conversion mode Dickson Star SC regulator.
일부 실시예들에서, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 재구성된 변환 비율에 따라, 정규 고정 변환 모드 딕슨 스타 SC 레귤레이터에서의 스위치들은 커패시터들의 재구성된 배열을 고려하여 (그것의 정규 고정 변환 모드 동작과 비교하여) 상이하게 제어될 수도 있다.In some embodiments, depending on the reconstructed conversion ratio of the reconfigurable Dixon Star SC regulator, the switches in the regular fixed conversion mode Dickson Star SC regulator take into account the reconstructed arrangement of capacitors (compared to its regular fixed conversion mode operation. It may be controlled differently.
전술한 논의들에서, N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 M:1 변환 비율들 중 임의의 하나를 제공하도록 재구성될 수 있는 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 지칭하고, 여기서 M은 1 내지 N의 값이다.In the discussions above, an N:1 reconfigurable Dixon Star SC regulator refers to a reconfigurable Dixon Star SC regulator that can be reconfigured to provide any one of the M:1 conversion ratios, where M is 1 to N Is the value.
도 4는 일부 실시예들에 따른 복수의 변환 비율들을 지원하도록 재구성될 수 있는 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 예를 예시한다. 도 4는 변환 비율들: 3:1, 2:1, 1:1 중 하나로 재구성될 수 있는 3:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(400)를 도시한다. 3:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(400)는, 박스(404)를 사용하여 식별되는 도 2의 고정 3:1 딕슨 스타 SC 레귤레이터(200), 및 단일 모드 스위치 SW8(402)을 포함하는 모드 스위치 매트릭스(406)를 포함한다. 이 부가적인 모드 스위치(402)는 도 2의 고정 3:1 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 3:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터로 변환하도록 선택적으로 동작될 수 있다.4 illustrates an example of a reconfigurable Dickson Star SC regulator that can be reconfigured to support multiple conversion ratios according to some embodiments. 4 shows a 3:1 reconfigurable Dickson
도 5 내지 도 7은 일부 실시예들에 따른 변환 비율들 3:1, 2:1, 1:1 각각에 대한 도 4의 재구성가능 레귤레이터의 동작을 예시한다. 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(400)를 3:1 변환 모드에서 동작시키기 위해, 모드 스위치 SW8(402)은 ("개방" 포지션에서) 단순히 턴 오프될 수 있고, 재구성가능 레귤레이터(400)에서의 고정 3:1 딕슨 스타 SC 레귤레이터(404)는 도 3에서와 동일한 방식으로 동작될 수 있다(복수의 스위치들이 상태0과 상태1 사이에서 레귤레이터를 스위칭하기 위해 듀티 사이클링될 수 있다).5-7 illustrate the operation of the reconfigurable regulator of FIG. 4 for conversion ratios 3:1, 2:1, 1:1, respectively, in accordance with some embodiments. 5A-5C, the
도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 2:1 변환 모드에서 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(400)를 동작시키기 위해, 고정 3:1 레귤레이터(404)가 상태0과 상태1 사이에서 듀티 사이클링됨에 따라, 스위치 SW8(402)은 상태0 동안 턴 온(즉, 폐쇄)될 수 있고 스위치 SW8(402)은 상태 1 동안 턴 오프(즉, 개방)될 수 있다. 어떤 의미에서는, 이 3:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 2:1 변환 모드에서 동작하는데, 이는, 전통적인 2:1 SC 레귤레이터에서와 마찬가지로, 모드 스위치 SW8(402)이 스위칭 커패시터들 C1FLY(204) 및 C2FLY(206)를 병렬 방식으로 함께 연결하고 이들을 상태0에서 단일 대형 커패시터로서 일괄적으로 동작하게 하기 때문이다. 예를 들어, 전통적인 2:1 SC 레귤레이터에서, 스위칭 커패시터, 또는 병렬로 연결되어 하나의 스위칭 커패시터처럼 작동하는 여러 개의 스위칭 커패시터들이 하나의 상태에서 입력 전압과 출력 전압 사이에 연결되는 한편, 다른 상태에서 출력 전압과 접지 사이에 연결되어 있다. 이들 2개의 상태들 사이를 스위칭함으로써, 출력 전압이 입력 전압의 절반이 된다. 도 6a 및 도 6b의 스위치들은 도면들에 도시된 바와 같이 턴 온 및 오프되어 스위칭 커패시터들이 전통적인 2:1 SC 레귤레이터에서와 같이 거동하도록 한다.6A to 6C, the fixed 3:1
도 7a 내지 도 7c에 도시된 바와 같이, 1:1 변환 모드에서 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(400)를 동작시키기 위해, 레귤레이터가 상태0과 상태1 사이에서 듀티 사이클링됨에 따라, 스위치 SW8(402)은 상태0 동안 턴 온(즉, 폐쇄)될 수 있고 스위치 SW8(402)은 상태 1 동안 턴 오프(즉, 개방)될 수 있다. 나머지 스위치들은 이에 따라 턴 온 및 오프되어 스위칭 커패시터들이 전통적인 1:1 SC 레귤레이터에서와 같이 거동하도록 한다. 예를 들어, 전통적인 1:1 SC 레귤레이터에서, 스위칭 커패시터, 또는 병렬로 연결되어 하나의 스위칭 커패시터처럼 작동하는 여러 개의 스위칭 커패시터들이 하나의 상태에서 입력 전압과 접지 사이에 연결되는 한편, 다른 상태에서 출력 전압과 접지 사이에 연결되어 있다. 이들 2개의 상태들 사이를 스위칭함으로써, 출력 전압이 입력 전압과 유사하게 된다. 도 7a 및 도 7b의 스위치들은 도면들에 도시된 바와 같이 턴 온 및 오프되어 스위칭 커패시터들이 전통적인 1:1 SC 레귤레이터에서와 같이 거동하도록 한다.7A-7C, switch
일부 실시예들에서, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터일 수 있다. 다시 말해, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 다음의 변환 비율들: 4:1, 3:1, 2:1, 1:1 중 하나를 제공하도록 구성될 수 있다. 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 논의를 용이하게 하기 위해, 도 8은 고정 변환 비율 4:1 딕슨 스타 SC 레귤레이터(800)를 예시한다. 도 2의 3:1 딕슨 스타 SC 레귤레이터(200)와 비교하여, 4:1 딕슨 스타 SC 레귤레이터(800)는 하나 이상의 스위칭 커패시터 C3FLY(802) 및 하나 이상의 스위치 SW9(804)를 갖는다.In some embodiments, the reconfigurable Dixon Star SC regulator can be a 4:1 reconfigurable Dixon Star SC regulator. In other words, the reconfigurable Dickson Star SC regulator can be configured to provide one of the following conversion ratios: 4:1, 3:1, 2:1, 1:1. To facilitate discussion of a 4:1 reconfigurable Dixon Star SC regulator, FIG. 8 illustrates a fixed conversion ratio 4:1 Dixon
3:1 딕슨 스타 SC 레귤레이터(200)와 유사하게, 4:1 레귤레이터(800)는 상태0과 상태1 사이에서 듀티 사이클링되어 전압 레귤레이션을 제공한다. 도 9a 내지 도 9c는 상태0과 상태1 사이의 4:1 레귤레이터(800)의 듀티 사이클링을 도시한다. 스위칭 커패시터들 C1FLY(204), C2FLY(206), 및 C3FLY(802)와 디커플링 커패시터 COUT(214)이 크다고 가정하면, 2개의 상태들에 대해 다음의 관계들이 도출될 수 있다:Similar to the 3:1 Dixon
상태0 : VIN(202) = VC3FLY + VOUT(208)State 0: V IN (202) = V C3FLY + V OUT (208)
상태0 : VC2FLY = VC1FLY + VOUT(208)State 0: V C2FLY = V C1FLY + V OUT (208)
상태1 : VOUT(208) = VC1FLY State 1: V OUT (208) = V C1FLY
상태1 : VC3FLY = VOUT(208) + VC2FLY State 1: V C3FLY = V OUT (208) + V C2FLY
여기서 VC1FLY는 제1 스위칭 커패시터 C1FLY(204) 양단의 전압이고, VC2FLY는 제2 스위칭 커패시터 C2FLY(206) 양단의 전압이고, VC3FLY는 제3 스위칭 커패시터 C3FLY(802) 양단의 전압이다. 이들 관계들은 다음과 같이 재구성될 수 있다:Where V C1FLY is the voltage across the first
VC2FLY = 2 x VOUT V C2FLY = 2 x V OUT
VC3FLY = 3 x VOUT V C3FLY = 3 x V OUT
VOUT = (1/4) x VIN V OUT = (1/4) x V IN
그에 따라, 도 8에 예시된 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 4:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터로서 동작한다.Accordingly, the Dixon Star SC regulator illustrated in FIG. 8 operates as a 4:1 step-down Dixon Star SC regulator.
일부 실시예들에서, 고정 변환 모드 4:1 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 모드 스위치 매트릭스로 보강되어 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 제공할 수 있다. 도 10은 일부 실시예들에 따른 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(1000)를 도시한다. 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(1000)는, 고정 변환 모드 4:1 딕슨 스타 SC 레귤레이터 및 2개의 모드 스위치들 SW10(1002) 및 SW11(1004)을 갖는 모드 스위치 매트릭스를 포함한다. 모드 스위치 매트릭스는 4:1, 3:1, 2:1, 1:1 변환 비율들 사이의 재구성을 가능하게 하도록 고정 변환 모드 4:1 딕슨 스타 SC 레귤레이터에서의 커패시터들의 배열을 재구성하도록 설계된다.In some embodiments, the fixed conversion mode 4:1 Dixon Star SC regulator can be augmented with a mode switch matrix to provide a 4:1 reconfigurable Dixon Star SC regulator. 10 shows a 4:1 reconfigurable Dickson
도 11a 내지 도 11c는 일부 실시예들에 따른 4:1 변환 모드에서의 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작을 예시한다. 이 동작 모드에서, 도 11c에 도시된 바와 같이 딕슨 스타 SC 레귤레이터가 상태0과 상태1 사이에서 듀티 사이클링하는 동안, 모드 스위치들 SW10(1002) 및 SW11(1004)이 또한 듀티 사이클링되어 4:1 변환 비율을 제공하여, SW1(216) 및 SW2(218)와 유사하게 거동한다. 예를 들어, 상태0에서는, 제1 모드 스위치 SW10(1002)이 턴 오프("개방")되고 제2 모드 스위치 SW11(1004)이 턴 온("폐쇄")되고, 상태1에서는, 제1 모드 스위치 SW10(1002)이 턴 온("폐쇄")되고 제2 모드 스위치 SW11(1004)이 턴 오프("개방")된다.11A-11C illustrate the operation of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in a 4:1 conversion mode according to some embodiments. In this mode of operation, while the Dickson Star SC regulator cycles duty between
스위칭 커패시터들 C1FLY(204), C2FLY(206), 및 C3FLY(802)와 디커플링 커패시터 COUT(214)이 크다고 가정하면, 2개의 상태들에 대해 다음의 관계들이 도출될 수 있다:Assuming that the switching
상태0 : VIN(202) = VC3FLY + VOUT(208)State 0: V IN (202) = V C3FLY + V OUT (208)
상태0 : VC2FLY = VC1FLY + VOUT(208)State 0: V C2FLY = V C1FLY + V OUT (208)
상태1 : VOUT(208) = VC1FLY State 1: V OUT (208) = V C1FLY
상태1 : VC3FLY = VOUT(208) + VC2FLY State 1: V C3FLY = V OUT (208) + V C2FLY
여기서 VC1FLY는 제1 스위칭 커패시터 C1FLY(204) 양단의 전압이고, VC2FLY는 제2 스위칭 커패시터 C2FLY(206) 양단의 전압이고, VC3FLY는 제3 스위칭 커패시터 C3FLY(802) 양단의 전압이다. 이들 관계들은 다음과 같이 재구성될 수 있다:Where V C1FLY is the voltage across the first
VC2FLY = 2 x VOUT V C2FLY = 2 x V OUT
VC3FLY = 3 x VOUT V C3FLY = 3 x V OUT
VOUT = (1/4) x VIN V OUT = (1/4) x V IN
그에 따라, 도 11a 및 도 11b에 예시된 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 4:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터로서 동작한다.Accordingly, the reconfigurable Dixon Star SC regulator illustrated in FIGS. 11A and 11B operates as a 4:1 step-down Dixon Star SC regulator.
도 12a 내지 도 12c는 일부 실시예들에 따른 3:1 변환 모드에서의 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작을 예시한다. 이 동작 모드에서, 도 12c에 도시된 바와 같이 레귤레이터가 상태0과 상태1 사이에서 듀티 사이클링하는 동안, 모드 스위치들 SW10(1002) 및 SW11(1004)이 또한 듀티 사이클링되어 3:1 변환 비율을 제공한다. 예를 들어, 상태0에서는, 제1 모드 스위치 SW10(1002)이 턴 온("폐쇄")되고 제2 모드 스위치 SW11(1004)이 턴 오프("개방")되고, 상태1에서는, 제1 모드 스위치 SW10(1002)이 턴 오프("개방")되고 제2 모드 스위치 SW11(1004)이 턴 온("폐쇄")된다.12A-12C illustrate the operation of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in a 3:1 conversion mode according to some embodiments. In this mode of operation, while the regulator cycles duty between
어떤 의미에서는, 3:1 변환 모드에서 동작하는 이 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작은 도 2의 고정 변환 모드 3:1 딕슨 스타 SC 레귤레이터(200)의 동작과 유사하다. 예를 들어, 스위칭 커패시터들 C2FLY(206) 및 C3FLY(802)는 병렬로 함께 연결되어 더 큰 단일 커패시터를 제공하는데, 이는 도 2의 C2FLY(206)로서 함께 동작한다. 다른 예로서, 도 12a 및 도 12b의 스위칭 커패시터 C1FLY(204)는 도 2의 C1FLY(204)로서 동작한다. 그에 따라, 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터에서의 커패시터들의 수가 도 2의 고정 변환 모드 3:1 딕슨 스타 SC 레귤레이터와는 상이하지만, 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 복수의 스위치들을 사용하는 커패시터 배열들의 재구성을 통해 3:1 변환 모드에서 동작할 수 있다.In some sense, the operation of this 4:1 reconfigurable Dixon Star SC regulator operating in 3:1 conversion mode is similar to that of the fixed conversion mode 3:1 Dixon
스위칭 커패시터들 C1FLY(204), C2FLY(206), 및 C3FLY(802)와 디커플링 커패시터 COUT(214)이 크다고 가정하면, 2개의 상태들에 대해 다음의 관계들이 도출될 수 있다:Assuming that the switching
상태0 : VC2FLY = VC3FLY State 0: V C2FLY = V C3FLY
상태0 : VC2FLY = VC1FLY + VOUT(208)State 0: V C2FLY = V C1FLY + V OUT (208)
상태1 : VOUT(208) = VC1FLY State 1: V OUT (208) = V C1FLY
상태1 : VIN(202) = VOUT(208) + VC2FLY State 1: V IN (202) = V OUT (208) + V C2FLY
여기서 VC1FLY는 제1 스위칭 커패시터 C1FLY(204) 양단의 전압이고, VC2FLY는 제2 스위칭 커패시터 C2FLY(206) 양단의 전압이고, VC3FLY는 제3 스위칭 커패시터 C3FLY(802) 양단의 전압이다. 이들 관계들은 다음과 같이 재구성될 수 있다:Where V C1FLY is the voltage across the first
VC2FLY = 2 x VOUT(208)V C2FLY = 2 x V OUT (208)
VC3FLY = 2 x VOUT(208)V C3FLY = 2 x V OUT (208)
VOUT = (1/3) x VIN V OUT = (1/3) x V IN
그에 따라, 도 12a 내지 도 12c에 예시된 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 3:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터로서 동작한다.Accordingly, the reconfigurable Dixon Star SC regulator illustrated in FIGS. 12A-12C operates as a 3:1 step-down Dixon Star SC regulator.
도 13a 내지 도 13c는 일부 실시예들에 따른 2:1 변환 모드에서의 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작을 예시한다. 이 동작 모드에서, 도 13c에 도시된 바와 같이 딕슨 스타 SC 레귤레이터가 상태0과 상태1 사이에서 듀티 사이클링하는 동안, 모드 스위치들 SW10(1002) 및 SW11(1004)이 또한 듀티 사이클링되어 2:1 변환 비율을 제공한다. 예를 들어, 상태0에서는, 제1 모드 스위치 SW10(1002)이 턴 오프("개방")되고 제2 모드 스위치 SW11(1004)이 턴 온("폐쇄")되고, 상태 1에서는, 제1 모드 스위치 SW10(1002)이 턴 온("폐쇄")되고 제2 모드 스위치 SW11(1004)이 턴 오프("개방")된다.13A-13C illustrate the operation of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in a 2:1 conversion mode according to some embodiments. In this mode of operation, while the Dickson Star SC regulator cycles duty between
어떤 의미에서는, 이 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 2:1 변환 모드에서 동작하는데, 이는, 전통적인 2:1 SC 레귤레이터에서와 마찬가지로, 레귤레이터가 3개의 스위칭 커패시터들 C1FLY(204), C2FLY(206), C3FLY(802) 모두를 병렬로 함께 연결하고 이들을 단일 대형 커패시터로서 일괄적으로 동작하게 하기 때문이다. 예를 들어, 전통적인 2:1 SC 레귤레이터에서, 스위칭 커패시터, 또는 병렬로 연결되어 하나의 스위칭 커패시터처럼 작동하는 여러 개의 스위칭 커패시터들이 하나의 상태에서 입력 전압과 출력 전압 사이에 연결되는 한편, 다른 상태에서 출력 전압과 접지 사이에 연결되어 있다. 이들 2개의 상태들 사이를 스위칭함으로써, 출력 전압이 입력 전압의 절반이 된다. 도 13a 및 도 13b의 스위치들은 이에 따라 턴 온 및 오프되어 스위칭 커패시터들이 전통적인 2:1 SC 레귤레이터에서와 같이 거동하도록 한다.In a sense, this 4:1 reconfigurable Dixon Star SC regulator operates in 2:1 conversion mode, as in the traditional 2:1 SC regulator, the regulator has three switching
스위칭 커패시터들 C1FLY(204), C2FLY(206), 및 C3FLY(802)와 디커플링 커패시터 COUT(214)이 크다고 가정하면, 2개의 상태들에 대해 다음의 관계들이 도출될 수 있다:Assuming that the switching
상태0 : VC1FLY = VC2FLY = VC3FLY = VIN(202) - VOUT(208)State 0: V C1FLY = V C2FLY = V C3FLY = V IN (202)-V OUT (208)
상태1 : VC1FLY = VC2FLY = VC3FLY = VOUT(208)State 1: V C1FLY = V C2FLY = V C3FLY = V OUT (208)
여기서 VC1FLY는 제1 스위칭 커패시터 C1FLY(204) 양단의 전압이고, VC2FLY는 제2 스위칭 커패시터 C2FLY(206) 양단의 전압이고, VC3FLY는 제3 스위칭 커패시터 C3FLY(802) 양단의 전압이다. 이들 관계들은 다음과 같이 재구성될 수 있다:Where V C1FLY is the voltage across the first
VC1FLY = VOUT V C1FLY = V OUT
VC2FLY = VOUT V C2FLY = V OUT
VC3FLY = VOUT V C3FLY = V OUT
VOUT = (1/2) x VIN V OUT = (1/2) x V IN
그에 따라, 도 13a 내지 도 13c에 예시된 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 2:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터로서 동작한다.Accordingly, the reconfigurable Dixon Star SC regulator illustrated in FIGS. 13A-13C operates as a 2:1 step-down Dixon Star SC regulator.
도 14a 내지 도 14c는 일부 실시예들에 따른 1:1 변환 모드에서의 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작을 예시한다. 이 동작 모드에서, 도 14c에 도시된 바와 같이 딕슨 스타 SC 레귤레이터가 상태0과 상태1 사이에서 듀티 사이클링하는 동안, 모드 스위치들 SW10(1002) 및 SW11(1004)이 듀티 사이클링되지 않는다. 예를 들어, 상태0과 상태1 양측 모두에서, 제1 모드 스위치 SW10(1002)은 턴 온("폐쇄")되고 제2 모드 스위치 SW11(1004)은 턴 오프("개방")된다.14A-14C illustrate the operation of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in a 1:1 conversion mode according to some embodiments. In this mode of operation, while the Dickson Star SC regulator cycles duty between
어떤 의미에서는, 이 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 1:1 변환 모드에서 동작하는데, 이는, 전통적인 1:1 SC 레귤레이터에서와 마찬가지로, 레귤레이터가 3개의 스위칭 커패시터들 C1FLY(204), C2FLY(206), C3FLY(802) 모두를 병렬로 함께 연결하고 이들을 단일 대형 커패시터로서 일괄적으로 동작하게 하기 때문이다. 예를 들어, 전통적인 1:1 SC 레귤레이터에서, 스위칭 커패시터, 또는 병렬로 연결되어 하나의 스위칭 커패시터처럼 작동하는 여러 개의 스위칭 커패시터들이 하나의 상태에서 입력 전압과 접지 사이에 연결되는 한편, 다른 상태에서 출력 전압과 접지 사이에 연결되어 있다. 이들 2개의 상태들 사이를 스위칭함으로써, 출력 전압이 입력 전압과 유사하게 된다. 도 14a 및 도 14b의 스위치들은 도면들에 도시된 바와 같이 턴 온 및 오프되어 스위칭 커패시터들이 전통적인 1:1 SC 레귤레이터에서와 같이 거동하도록 한다.In a sense, this 4:1 reconfigurable Dixon Star SC regulator operates in 1:1 conversion mode, as in the traditional 1:1 SC regulator, the regulator has three switching
스위칭 커패시터들 C1FLY(204), C2FLY(206), 및 C3FLY(802)와 디커플링 커패시터 COUT(214)이 크다고 가정하면, 2개의 상태들에 대해 다음의 관계들이 도출될 수 있다:Assuming that the switching
상태0 : VC1FLY = VC2FLY = VC3FLY = VIN(202)State 0: V C1FLY = V C2FLY = V C3FLY = V IN (202)
상태1 : VC1FLY = VC2FLY = VC3FLY = VOUT(208)State 1: V C1FLY = V C2FLY = V C3FLY = V OUT (208)
여기서 VC1FLY는 제1 스위칭 커패시터 C1FLY(204) 양단의 전압이고, VC2FLY는 제2 스위칭 커패시터 C2FLY(206) 양단의 전압이고, VC3FLY는 제3 스위칭 커패시터 C3FLY(802) 양단의 전압이다. 이들 관계들은 다음과 같이 재구성될 수 있다:Where V C1FLY is the voltage across the first
VC1FLY = VOUT V C1FLY = V OUT
VC2FLY = VOUT V C2FLY = V OUT
VC3FLY = VOUT V C3FLY = V OUT
VOUT = VIN V OUT = V IN
그에 따라, 도 14a 내지 도 14c에 예시된 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 1:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터로서 동작한다.Accordingly, the reconfigurable Dixon Star SC regulator illustrated in FIGS. 14A-14C operates as a 1:1 step-down Dixon Star SC regulator.
일부 실시예들에서, 도 4에 예시된 3:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(400) 및 도 10에 예시된 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(1000)는 N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터로 확장될 수 있고, 여기서 N은 1보다 더 큰 임의의 수일 수 있다.In some embodiments, the 3:1 reconfigurable Dixon
도 15a 및 도 15b는 일부 실시예들에 따른 N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 예시한다.15A and 15B illustrate an N:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in accordance with some embodiments.
일부 실시예들에서, N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(1500)는 커패시터 매트릭스(커패시터 뱅크라고도 또한 지칭됨)를 포함할 수 있다. 커패시터 매트릭스는 제1 커패시터 서브-매트릭스 및 제2 커패시터 서브-매트릭스를 포함할 수 있다. 제1 커패시터 서브-매트릭스에서의 커패시터들은 C(1, j)라고 지칭되고, 여기서 첫 번째 인덱스 "1"은 "제1" 커패시터 매트릭스를 지칭하고, 두 번째 인덱스 "j"는 제1 커패시터 서브-매트릭스에서의 j번째 커패시터를 지칭한다. 마찬가지로, 제2 커패시터 서브-매트릭스에서의 커패시터들은 C(2, j)라고 지칭된다. 도 15a 및 도 15b에서, 제1 커패시터 서브-매트릭스는 M개의 수의 커패시터들을 포함하고; 제2 커패시터 서브-매트릭스는 K개의 수의 커패시터들을 포함한다. 일부 실시예들에서, M은 floor(N/2)와 동일하고, K는 floor((N-1)/2)와 동일하다.In some embodiments, the N:1 reconfigurable Dixon
일부 실시예들에서, N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(1500)는 제1 스위치 서브-매트릭스, 제2 스위치 서브-매트릭스, 제3 스위치 서브-매트릭스, 제4 스위치 서브-매트릭스, 및 제5 스위치 매트릭스를 포함한다.In some embodiments, the N:1 reconfigurable Dixon
제1 스위치 서브-매트릭스에서의 스위치들은 SW(1, j)라고 지칭되고, 여기서 첫 번째 인덱스 "1"은 "제1" 스위치 매트릭스를 지칭하고, 두 번째 인덱스 "j"는 제1 스위치 서브-매트릭스에서의 j번째 스위치를 지칭한다. 마찬가지로, 제2 스위치 서브-매트릭스에서의 스위치들은 SW(2, j)라고 지칭되고; 제3 스위치 서브-매트릭스에서의 스위치들은 SW(3, j)라고 지칭되고; 제4 스위치 서브-매트릭스에서의 스위치들은 SW(4, j)라고 지칭되고; 제5 스위치 서브-매트릭스에서의 스위치들은 SW(5, j)라고 지칭된다.The switches in the first switch sub-matrix are referred to as SW(1, j), where the first index "1" refers to the "first" switch matrix, and the second index "j" to the first switch sub-matrix. J-th switch in the matrix. Likewise, switches in the second switch sub-matrix are referred to as SW(2, j); The switches in the third switch sub-matrix are called SW(3, j); The switches in the fourth switch sub-matrix are called SW(4, j); The switches in the fifth switch sub-matrix are called SW(5, j).
도 15a 및 도 15b에서, 제1 스위치 서브-매트릭스 및 제2 스위치 서브-매트릭스 각각은 M개의 수의 스위치들을 포함하고; 제3 스위치 서브-매트릭스 및 제4 스위치 서브-매트릭스 각각은 K개의 수의 스위치들을 포함하고; 제5 스위치 서브-매트릭스는 L개의 수의 스위치들을 포함한다. 일부 실시예들에서, M은 floor(N/2)와 동일하고; K는 floor((N-1)/2)와 동일하고; L은 N과 동일하다.15A and 15B, each of the first switch sub-matrix and the second switch sub-matrix includes M number of switches; Each of the third switch sub-matrix and the fourth switch sub-matrix includes K number of switches; The fifth switch sub-matrix includes L number of switches. In some embodiments, M is equal to floor(N/2); K is equal to floor((N-1)/2); L is the same as N.
일부 실시예들에서, 레귤레이터(1500)는 레귤레이터(1500)의 스위치 매트릭스에서의 스위치들을 턴 온 및 오프시킴으로써 상태0과 상태1 사이에서 듀티 사이클링될 수 있다.In some embodiments,
도 15a 및 도 15b는 일부 실시예들에 따른 N:1 변환 모드에서의 N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(1500)의 동작을 도시한다. 상태0에서는, 좌측 하부 측에서의 제1 스위치 서브-매트릭스에서의 모든 스위치들이 턴 온되는 한편, 제2 스위치 서브-매트릭스 측에서의 모든 스위치들이 턴 오프된다. 부가적으로, 제3 스위치 서브-매트릭스에서의 모든 스위치들이 턴 오프되는 한편, 제4 스위치 서브-매트릭스에서의 모든 스위치들이 턴 온된다. 제5 스위치 서브-매트릭스에서, 모든 홀수 인덱스 스위치들은 오프되는 한편, 모든 짝수 인덱스 스위치들은 온된다. 이에 후속하여, 상태1에서, 모든 스위치 상태들이 상태0과 비교하여 반전된다. SW(j,1), SW(j,2), SW(j,3), SW(j,4)를 포함하는 부가적인 스위치들이 있지만 - 여기서 j는 1보다 더 크다 -, 커패시터 토폴로지들은 도 35의 N:1 스텝다운 딕슨 스타와 유사하다.15A and 15B illustrate the operation of an N:1 reconfigurable Dickson
(N-1):1 변환 모드에서 N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(1500)를 동작시키기 위해, 제1 커패시터 서브-매트릭스에서 가장 높은 인덱스를 갖는 커패시터(C(1, M)) 및 제2 커패시터 서브-매트릭스에서 가장 높은 인덱스를 갖는 커패시터(C(2, K))는 병렬로 함께 연결되어 단일 커패시터로서 동작할 수 있다. 이 "단일" 커패시터는 (N-1):1 고정 변환 모드 딕슨 스타 SC 레귤레이터 - 스위치 SW(5,L)을 통해 VIN(202)에 연결되는 커패시터인 C(2, K), SW(5, L)인 제5 스위치 매트릭스에서의 상부 스위치, 및 C(2,K)에 연결된 2개의 스위치들인 SW(3, K) 및 SW(4, K)가 없는 N:1 고정 변환 모드 딕슨 스타 SC 레귤레이터와 동일한 딕슨 스타 SC 레귤레이터 - 에서의 C(1, M)과 유사하게 작동할 수 있다.To operate the N:1 reconfigurable Dixon
(N-2):1 변환 모드에서 N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 동작시키기 위해, 제5 스위치 서브-매트릭스에서 가장 적은 스위치들을 통해 VIN(202)에 연결되는 3개의 커패시터들이 병렬로 함께 연결되어 단일 커패시터처럼 작동할 수 있다. 이들 3개의 커패시터들은, 예를 들어, 제1 커패시터 서브-매트릭스에서 가장 높은 인덱스를 갖는 하나의 커패시터 C(1, M), 및 제2 커패시터 서브-매트릭스에서 가장 높은 인덱스들을 갖는 2개의 커패시터들(C(2, K), C(2, K-1))을 포함한다. 이 "단일" 커패시터는 (N-2):1 고정 변환 모드 딕슨 스타 SC 레귤레이터 - C(1, M) 및 C(2, K), SW(5, L) 및 SW(5, L-1)인 제5 스위치 매트릭스에서의 상부의 2개의 스위치들, 및 C(1,M) 및 C(2,K)에 연결된 스위치들인 SW(1,M), SW(2,M), SW(3,K), SW(4,K)가 없는 N:1 고정 변환 모드 딕슨 스타 SC 레귤레이터와 동일한 딕슨 스타 SC 레귤레이터 - 에서의 C(2, K-1)과 유사하게 작동할 수 있다.To operate an N:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in (N-2):1 conversion mode, three capacitors connected to
더 일반적으로는, (N-R):1 변환 모드에서 N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 동작시키기 위해, 제5 스위치 서브-매트릭스에서 가장 적은 스위치들을 통해 VIN(202)에 연결되는 "R+1"개의 수의 커패시터들이 병렬로 함께 연결되어 단일 커패시터처럼 작동할 수 있고, 나머지 스위치들은 (N-R):1 고정 변환 모드 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 동작시키는 것처럼 동작될 수 있다.More generally, to operate the N:1 reconfigurable Dixon Star SC regulator in (NR):1 conversion mode, the "R+" is connected to
일부 실시예들에서, 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 다른 토폴로지는 변환 모드들 사이의 재구성을 가능하게 할 수 있다. 도 16은 일부 실시예들에 따른 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(1600)를 예시한다. 도 10 내지 도 14의 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(1000)는 도 8의 고정 변환 모드 4:1 딕슨 스타 SC 레귤레이터(800)와 비교하여 2개의 부가적인 모드 스위치들 SW10(1002) 및 SW11(1004)을 갖는다. 도 16은 상이한 위치들에서 2개의 부가적인 모드 스위치들 SW12(1602) 및 SW 13(1604)을 사용하는 상이한 타입의 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 예시한다.In some embodiments, another topology of the Dickson Star SC regulator may enable reconstruction between conversion modes. 16 illustrates a 4:1 reconfigurable Dickson
도 17a 내지 도 17c는 일부 실시예들에 따른 4:1 변환 모드에서 동작하는 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작을 예시한다. 모드 스위치들의 위치들은 약간 상이하지만, 상태0 및 상태1에서의 커패시터 토폴로지는 도 11a 및 도 11b의 레귤레이터(1000)와 동일하다. 그에 따라, 도 17a 및 도 17b의 상태0 및 상태1에서의 커패시터들 양단의 전압들 사이의 관계들은 도 11a 및 도 11b의 상태0 및 상태1에서의 커패시터들 양단의 전압들 사이의 관계들과 동일하다. 도 11a 및 도 11b에서와 같이, 스위칭 커패시터들 C1FLY(204), C2FLY(206), 및 C3FLY(802)와 디커플링 커패시터 COUT(214)이 크다고 가정하면, 2개의 상태들에 대해 다음의 관계들이 도출될 수 있다:17A-17C illustrate the operation of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator operating in a 4:1 conversion mode according to some embodiments. The positions of the mode switches are slightly different, but the capacitor topology in
상태0 : VIN(202) = VC3FLY + VOUT(208)State 0: V IN (202) = V C3FLY + V OUT (208)
상태0 : VC2FLY = VC1FLY + VOUT(208)State 0: V C2FLY = V C1FLY + V OUT (208)
상태1 : VOUT(208) = VC1FLY State 1: V OUT (208) = V C1FLY
상태1 : VC3FLY = VOUT(208) + VC2FLY State 1: V C3FLY = V OUT (208) + V C2FLY
여기서 VC1FLY는 제1 스위칭 커패시터 C1FLY(204) 양단의 전압이고, VC2FLY는 제2 스위칭 커패시터 C2FLY(206) 양단의 전압이고, VC3FLY는 제3 스위칭 커패시터 C3FLY(802) 양단의 전압이다. 이들 관계들은 다음과 같이 재구성될 수 있다:Where V C1FLY is the voltage across the first
VC2FLY = 2 x VOUT V C2FLY = 2 x V OUT
VC3FLY = 3 x VOUT V C3FLY = 3 x V OUT
VOUT = (1/4) x VIN V OUT = (1/4) x V IN
그에 따라, 도 17a 및 도 17b에 예시된 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 4:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터로서 동작한다.Accordingly, the reconfigurable Dixon Star SC regulator illustrated in FIGS. 17A and 17B operates as a 4:1 step-down Dixon Star SC regulator.
도 18a 내지 도 18c는 일부 실시예들에 따른 3:1 변환 모드에서의 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작을 예시한다. 3:1 변환 모드에서의 동작 원리는 도 2에 예시된 3:1 SC 레귤레이터와 유사하다. 스위칭 커패시터들 C1FLY(204) 및 C3FLY(802)는, 도 2의 커패시터 C1FLY(204)와 유사하게, 단일 대형 커패시터로서 동작하도록 병렬로 함께 연결된다. 도 18a 및 도 18b의 스위칭 커패시터 C2FLY(206)는 도 2의 C2FLY(206)와 유사한 방식으로 동작한다.18A-18C illustrate the operation of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator in a 3:1 conversion mode according to some embodiments. The operating principle in 3:1 conversion mode is similar to the 3:1 SC regulator illustrated in FIG. 2.
스위칭 커패시터들 C1FLY(204), C2FLY(206), 및 C3FLY(802)와 디커플링 커패시터 COUT(214)이 크다고 가정하면, 2개의 상태들에 대해 다음의 관계들이 도출될 수 있다:Assuming that the switching
상태0 : VC2FLY = VC3FLY State 0: V C2FLY = V C3FLY
상태0 : VC2FLY = VC1FLY + VOUT(208)State 0: V C2FLY = V C1FLY + V OUT (208)
상태1 : VOUT(208) = VC1FLY State 1: V OUT (208) = V C1FLY
상태1 : VIN(202) = VOUT(208) + VC2FLY State 1: V IN (202) = V OUT (208) + V C2FLY
여기서 VC1FLY는 제1 스위칭 커패시터 C1FLY(204) 양단의 전압이고, VC2FLY는 제2 스위칭 커패시터 C2FLY(206) 양단의 전압이고, VC3FLY는 제3 스위칭 커패시터 C3FLY(802) 양단의 전압이다. 이들 관계들은 다음과 같이 재구성될 수 있다:Where V C1FLY is the voltage across the first
VC2FLY = 2 x VOUT(208)V C2FLY = 2 x V OUT (208)
VC3FLY = 2 x VOUT(208)V C3FLY = 2 x V OUT (208)
VOUT = (1/3) x VIN V OUT = (1/3) x V IN
그에 따라, 도 18a 내지 도 18c에 예시된 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 3:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터로서 동작한다.Accordingly, the reconfigurable Dixon Star SC regulator illustrated in FIGS. 18A-18C operates as a 3:1 step-down Dixon Star SC regulator.
도 19a 내지 도 19c는 일부 실시예들에 따른 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터가 2:1 모드에서 작동하고 있을 때의 그 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작을 예시한다. 기본 원리는 도 13a 및 도 13b에 예시된 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터와 유사하다. 스위칭 커패시터들 C1FLY(204), C2FLY(206), C3FLY(802)는, 도 13a 및 도 13b에서 커패시터들 C1FLY(204), C2FLY(206), C3FLY(802)가 병렬로 연결되어 단일 대형 커패시터처럼 작동하는 것처럼, 병렬로 연결되어 단일 대형 커패시터처럼 작동한다.19A-19C illustrate the operation of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator when the 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator is operating in 2:1 mode, according to some embodiments. The basic principle is similar to the 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator illustrated in FIGS. 13A and 13B. Switching capacitors C1 FLY (204), C2 FLY (206), C3 FLY (802) is the in Fig. 13a and 13b the capacitor C1 FLY (204), in a parallel C2 FLY (206), C3 FLY (802) It works like a single large capacitor when connected and works like a single large capacitor when connected in parallel.
스위칭 커패시터들 C1FLY(204), C2FLY(206), 및 C3FLY(802)와 디커플링 커패시터 COUT(214)이 크다고 가정하면, 2개의 상태들에 대해 다음의 관계들이 도출될 수 있다:Assuming that the switching
상태0 : VC1FLY = VC2FLY = VC3FLY = VIN(202) - VOUT(208)State 0: V C1FLY = V C2FLY = V C3FLY = V IN (202)-V OUT (208)
상태1 : VC1FLY = VC2FLY = VC3FLY = VOUT(208)State 1: V C1FLY = V C2FLY = V C3FLY = V OUT (208)
여기서 VC1FLY는 제1 스위칭 커패시터 C1FLY(204) 양단의 전압이고, VC2FLY는 제2 스위칭 커패시터 C2FLY(206) 양단의 전압이고, VC3FLY는 제3 스위칭 커패시터 C3FLY(802) 양단의 전압이다. 이들 관계들은 다음과 같이 재구성될 수 있다:Where V C1FLY is the voltage across the first
VC1FLY = VOUT V C1FLY = V OUT
VC2FLY = VOUT V C2FLY = V OUT
VC3FLY = VOUT V C3FLY = V OUT
VOUT = (1/2) x VIN V OUT = (1/2) x V IN
그에 따라, 도 19a 내지 도 19c에 예시된 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 2:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터로서 동작한다.Accordingly, the reconfigurable Dixon Star SC regulator illustrated in FIGS. 19A-19C operates as a 2:1 step-down Dixon Star SC regulator.
도 20a 내지 도 20c는 일부 실시예들에 따른 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터가 1:1 모드에서 작동하고 있을 때의 그 4:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작을 예시한다. 스위칭 커패시터들 C1FLY(204), C2FLY(206), C3FLY(802)는, 도 14a 및 도 14b에서 커패시터들 C1FLY(204), C2FLY(206), C3FLY(802)가 병렬로 연결되어 단일 대형 커패시터처럼 작동하는 것처럼, 병렬로 연결되어 단일 대형 커패시터처럼 작동한다.20A-20C illustrate the operation of a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator when a 4:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator is operating in a 1:1 mode, according to some embodiments.
스위칭 커패시터들 C1FLY(204), C2FLY(206), 및 C3FLY(802)와 디커플링 커패시터 COUT(214)이 크다고 가정하면, 2개의 상태들에 대해 다음의 관계들이 도출될 수 있다:Assuming that the switching
상태0 : VC1FLY = VC2FLY = VC3FLY = VIN(202)State 0: V C1FLY = V C2FLY = V C3FLY = V IN (202)
상태1 : VC1FLY = VC2FLY = VC3FLY = VOUT(208)State 1: V C1FLY = V C2FLY = V C3FLY = V OUT (208)
여기서 VC1FLY는 제1 스위칭 커패시터 C1FLY(204) 양단의 전압이고, VC2FLY는 제2 스위칭 커패시터 C2FLY(206) 양단의 전압이고, VC3FLY는 제3 스위칭 커패시터 C3FLY(802) 양단의 전압이다. 이들 관계들은 다음과 같이 재구성될 수 있다:Where V C1FLY is the voltage across the first
VC1FLY = VOUT V C1FLY = V OUT
VC2FLY = VOUT V C2FLY = V OUT
VC3FLY = VOUT V C3FLY = V OUT
VOUT = VIN V OUT = V IN
그에 따라, 도 14a 내지 도 14c에 예시된 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 1:1 스텝다운 딕슨 스타 SC 레귤레이터로서 동작한다.Accordingly, the reconfigurable Dixon Star SC regulator illustrated in FIGS. 14A-14C operates as a 1:1 step-down Dixon Star SC regulator.
도 10 내지 도 14의 레귤레이터들 및 도 16 내지 도 20의 레귤레이터들은 상이한 포지션들에 위치된 스위치들을 갖는 모드 스위치 매트릭스를 사용하지만, 최종 커패시터 배열들은 동일하다. 그에 따라, 재구성가능 레귤레이터(1000)는 재구성가능 레귤레이터(1600)와 기능적으로 동일하다.The regulators of FIGS. 10-14 and the regulators of FIGS. 16-20 use a mode switch matrix with switches located in different positions, but the final capacitor arrangements are the same. Accordingly, the
일부 실시예들에서, 4:1 재구성가능 레귤레이터(1600)는 N:1 재구성가능 레귤레이터를 제공하도록 일반화될 수 있고, 여기서 N은 1보다 더 크다. 도 21a 내지 도 21c는 일부 실시예들에 따라 동작하는 N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(2100)를 예시한다.In some embodiments, 4:1
N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(2100)는 또한 커패시터 매트릭스를 포함할 수 있다. 커패시터 매트릭스는 제1 커패시터 서브-매트릭스 및 제2 커패시터 서브-매트릭스를 포함할 수 있다. 제1 커패시터 서브-매트릭스에서의 커패시터들은 C(1, j)라고 지칭되고, 여기서 첫 번째 인덱스 "1"은 "제1" 커패시터 매트릭스를 지칭하고, 두 번째 인덱스 "j"는 제1 커패시터 서브-매트릭스에서의 j번째 커패시터를 지칭한다. 마찬가지로, 제2 커패시터 서브-매트릭스에서의 커패시터들은 C(2, j)라고 지칭된다. 도 21a 및 도 21b에서, 제1 커패시터 서브-매트릭스는 M개의 수의 커패시터들을 포함하고; 제2 커패시터 서브-매트릭스는 K개의 수의 커패시터들을 포함한다. 일부 실시예들에서, M은 floor(N/2)와 동일하고, K는 floor((N-1)/2)와 동일하다.The N:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator 2100 may also include a capacitor matrix. The capacitor matrix can include a first capacitor sub-matrix and a second capacitor sub-matrix. The capacitors in the first capacitor sub-matrix are called C(1, j), where the first index "1" refers to the "first" capacitor matrix, and the second index "j" to the first capacitor sub-matrix. It refers to the jth capacitor in the matrix. Likewise, capacitors in the second capacitor sub-matrix are referred to as C(2, j). 21A and 21B, the first capacitor sub-matrix includes M number of capacitors; The second capacitor sub-matrix includes K number of capacitors. In some embodiments, M is equal to floor(N/2) and K is equal to floor((N-1)/2).
일부 실시예들에서, N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(2100)는, 제1 스위치 서브-매트릭스, 제2 스위치 서브-매트릭스, 및 제3 스위치 서브-매트릭스를 갖는 스위치 매트릭스를 포함한다.In some embodiments, the N:1 reconfigurable Dixon Star SC regulator 2100 includes a switch matrix with a first switch sub-matrix, a second switch sub-matrix, and a third switch sub-matrix.
제1 스위치 서브-매트릭스에서의 스위치들은 SW(1, j)라고 지칭되고, 여기서 첫 번째 인덱스 "1"은 "제1" 스위치 매트릭스를 지칭하고, 두 번째 인덱스 "j"는 제1 스위치 서브-매트릭스에서의 j번째 스위치를 지칭한다. 마찬가지로, 제2 스위치 서브-매트릭스에서의 스위치들은 SW(2, j)라고 지칭되고, 제3 스위치 서브-매트릭스에서의 스위치들은 SW(3, j)라고 지칭된다. 도 21a 및 도 21b에서, 제1 스위치 서브-매트릭스는 E개의 수의 스위치들을 포함하고; 제2 스위치 서브-매트릭스는 D개의 수의 스위치들을 포함하고; 제3 스위치 서브-매트릭스는 F개의 수의 스위치들을 포함한다. 일부 실시예들에서, E는 2 x ceiling(N/2) - 1과 동일하고; D는 floor(N/2)와 동일하고; F는 N과 동일하다.The switches in the first switch sub-matrix are referred to as SW(1, j), where the first index "1" refers to the "first" switch matrix, and the second index "j" to the first switch sub-matrix. J-th switch in the matrix. Similarly, switches in the second switch sub-matrix are referred to as SW(2, j), and switches in the third switch sub-matrix are referred to as SW(3, j). 21A and 21B, the first switch sub-matrix includes E number of switches; The second switch sub-matrix includes D number of switches; The third switch sub-matrix includes F number of switches. In some embodiments, E is equal to 2 x ceiling(N/2)-1; D is equal to floor(N/2); F is the same as N.
일부 실시예들에서, 제1 스위치 서브-매트릭스에서의 스위치는 제1 커패시터 서브-매트릭스에서의 2개의 커패시터들을 연결한다. 예를 들어, C(1, p) 및 C(1, p+1)은 SW(1, p)를 통해 연결된다. 유사하게, 제2 스위치 서브-매트릭스에서의 스위치는 제2 커패시터 서브-매트릭스에서의 2개의 커패시터들을 연결한다. 예를 들어, C(2, p) 및 C(2, p+1)은 SW(2, p)를 통해 연결된다. 제3 스위치 서브-매트릭스에서의 스위치는 제1 커패시터 서브-매트릭스에서의 커패시터를 제2 커패시터 서브-매트릭스에서의 커패시터에 연결한다. 예를 들어, C(1, p) 및 C(2, p)는 SW(3, 2 x p)를 통해 연결되고, C(1, p+1) 및 C(2, p)는 SW(3, 2 x p + 1)을 통해 연결된다.In some embodiments, a switch in the first switch sub-matrix connects two capacitors in the first capacitor sub-matrix. For example, C(1, p) and C(1, p+1) are connected via SW(1, p). Similarly, a switch in the second switch sub-matrix connects two capacitors in the second capacitor sub-matrix. For example, C(2, p) and C(2, p+1) are connected via SW(2, p). The switch in the third switch sub-matrix connects the capacitor in the first capacitor sub-matrix to the capacitor in the second capacitor sub-matrix. For example, C(1, p) and C(2, p) are connected via SW(3, 2 xp), C(1, p+1) and C(2, p) are SW(3, 2 xp + 1).
일부 실시예들에서, 레귤레이터(2100)는 도 21a 및 도 21b에 도시된 바와 같이 레귤레이터(2100)의 스위치 매트릭스에서의 스위치들을 턴 온 및 오프시킴으로써 상태0과 상태1 사이에서 듀티 사이클링될 수 있다.In some embodiments, the regulator 2100 can be duty cycled between
도 21a 및 도 21b는 일부 실시예들에 따른 N:1 변환 모드에서의 N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(2100)의 동작을 도시한다. 상태0에서, 제3 스위치 서브-매트릭스에서, 모든 홀수 인덱스 스위치들은 오프(즉, 개방)되는 한편, 모든 짝수 인덱스 스위치들은 온(즉, 폐쇄)된다. 이에 후속하여, 상태1에서, 제3 스위치 서브-매트릭스에서의 모든 스위치 상태들은 상태0과 비교하여 반전된다. 제1 스위치 서브-매트릭스에서의 모든 스위치들 및 제2 스위치 서브-매트릭스 측에서의 모든 스위치들은 상태0과 상태1 양측 모두에서 턴 오프된다. 제1 및 제2 스위치 매트릭스들을 포함하는 부가적인 스위치들이 있지만, 이들 스위치들 모두가 턴 오프되기 때문에, 커패시터 토폴로지들은 도 35의 N:1 스텝다운 딕슨 스타와 유사하다.21A and 21B illustrate the operation of an N:1 reconfigurable Dickson Star SC regulator 2100 in an N:1 conversion mode in accordance with some embodiments. In
(N-1):1 변환 모드에서 N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(2100)를 동작시키기 위해, 제3 스위치 서브-매트릭스에서 가장 적은 스위치들을 통해 VIN(202)에 연결되는(또는, 달리 말하면, 입력 단자에 가장 가까운) 커패시터 - 이는 도 21a 및 도 21b의 C(2,K)임 -, 및 동일한 매트릭스에 있지만 하나 더 낮은 인덱스를 갖는 커패시터 - 이는 도 21a 및 도 21b의 C(2, K-1)임 - 는 병렬로 함께 연결되어 단일 커패시터로서 동작할 수 있다. "단일" 커패시터에 연결된 2개의 커패시터들을 유지하기 위해, SW(2, D)는 상태0 및 상태1에서 항상 온이다. 이 "단일" 커패시터는 (N-1):1 고정 변환 모드 딕슨 스타 SC 레귤레이터 - C(2, K), SW(3, F)가 없는 N:1 고정 변환 모드 딕슨 스타 SC 레귤레이터와 동일한 딕슨 스타 SC 레귤레이터 - 에서의 C(1, M)과 유사하게 작동할 수 있다. C(2, K)는 이 모드에서 독립적이지 않기 때문에(그러나 C(2, K-1)과 함께 작동함), SW(3, F-1)은 상태0과 상태1 양측 모두에서 턴 오프된다. C(1, M)은 상부 커패시터로서 작용하여, SW(1, E)가 상부 스위치처럼 작용하고, SW(3, F)가 상태0과 상태1 양측 모두에서 턴 오프된다. 요약하면, SW(2, D)는 상태0 및 상태1에서 항상 온이고, SW(3, F-1) 및 SW(3, F)는 상태0 및 상태1에서 항상 오프이고, SW(1, E)는 상태0 및 상태1에서 각각 스위칭 온 및 오프된다.To operate the N:1 reconfigurable Dixon Star SC regulator 2100 in the (N-1):1 conversion mode, it is connected to
(N-2):1 변환 모드에서 N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 동작시키기 위해, 가장 적은 스위치들을 통해 VIN(202)에 연결되는 3개의 커패시터들이 병렬로 함께 연결되어 단일 커패시터처럼 작동할 수 있다. 도 21a 및 도 21b에서, 이들 3개의 커패시터들은 C(2,K), C(1,M), 및 C(2,K-1)이다. 이 "단일" 커패시터는 (N-2):1 고정 변환 모드 딕슨 스타 SC 레귤레이터 - C(2, K), C(1,M), SW(3, F), SW(F-1)이 없는 N:1 고정 변환 모드 딕슨 스타 SC 레귤레이터와 동일한 딕슨 스타 SC 레귤레이터 - 에서의 C(2, K-1)과 유사하게 작동할 수 있다. "단일" 커패시터로서 연결된 3개의 커패시터들을 유지하기 위해, SW(2,D), SW(3, E-1)은 상태0 및 상태1에서 항상 온이다. C(2, K) 및 C(1, M)은 더 이상 독립적으로 존재하지 않기 때문에, SW(3, F-1) 및 SW(3, F-2)는 상태0과 상태1 양측 모두에서 턴 오프된다. C(2, K-1)은 상부 커패시터로서 작용하여, SW(3, F)가 상부 스위치처럼 작용하고, SW(1, E)가 상태0과 상태1 양측 모두에서 턴 오프된다. 요약하면, W(2, D) 및 SW(1, E-1)은 상태0 및 상태1에서 항상 온이고, SW(3, F-1), SW(3, F-2), SW(1, E)는 상태0 및 상태1에서 항상 오프이고, SW(3, F)는 상태0 및 상태1에서 각각 스위칭 오프 및 온된다.To operate an N:1 reconfigurable Dixon Star SC regulator in (N-2):1 conversion mode, three capacitors connected to
더 일반적으로는, (N-R):1 변환 모드에서 N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 동작시키기 위해, 제3 스위치 서브-매트릭스에서 가장 적은 스위치들을 통해 VIN(202)에 연결되는 "R+1"개의 수의 커패시터들이 병렬로 함께 연결되어 단일 커패시터처럼 작동할 수 있고, (N-R):1 고정 변환 모드 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 동작시키는 것처럼 나머지 스위치들을 동작시킬 수 있다.More generally, to operate an N:1 reconfigurable Dixon Star SC regulator in (NR):1 conversion mode, the "R+" is connected to
일부 실시예들에서, 제어 모듈은 (N-R):1 변환 모드에서 N:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 동작시키기 위해 다음의 스위치 동작들을 수행하도록 구성된다. 제어 모듈은 입력 전압 단자에 직접 연결되는 제1 스위치 서브-매트릭스에서의 상부 스위치 SW(1, E)를 배제하고, 제1 및 제2 매트릭스들에서의 상부의 "R"개의 수의 스위치들(예를 들어, 입력 전압 단자에 가장 가까운 R개의 스위치들, 또는, 달리 말하면, 이들과 입력 전압 단자 사이에 가장 적은 수의 스위치들을 갖는 R개의 스위치들)을 턴 온시키도록 구성된다. 제1 스위치 서브-매트릭스에서의 제1 스위치 및 제2 스위치 서브-매트릭스에서의 제2 스위치가 이들과 입력 전압 단자 사이에 동일한 수의 스위치들을 가지며 이들 중 단지 하나만이 R개의 스위치들의 세트에 포함될 수 있을 때, 그러면 제2 스위치 서브-매트릭스에서의 제2 스위치가 선택될 것이다. 예를 들어, R이 3과 동일한 경우, 입력 전압 단자에 가장 가까운 "3"개의 스위치들로서 SW(2, D), SW(1, E-1), SW(2, D-1)이 선택된다. 제어 모듈은 상부의 3개의 커패시터들을 병렬로 연결하기 위해 상태0과 상태1 양측 모두에서 턴 온된 R개의 스위치들을 유지하도록 구성된다.In some embodiments, the control module is configured to perform the following switch operations to operate the N:1 reconfigurable Dixon Star SC regulator in (N-R):1 conversion mode. The control module excludes the upper switch SW(1, E) in the first switch sub-matrix, which is directly connected to the input voltage terminal, and the upper "R" number of switches in the first and second matrices ( For example, it is configured to turn on the R switches closest to the input voltage terminal, or in other words, the R switches having the smallest number of switches between them and the input voltage terminal). The first switch in the first switch sub-matrix and the second switch in the second switch sub-matrix have the same number of switches between them and the input voltage terminal and only one of them can be included in the set of R switches. When present, then the second switch in the second switch sub-matrix will be selected. For example, when R is equal to 3, SW(2, D), SW(1, E-1), and SW(2, D-1) are selected as the "3" switches closest to the input voltage terminal. . The control module is configured to hold the R switches turned on in both
또한, 제어 모듈은 입력 전압 단자에 연결되는 제3 스위치 서브-매트릭스에서의 상부 스위치 SW(3, F)를 배제하고, 제3 스위치 매트릭스에서의 상부의 "R"개의 수의 스위치들(예를 들어, 입력 전압 단자에 가장 가까운 R개의 수의 스위치들, 또는, 달리 말하면, 이들과 입력 전압 단자 사이에 가장 적은 수의 스위치들을 갖는 R개의 수의 스위치들)을 턴 오프시키도록 구성된다. 예를 들어, R이 3과 동일한 경우, SW(3, F-1), SW(3, F-2), SW(3, F-3)은 상태0 및 상태1에서 항상 오프이다.In addition, the control module excludes the upper switch SW(3, F) in the third switch sub-matrix connected to the input voltage terminal, and the upper "R" number of switches in the third switch matrix (eg For example, it is configured to turn off the R number of switches closest to the input voltage terminal, or in other words, the R number of switches having the smallest number of switches between them and the input voltage terminal). For example, when R is equal to 3, SW(3, F-1), SW(3, F-2), and SW(3, F-3) are always off in
또한, R이 홀수일 때, 제어 모듈은 제3 스위치 서브-매트릭스에서의 상부 스위치 SW(3, F)를 턴 오프시키고, 제1 스위치 서브-매트릭스에서의 상부 스위치 SW(1, E)가 제3 스위치 서브-매트릭스의 상부 스위치인 것처럼 제1 스위치 서브-매트릭스에서의 상부 스위치 SW(1, E)를 동작시키도록 구성된다.Further, when R is odd, the control module turns off the upper switch SW(3, F) in the third switch sub-matrix, and the upper switch SW(1, E) in the first switch sub-matrix is turned off. It is configured to operate the upper switch SW(1, E) in the first switch sub-matrix as if it is the upper switch of the three switch sub-matrix.
일부 실시예들에서, R이 짝수일 때, 제어 모듈은 제1 스위치 서브-매트릭스에서의 상부 스위치 SW(1, E)를 턴 오프시키고, 제3 스위치 서브-매트릭스에서의 상부 스위치 SW(3, F)가 제1 스위치 서브-매트릭스의 상부 스위치인 것처럼 제3 스위치 서브-매트릭스에서의 상부 스위치 SW(3, F)를 동작시키도록 구성된다.In some embodiments, when R is even, the control module turns off the upper switch SW (1, E) in the first switch sub-matrix, and the upper switch SW (3, in the third switch sub-matrix). It is configured to operate the upper switches SW (3, F) in the third switch sub-matrix as if F) is the upper switch of the first switch sub-matrix.
일부 실시예들에서, 상부 스위치의 상태는 항상 오프는 아닌 제3 스위치 매트릭스에서의 최상부 스위치와 비교하여 반전된다. 예를 들어, R이 3과 동일한 경우, R은 홀수이기 때문에, SW(3, F)는 턴 오프된다. 또한, SW(3, F-1), SW(3, F-2), SW(3, F-3)는 항상 오프이다. 그에 따라, SW(1, E)인 상부 스위치는, 항상 오프는 아닌 제3 스위치 매트릭스에서의 최상부 스위치인 SW(3, F-4)와 비교하여 반전된 상태에 있다.In some embodiments, the state of the upper switch is reversed compared to the uppermost switch in the third switch matrix that is not always off. For example, if R is equal to 3, because R is odd, SW(3, F) is turned off. In addition, SW(3, F-1), SW(3, F-2), and SW(3, F-3) are always off. Accordingly, the upper switches SW(1, E) are in an inverted state compared to the upper switch SW(3, F-4) in the third switch matrix which is not always off.
일부 실시예들에서, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 전압 레귤레이터 시스템의 일부로서 동작될 수 있다. 전압 레귤레이터 시스템은 다수의 인터리빙된 위상들에서(예를 들어, 단일 주기에 걸쳐 시간-인터리빙된 방식으로) 동작할 수 있고, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 인터리빙된 위상들 중 하나에서 출력 전압을 제공하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 전압 레귤레이터 시스템은, 각각이 0도, 120도, 240도로 위상을 달리 하여 각각 동작하는 3개의 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터들을 포함할 수 있다.In some embodiments, the reconfigurable Dickson Star SC regulator can be operated as part of the voltage regulator system. The voltage regulator system can operate in multiple interleaved phases (eg, in a time-interleaved manner over a single period), and the reconfigurable Dixon Star SC regulator provides the output voltage in one of the interleaved phases. Can be used to For example, the voltage regulator system may include three reconfigurable Dixon Star SC regulators, each operating out of phase with 0 degrees, 120 degrees, and 240 degrees.
일부 실시예들에서, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 전력 관리 집적 회로(power management integrated circuit)(PMIC)들, 배터리 충전기들, LED 드라이버들, 엔벨로프 추적 전력 증폭기들을 포함하는 다양한 적용예들에 사용될 수 있다.In some embodiments, the reconfigurable Dixon Star SC regulator can be used in a variety of applications including power management integrated circuits (PMICs), battery chargers, LED drivers, envelope tracking power amplifiers. have.
일부 실시예들에서, 스위칭 커패시터들(예를 들어, C1FLY(204), C2FLY(206), 및 C3FLY(802))의 커패시턴스는 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 출력 전류에 비례하도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 스위칭 커패시터의 커패시턴스는 목표 전력 효율에 따라 0.1nF/mA 및 100nF/mA의 범위에 있을 수 있다. 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 일부 실시예들에서 더 큰 커패시턴스 값들을 사용함으로써 그것의 효율을 개선시킬 수 있다.In some embodiments, the capacitances of the switching capacitors (e.g.,
일부 실시예들에서, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 역 구성으로 동작될 수 있다(예를 들어, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 입력 노드 및 출력 노드는 스위칭된다). 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 동작 방향은 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 입력 노드 및 출력 노드에 커플링되는 다양한 타입들의 입력 전압 소스들 및 출력 부하들을 수용하도록 유연하게 수정될 수 있다.In some embodiments, the reconfigurable Dixon Star SC regulator can be operated in a reverse configuration (eg, the input node and the output node of the reconfigurable Dixon Star SC regulator are switched). The direction of operation of the reconfigurable Dixon Star SC regulator can be flexibly modified to accommodate various types of input voltage sources and output loads coupled to the input node and output node of the reconfigurable Dixon Star SC regulator.
일부 실시예들에서, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 그것을 스텝업 레귤레이터로서 동작시키기 위해 역 방향으로 동작될 수 있다. 예를 들어, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 입력 노드는 목표 부하(예를 들어, 칩)에 커플링될 수 있고 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 출력 노드는 입력 전압 소스(예를 들어, 배터리)에 커플링될 수 있다.In some embodiments, the reconfigurable Dickson Star SC regulator can be operated in the reverse direction to operate it as a step-up regulator. For example, the input node of the reconfigurable Dixon Star SC regulator can be coupled to a target load (e.g., chip) and the output node of the reconfigurable Dixon Star SC regulator is connected to the input voltage source (e.g., battery). Can be coupled.
도 22 내지 도 24는 일부 실시예들에 따른 스텝업 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터들(2200, 2300, 및 2400)을 각각 예시한다. 레귤레이터(2200)는 스텝업 재구성가능 1:3 딕슨 스타 SC 레귤레이터이고; 레귤레이터(2300)는 스텝업 재구성가능 1:4 딕슨 스타 SC 레귤레이터이고; 레귤레이터(2400)는 스텝업 재구성가능 1:4 딕슨 스타 SC 레귤레이터이다. 도 22 내지 도 24의 스텝업 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터들은, VIN(202) 및 V OUT(208)의 위치가 바뀌고 VIN(202)이 VOUT(208)보다 더 낮다는 것을 제외하고는, 도 6, 도 10, 및 도 16의 스텝다운 레귤레이터들과 각각 유사하다.22-24 illustrate step-up reconfigurable Dickson
일부 실시예들에서, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 배터리 충전기로서 동작하기 위해 역 방향으로 동작될 수 있다. 예를 들어, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 입력 노드는 전력 소스, 예를 들어, 범용 직렬 버스(Universal Serial Bus)(USB)의 전력 라인에 커플링될 수 있고, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 출력 노드는 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터의 출력 전압 및 출력 전류가 배터리를 충전하는 데 사용되도록 배터리에 커플링될 수 있다.In some embodiments, the reconfigurable Dickson Star SC regulator can be operated in the reverse direction to operate as a battery charger. For example, the input node of the reconfigurable Dixon Star SC regulator can be coupled to the power line of a power source, for example, a Universal Serial Bus (USB), and the output of the Reconfigurable Dixon Star SC regulator The node can be coupled to the battery such that the output voltage and output current of the reconfigurable Dickson Star SC regulator are used to charge the battery.
일부 실시예들에서, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 핸드헬드 디바이스에서 배터리들을 충전하는 데 특히 유용할 수 있다. 스마트폰과 같은 핸드헬드 디바이스는 배터리가 충전되는지 또는 아닌지의 여부(예를 들어, 완전히 충전되었을 때는 4.3V, 완전히 방전되었을 때는 2.8V)에 따라 대략 2.8 내지 4.3V의 범위 내의 전압 출력을 제공하도록 구성되는 리튬 이온(Li 이온) 배터리를 사용할 수 있다. 핸드헬드 디바이스에서의 Li 이온 배터리는 범용 직렬 버스(USB)를 사용하여 충전될 수 있다. USB 전력 라인의 현재 버전은, Li 이온 배터리의 전압 출력보다 더 높은 5V를 사용한다(그리고 USB의 장래의 버전들은 훨씬 더 높은 전압들을 사용할 수도 있다). 그에 따라, USB 전력 라인으로부터의 전압은 그것이 Li 이온 배터리를 충전하는 데 사용될 수 있기 전에 스텝다운되어야 한다. 이를 위해, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 USB로부터 전력 라인 전압(및 전류)을 수신하고 Li 이온 배터리에 전력 라인 전압(및 전류)의 스텝다운 버전을 제공하여 Li 이온 배터리가 USB로부터의 전압 및 전류에 기초하여 충전될 수 있도록 구성될 수 있다.In some embodiments, a reconfigurable Dickson Star SC regulator can be particularly useful for charging batteries in a handheld device. Handheld devices such as smartphones provide a voltage output within the range of approximately 2.8 to 4.3V depending on whether the battery is charged or not (e.g. 4.3V when fully charged, 2.8V when fully discharged). It is possible to use a lithium ion (Li-ion) battery. Li-ion batteries in handheld devices can be charged using a universal serial bus (USB). The current version of the USB power line uses 5V higher than the voltage output of the Li-ion battery (and future versions of USB may use much higher voltages). Accordingly, the voltage from the USB power line must be stepped down before it can be used to charge a Li-ion battery. To this end, the reconfigurable Dickson Star SC regulator receives the power line voltage (and current) from the USB and provides a step-down version of the power line voltage (and current) to the Li-ion battery so that the Li-ion battery has voltage and current from the USB. It can be configured to be charged based on.
일부 실시예들에서, 배터리가 USB 전력 라인을 사용하여 충전되는 상기에 식별된 구성은 USB 온 더 고(On-The-Go)(OTG)와 역으로 사용될 수 있고, 여기서 제1 디바이스에서의 배터리는 전력을 USB를 통해 제2 디바이스에 전달하여 제2 디바이스를 충전할 수 있다. 이 시나리오에서, 제1 디바이스에서의 배터리는 USB를 통해 제2 디바이스에서의 배터리에 전류를 전달하도록 구성된다. 제1 디바이스에서의 배터리의 출력 전압이 USB 전력 라인 전압보다 더 낮을 수도 있지만, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터는 배터리의 출력 전압을 USB 전력 라인의 출력 전압으로 스텝업하기 위한 스텝업 구성으로 동작할 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 디바이스에서의 배터리가 USB 전력 라인을 통해 제2 디바이스에서의 배터리를 충전할 수 있다.In some embodiments, the configuration identified above where the battery is charged using a USB power line can be used in reverse with USB On-The-Go (OTG), where the battery in the first device Can charge the second device by transferring power to the second device via USB. In this scenario, the battery at the first device is configured to deliver current through the USB to the battery at the second device. Although the output voltage of the battery in the first device may be lower than the USB power line voltage, the reconfigurable Dickson Star SC regulator can operate in a step-up configuration to step up the output voltage of the battery to the output voltage of the USB power line. have. In this way, the battery in the first device can charge the battery in the second device through the USB power line.
일부 실시예들에서, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터와 같은 SC 레귤레이터는 2-스테이지 전압 레귤레이션을 제공하기 위해 다른 전압 레귤레이터와 함께 동작될 수 있다. 도 25는 일부 실시예들에 따른 SC 레귤레이터가 제1 스테이지 전압 레귤레이션을 제공하는 2-스테이지 전압 레귤레이션 시스템을 예시한다. 도 25는 레귤레이터(2502) 및 제2 스테이지 전압 레귤레이터(2504)를 포함한다. SC 레귤레이터(2502)는, 예를 들어, 본 명세서에 개시된 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터들 중 하나를 포함하는 임의의 타입의 SC 레귤레이터일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제2 스테이지 전압 레귤레이터(2504)는, 벅 레귤레이터, SC 레귤레이터, 선형 레귤레이터, 및/또는 전압 레귤레이션을 제공하는 것이 가능한 임의의 타입들의 전압 레귤레이터들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.In some embodiments, an SC regulator, such as a reconfigurable Dixon Star SC regulator, can be operated in conjunction with other voltage regulators to provide two-stage voltage regulation. 25 illustrates a two-stage voltage regulation system in which the SC regulator provides first stage voltage regulation according to some embodiments. 25 includes a
일부 실시예들에서, SC 레귤레이터(2502)는 SC 레귤레이터(2502)가 고효율을 제공할 수 있는 출력 전압을 제공하고, 이에 후속하여 제2 스테이지 레귤레이터(2504)를 사용하여 SC 레귤레이터(2502)의 출력 전압을 레귤레이팅하도록 동작될 수 있다.In some embodiments, the
예를 들어, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(2502)는, 입력 전압(202)을, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(2502)가 고효율을 제공할 수 있는 입력 전압(202)의 분율인 VTMP(2506)로 변환할 수 있다. 예를 들어, VTMP(2506)는 VIN/N일 수 있고, 여기서 N은 스텝다운 비율이다. 그 후에, 제2 스테이지 전압 레귤레이터(2504)는 VTMP(2506)를 수신하고 그것을 레귤레이팅하여 VOUT(208)에 제공할 수 있다.For example, the reconfigurable Dixon
도 26a는 일부 실시예들에 따른 제2 스테이지 레귤레이터가 벅 컨버터(100)인 도 25의 실시예를 예시한다. 여기서, VTMP(2506)는 다수의 전력 스위치들(114, 116) 및 하나 이상의 인덕터들(108)을 사용하여 미세한 스텝들에 있어서 벅 컨버터(100)에 의해 레귤레이팅된다. 도 26b는 레귤레이터에서의 신호들의 타이밍도를 예시한다.26A illustrates the embodiment of FIG. 25 where the second stage regulator is a
하이브리드 레귤레이터라고도 또한 지칭되는, 도 25 및 도 26에 예시된 2-스테이지 레귤레이터는, SC 레귤레이터들이 미리 결정된 분율 값들에 걸쳐 전압들을 분할하는 것에 우수하고 벅 레귤레이터들과 같은 제2 스테이지 레귤레이터들은 미세한 스텝들에 있어서 광범위한 출력 전압에 걸쳐 레귤레이팅하는 것에 우수할 수 있다는 사실에 달려 있다. 예를 들어, 12V-1V(12V-to-1V) 스텝다운 레귤레이터에서, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터(2502)는 VIN(202)에서 12V를 수신하고 1/6 스텝다운을 제공함으로써, VTMP(2506)에서 2V를 제공할 수 있다. 이에 후속하여, 벅 레귤레이터(100)는 2V를 1V로 레귤레이팅하기 위한 후속 레귤레이션을 제공할 수 있다. 이 2-스테이지 레귤레이터는, 벅 레귤레이터(100)의 내부 노드 Vx에서의 전압 스윙을, VIN(202)보다 실질적으로 더 작을 수 있는 VTMP(2506)로 감소시키기 때문에, 이 토폴로지는 접합부(122)에서의 기생 커패시턴스로 인한 벅 레귤레이터(100)에서의 용량성 전력 손실을 감소시킬 수 있다.The two-stage regulator illustrated in FIGS. 25 and 26, also referred to as a hybrid regulator, is excellent for SC regulators to divide voltages over predetermined fraction values and second stage regulators such as buck regulators are fine steps. It depends on the fact that it can be good at regulating over a wide range of output voltages. For example, in a 12V-1V (12V-to-1V) step-down regulator, the reconfigurable Dickson
도 27은 일부 실시예들에 따른 SC 레귤레이터가 제2 스테이지 전압 레귤레이션을 제공하는 2-스테이지 전압 레귤레이션 시스템을 예시한다. 도 27은 제1 스테이지 전압 레귤레이터(2702) 및 SC 레귤레이터(2704)를 포함한다. SC 레귤레이터(2704)는, 예를 들어, 본 명세서에 개시된 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터들 중 하나를 포함하는 임의의 타입의 SC 레귤레이터일 수 있다. 일부 실시예들에서, 제1 스테이지 전압 레귤레이터(2702)는, 벅 레귤레이터, SC 레귤레이터, 선형 레귤레이터, 및/또는 전압 레귤레이션을 제공하는 것이 가능한 임의의 타입들의 전압 레귤레이터들 중 하나 이상을 포함할 수 있다.27 illustrates a two-stage voltage regulation system in which the SC regulator provides second stage voltage regulation according to some embodiments. 27 includes a first
도 27에서, 제1 스테이지 레귤레이터(2702)는 입력 전압 VIN(202)을 수신하고, 출력 VTMP(2706)를 SC 레귤레이터(2704)에 제공한다. SC 레귤레이터(2704)는 이에 후속하여 VTMP(2706)를 원하는 출력 전압(208)으로 스텝다운할 수 있다.In FIG. 27, the
제1 스테이지 레귤레이터(2702)가 스위치드 인덕터 레귤레이터일 때, 도 27의 2-스테이지 전압 레귤레이션 시스템은 스위치드 인덕터 레귤레이터를 높은 스위칭 주파수에서 그리고 인덕터를 통한 소량의 전류 흐름으로 동작시킴으로써 스위치드 인덕터 레귤레이터의 인덕터 저항성 손실을 감소시킬 수 있다. 이 접근법은 심지어 낮은 인덕턴스를 갖는 소형 인덕터로도 스위치드 인덕터 레귤레이터의 저항성 손실을 감소시킬 수 있다. 게다가, 이 토폴로지는 스위치들 양단의 전압 스윙을 제한함으로써 스위치드 인덕터 레귤레이터의 용량성 손실(CV2f 손실)을 또한 감소시킬 수 있다.When the
일부 실시예들에서, 제1 스테이지 레귤레이터(2702)는 단지 인덕터만을 포함할 수 있다. 도 28a는 일부 실시예들에 따른 제1 스테이지 레귤레이터가 인덕터로 이루어지는 2-스테이지 전압 레귤레이터를 예시한다. 도 28b는 일부 실시예들에 따른 도 28a의 2-스테이지 전압 레귤레이터에서의 신호들의 타이밍도를 예시한다. 여기서, 제1 스테이지 레귤레이터는 단일 인덕터(2802)이다. 인덕터(2802)의 하나의 단자는 입력 전압 VIN(202)에 커플링되고, 인덕터(2802)의 다른 단자는 SC 레귤레이터(2704)의 입력에 커플링된다. SC 레귤레이터(2704)로의 입력 전압은 VTMP(2706)라고 지칭된다.In some embodiments, the
일부 실시예들에서, SC 레귤레이터(2704)의 입력 전압 VTMP(2706)는 SC 레귤레이터(2704)에서의 스위칭 커패시터 CFLY(2804)의 플레이트들 중 하나에 연결된다. SC 레귤레이터(2704)가 상태0과 상태1 사이를 스위칭함에 따라(예를 들어, 도 3a 및 도 3b 참조), 스위칭 커패시터 CFLY(2804)의 상부 플레이트 상의 전압 전위 VTMP(2706)는 2개의 전압들 V1과 V2 사이에서 스위칭된다. 이 동작에 기초하여, 다음의 관계가 도출될 수 있다:In some embodiments, the input voltage V TMP 2706 of the
VIN(202) = V1D + V2(1-D)V IN (202) = V 1 D + V 2 (1-D)
V1 및 V2의 값은 VOUT(208) 및 SC 레귤레이터(2704)의 변환 비율에 의해 설정된다. 그 결과, VIN(202)과 VOUT(208) 사이의 변환 비율은 듀티 사이클 D 및 SC 레귤레이터(2704)의 변환 비율에 기초하여 미세하게 제어될 수 있다. 도 28의 2-스테이지 레귤레이터의 이점은, 단순히 단일 인덕터(2802)를 부가시킴으로써, 정수-비율 변환 모드들만을 단지 제공할 수 있는 단일-스테이지 SC 레귤레이터(2704)가 비정수-비율 변환 모드들을 제공하는 것이 가능한 2-스테이지 레귤레이터로 변환될 수 있다는 점이다.The values of V 1 and V 2 are set by the conversion ratio of
일부 실시예들에서, 2-스테이지 레귤레이터는, 제1 스테이지 레귤레이터에서 인덕터(2802)를 단락시키도록 구성되는 바이패스 스위치 SWI(2806)를 가질 수도 있다. 바이패스 스위치 SWI(2806)는 제1 스테이지 레귤레이터가 그것의 동작이 필요하지 않은 경우에 턴 오프되게 한다.In some embodiments, the two-stage regulator may have a
도 29a 및 도 29b는 일부 실시예들에 따른 SC 레귤레이터(2704)가 (도 8의 레귤레이터(800)와 같은) 4:1 딕슨 스타 스위치드 커패시터(SC) 레귤레이터(800)인 도 28의 2-스테이지 레귤레이터의 동작을 예시한다.29A and 29B are two stages of FIG. 28 where the
일부 실시예들에서, 제2 스테이지 4:1 레귤레이터(800)는, 도 9a 및 도 9b에 또한 예시된 바와 같이, 전압 레귤레이션을 제공하기 위해 상태0과 상태1 사이에서 듀티 사이클링된다. 스위칭 커패시터들 C1FLY(204), C2FLY(206), 및 C3FLY(802)와 디커플링 커패시터 COUT(214)이 크다고 가정하면, 2개의 상태들에 대해 다음의 관계들이 도출될 수 있다:In some embodiments, the second stage 4:1
상태0 : VTMP(2706) = VC3FLY + VOUT(208)State 0: V TMP (2706) = V C3FLY + V OUT (208)
상태0 : VC2FLY = VC1FLY + VOUT(208)State 0: V C2FLY = V C1FLY + V OUT (208)
상태1 : VOUT(208) = VC1FLY State 1: V OUT (208) = V C1FLY
상태1 : VC3FLY = VOUT(208) + VC2FLY State 1: V C3FLY = V OUT (208) + V C2FLY
여기서 VC1FLY는 제1 스위칭 커패시터 C1FLY(204) 양단의 전압이고, VC2FLY는 제2 스위칭 커패시터 C2FLY(206) 양단의 전압이고, VC3FLY는 제3 스위칭 커패시터 C3FLY(802) 양단의 전압이다. 이들 관계들은 다음과 같이 재구성될 수 있다:Where V C1FLY is the voltage across the first
VC2FLY = 2 x VOUT V C2FLY = 2 x V OUT
VC3FLY = 3 x VOUT V C3FLY = 3 x V OUT
VOUT = (1/4) x VTMP V OUT = (1/4) x V TMP
그에 따라, 제2 스테이지 SC 레귤레이터는 4:1 스텝다운 레귤레이터로서 동작하고, VTMP(2706)는 상태0 및 상태1에서 3 x VOUT 내지 4 x VOUT에서 스윙한다. VTMP(2706)의 전압 스윙뿐만 아니라, 제2 스테이지 레귤레이터의 듀티 사이클링이 도 30에 예시되어 있다.Accordingly, the second stage SC regulator operates as a 4:1 step-down regulator, and
VTMP(2706)가 3 x VOUT 내지 4 x VOUT에서 스윙하기 때문에, 이 전압 스윙은 인덕터(2802)에 의해 레귤레이팅되어 다음의 관계를 제공한다:Since
VIN(202) = (3 x VOUT)D + (4 x VOUT)(1-D) = (4 - D) x VOUT V IN (202) = (3 x V OUT )D + (4 x V OUT )(1-D) = (4-D) x V OUT
여기서 D는 0 내지 1, 그리고 바람직하게는 0.25 내지 0.75의 값이다. 다시 말해, 도 29의 2-스테이지 레귤레이터는 다음의 전압 관계를 가능하게 한다:Where D is a value from 0 to 1, and preferably from 0.25 to 0.75. In other words, the two-stage regulator of Fig. 29 enables the following voltage relationship:
VOUT = (1/(4-D))VIN V OUT = (1/(4-D)) V IN
그에 따라, 전압 레귤레이터 제어 시스템은 VIN(202)과 VOUT(208) 사이의 관계를 정수 변환 비율들을 넘어서 미세 튜닝하기 위해 0 내지 1의 듀티 사이클 D를 제어할 수 있다. 어떤 의미에서는, 도 28의 제1 스테이지 레귤레이터 및 제2 스테이지 레귤레이터는 동일한 듀티 사이클 D를 갖는다.Accordingly, the voltage regulator control system can control the duty cycle D from 0 to 1 to fine tune the relationship between
도 31은 일부 실시예들에 따른 제2 스테이지 레귤레이터가 다위상 전압 레귤레이터인 2-스테이지 전압 레귤레이션 시스템을 예시한다. 제2 스테이지 레귤레이터에서의 다위상 전압 레귤레이터는 제1 스테이지 레귤레이터 및 제2 스테이지 레귤레이터가 독립적인 듀티 사이클을 사용하게 한다. 이것은 SC 레귤레이터의 듀티 사이클이 0.5로부터 벗어날 때 SC 레귤레이터의 효율이 저하될 수도 있기 때문에 일부 경우들에서 유리할 수도 있다. 제1 스테이지 레귤레이터 및 제2 스테이지 레귤레이터가 독립적인 듀티 사이클들을 갖게 함으로써, 제2 스테이지 레귤레이터는 전압 레귤레이션 시스템의 원하는 출력 전압에 관계없이 고효율 레벨로(예를 들어, 0.5의 듀티 사이클에 가깝게) 동작될 수 있다.31 illustrates a two-stage voltage regulation system in which the second stage regulator is a multiphase voltage regulator in accordance with some embodiments. The multiphase voltage regulator in the second stage regulator allows the first stage regulator and the second stage regulator to use independent duty cycles. This may be advantageous in some cases because the efficiency of the SC regulator may degrade when the duty cycle of the SC regulator deviates from 0.5. By having the first stage regulator and the second stage regulator have independent duty cycles, the second stage regulator can be operated at a high efficiency level (for example, close to a duty cycle of 0.5) regardless of the desired output voltage of the voltage regulation system. Can.
도 31에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 제2 스테이지 SC 레귤레이터는 2개의 4:1 SC 레귤레이터 모듈들 SC_ph0(3102) 및 SC_ph1(3104)을 가지며, 여기서 SC_ph0(3102) 및 SC_ph1(3104)은 이들 자신의 위상들로 동작한다. 일부 실시예들에서, 2개의 SC 레귤레이터 모듈들은 180도로 위상을 달리 할 수도 있다. 일부 실시예들에 따라 SC_ph0(3102)과 SC_ph1(3104) 사이의 위상 관계가 도 32에 예시되어 있다. 도 32에서, 2개의 4:1 SC 레귤레이터 모듈들은 0.5의 듀티 사이클에서 동작함으로써, 고효율을 달성한다.As shown in FIG. 31, in some embodiments, the second stage SC regulator has two 4:1 SC regulator modules SC_ph0 (3102) and SC_ph1 (3104 ), where SC_ph0 (3102) and SC_ph1 (3104) ) Works with their own phases. In some embodiments, the two SC regulator modules may phase out 180 degrees. The phase relationship between
2개의 4:1 SC 레귤레이터 모듈들이 0.5의 듀티 사이클에서 동작하는 동안, 제1 스테이지 레귤레이터에서의 스위치드 인덕터 레귤레이터의 듀티 사이클이 독립적으로 제어될 수 있다. 특히, 스위치드 인덕터 레귤레이터는, 2개의 4:1 SC 레귤레이터 모듈들의 듀티 사이클에 관계없이, 듀티 사이클 D에서 스위치들 SW9(804) 및 SW17(3126)을 위상을 달리 하여 스위칭함으로써 그 자신의 듀티 사이클 D를 가질 수 있다.While the two 4:1 SC regulator modules operate at a duty cycle of 0.5, the duty cycle of the switched inductor regulator in the first stage regulator can be controlled independently. In particular, the switched inductor regulator switches its own duty cycle D by switching the switches SW9 804 and
예를 들어, 양측 모두의 모듈들 SC_ph0(3102) 및 SC_ph1(3104)이 0.5의 듀티 사이클에서 동작할 때, 도 32의 파형들에 예시된 바와 같이, C3FLY(802) 및 C6FLY(3110)의 상부 플레이트에서의 전압들 V1(3130) 및 V2(3132)가 0.5의 듀티 사이클에서 3 x VOUT(208) 내지 4 x VOUT(208)에서 스윙한다. C3FLY(802) 및 C6FLY(3110)의 상부 플레이트에서의 전압들 V1(3130) 및 V2(3132)가 임의의 주어진 시간에 3 x VOUT(208) 내지 4 x VOUT(208)에서 스윙하기 때문에, 도 32에 도시된 바와 같이, 스위치들 SW9(804) 및 SW17(3126)은 듀티 사이클 D에서 VTMP(2706)를 3 x VOUT(208) 또는 4 x VOUT(208) 중 어느 하나에 연결하기 위해 듀티 사이클 D에서 (위상을 달리 하여) 턴 온 및 오프시킬 수 있다. 이것은 제1 스테이지 레귤레이터가 듀티 사이클 D에서 동작하게 하는 한편, 제2 스테이지 레귤레이터(2개의 4:1 SC 레귤레이터 모듈들 SC_ph0(3102) 및 SC_ph1(3104)을 포함함)가 0.5의 듀티 사이클에서 동작함으로써, 제2 스테이지 레귤레이터의 동작 효율을 개선시킨다.For example, when modules SC_ph0 3102 and
스위치들 SW9(804) 및 SW17(3126)이 D의 듀티 사이클에서 듀티 사이클링될 때, 하나의 특정 SC 모듈이 사용되는 시간량은 듀티 사이클 D에 좌우될 수 있다. 예를 들어, 도 32에서, 듀티 사이클 D는 0.5 미만이다. 그에 따라, 제1 SC 모듈(3102)은 시간의 50% 미만으로 사용되는 한편 제2 SC 모듈(3104)은 시간의 50%보다 더 많이 사용된다. 극단적인 경우에, 하나의 SC 모듈은 시간의 100%가 사용될 수 있는 한편 다른 SC 모듈은 시간의 0%가 사용된다. 이러한 극단적인 시나리오들을 수용하기 위해, - 다른 SC 모듈이 존재하지 않는 것처럼 - 단일 SC 모듈이 최대 요구 출력 전력을 전달할 수 있도록 2개의 SC 모듈들(3102, 3104)에서의 모든 스위치들 및 커패시터들이 충분히 크게 사이징될 필요가 있을 수도 있다.When the switches SW9 804 and
일부 실시예들에서, 스위치들 SW9(804) 및 SW17(3126)은 각각의 스위치 SW9(804) 및 SW17(3126)이 동일한 시간량 동안 턴 온되는 동안 제1 스테이지 레귤레이터의 듀티 사이클을 유지하도록 제어될 수 있다. 이러한 방식으로, 다위상 레귤레이터(제2 스테이지 레귤레이터)에서의 SC 모듈들은 제1 스테이지 레귤레이터의 듀티 사이클에 관계없이 동일한 시간량이 사용된다. 이것은, SC 모듈들에서의 스위치들 및 커패시터들이, 단일 SC 모듈이 최대 요구 출력 전력을 전달하는 것이 가능할 필요가 있는 시나리오와 비교하여, 사이즈의 약 절반이 되게 한다.In some embodiments, switches
도 33은 일부 실시예들에 따른 제1 스테이지 레귤레이터의 듀티 사이클을 유지하는 동안 각각의 스위치 SW9(804) 및 SW17(3126)이 동일한 시간량 동안 턴 온되게 하는 스위치들의 제어 시퀀스를 예시한다. 주어진 주기에, 제1 스위치 SW9(804)가 시간의 50%가 턴 온되는 동안 제2 스위치 SW17(3126)을 턴 오프로 유지하고, 제2 스위치 SW17(3126)이 시간의 50%가 턴 온되는 동안 제1 스위치 SW9(804)를 턴 오프로 유지한다. 그러나, 주기가 시작되는 시간 인스턴스는 듀티 사이클 D에서 전압 VTMP(2706)가 3 x VOUT 내지 4 x VOUT 사이에서 스윙하도록 결정된다.33 illustrates a control sequence of switches that cause each
예를 들어, SW9(804)가 턴 온되고 SW17이 턴 오프될 때, 전압 VTMP(2706)는 V1(3130)에 커플링되고, SW9(804)가 턴 오프되고 SW17이 턴 온될 때, 전압 VTMP(2706)는 V2(3132)에 커플링된다. 그에 따라, 시간 인스턴스(3302)를 시프트시킴으로써, VTMP(2706)가 4 x VOUT에 있는 듀티 사이클 D가 제어될 수 있다. 예를 들어, 시간 인스턴스(3302)가 우측으로 시프트될 때, 듀티 사이클 D는 비례적으로 증가할 것이다; 시간 인스턴스(3302)가 좌측으로 시프트될 때, 듀티 사이클 D는 비례적으로 감소할 것이다. 이 구성의 하나의 부가적인 이익은, VTMP(2706)가 스위치드 인덕터 및 스위치드 커패시터 레귤레이터들의 주파수의 2배로 스위칭한다는 것이다. 이 피처는 부가적인 스위칭 손실을 발생시키는 일 없이 더 작은 인덕터(3302)의 사용을 가능하게 할 수 있다.For example, when
제2 스테이지 레귤레이터는 재구성가능 딕슨 스타 레귤레이터를 사용하여 예시되었지만, 다른 타입들의 SC 레귤레이터들이 또한 도 27 내지 도 29 및 도 31의 제2 스테이지 레귤레이터에 사용될 수 있다. 예를 들어, 제2 스테이지 레귤레이터는 래더 SC 레귤레이터, 재구성가능 래더 SC 레귤레이터, 직렬-병렬 SC 레귤레이터, 재구성가능 직렬-병렬 레귤레이터, 및/또는 임의의 다른 타입들의 SC 레귤레이터들을 포함할 수 있다.The second stage regulator has been illustrated using a reconfigurable Dickson star regulator, but other types of SC regulators can also be used in the second stage regulators of FIGS. 27-29 and 31. For example, the second stage regulator can include a ladder SC regulator, a reconfigurable ladder SC regulator, a series-parallel SC regulator, a reconfigurable series-parallel regulator, and/or any other types of SC regulators.
일부 실시예들에서, 2-스테이지 레귤레이터는 전력 관리 집적 회로(PMIC)들, 배터리 충전기들, LED 드라이버들, 엔벨로프 추적 전력 증폭기들을 포함하는 다양한 적용예들에 사용될 수 있다.In some embodiments, a two-stage regulator can be used in a variety of applications including power management integrated circuits (PMICs), battery chargers, LED drivers, envelope tracking power amplifiers.
일부 실시예들에서, 스위치드 커패시터 레귤레이터의 커패시턴스는 2-스테이지 레귤레이터의 출력 전류에 비례하도록 설정될 수 있다. 예를 들어, 스위치드 커패시터 레귤레이터의 커패시턴스는 목표 전력 효율에 따라 0.1nF/mA 및 100nF/mA의 범위에 있을 수 있다. 2-스테이지 레귤레이터는 더 큰 커패시턴스 값들을 사용함으로써 그것의 효율을 개선시킬 수 있다.In some embodiments, the capacitance of the switched capacitor regulator can be set to be proportional to the output current of the two-stage regulator. For example, the capacitance of a switched capacitor regulator can be in the range of 0.1nF/mA and 100nF/mA depending on the target power efficiency. A two-stage regulator can improve its efficiency by using larger capacitance values.
일부 실시예들에서, 2-스테이지 레귤레이터는 스텝업 레귤레이터로서 동작하기 위해 역 방향으로 동작될 수 있다. 예를 들어, 2-스테이지 레귤레이터의 입력 노드는 목표 부하(예를 들어, 칩)에 커플링될 수 있고 2-스테이지 레귤레이터의 출력 노드는 입력 전압 소스(예를 들어, 배터리)에 커플링될 수 있다.In some embodiments, the two-stage regulator can be operated in the reverse direction to operate as a step-up regulator. For example, the input node of a two-stage regulator can be coupled to a target load (e.g., a chip) and the output node of a two-stage regulator can be coupled to an input voltage source (e.g., a battery). have.
일부 실시예들에서, 2-스테이지 레귤레이터는 배터리 충전기로서 동작하기 위해 역 방향으로 동작될 수 있다. 예를 들어, 2-스테이지 레귤레이터의 입력 노드는 전력 소스(예를 들어, 범용 직렬 버스(USB)의 전력 라인)에 커플링될 수 있고 2-스테이지 레귤레이터의 출력 노드는 배터리에 커플링될 수 있다.In some embodiments, the two-stage regulator can be operated in the reverse direction to operate as a battery charger. For example, the input node of a two-stage regulator can be coupled to a power source (eg, a power line of a universal serial bus (USB)) and the output node of a two-stage regulator can be coupled to a battery. .
개시된 2-스테이지 레귤레이터의 다양한 실시예들은 배터리 동작 디바이스에서의 배터리 충전기로서 사용될 수 있다. 예를 들어, 2-스테이지 레귤레이터의 출력 노드는 배터리에 커플링될 수 있어서 2-스테이지 레귤레이터의 출력 전압 및 출력 전류는 배터리를 충전하는 데 사용된다.Various embodiments of the disclosed two-stage regulator can be used as a battery charger in a battery operated device. For example, the output node of a two-stage regulator can be coupled to a battery, so that the output voltage and output current of a two-stage regulator are used to charge the battery.
2-스테이지 레귤레이터는 핸드헬드 디바이스에서의 배터리들을 충전하는 데 특히 유용할 수 있다. 스마트폰과 같은 핸드헬드 디바이스는 배터리가 충전되는지 또는 아닌지의 여부(예를 들어, 완전히 충전되었을 때는 4.3V, 완전히 방전되었을 때는 2.8V)에 따라 대략 2.8 내지 4.3V의 범위 내의 전압 출력을 제공하도록 구성되는 리튬 이온(Li 이온) 배터리를 사용할 수 있다. 핸드헬드 디바이스에서의 Li 이온 배터리는 범용 직렬 버스(USB)를 사용하여 충전될 수 있다. USB 전력 라인의 현재 버전은, Li 이온 배터리의 전압 출력보다 더 높은 5V를 사용한다(그리고 USB의 장래의 버전들은 훨씬 더 높은 전압들을 사용할 수도 있다). 그에 따라, USB 전력 라인으로부터의 전압은 그것이 Li 이온 배터리를 충전하는 데 사용될 수 있기 전에 스텝다운되어야 한다. 이를 위해, 2-스테이지 레귤레이터는 USB로부터 전력 라인 전압 및 전류를 수신하고 Li 이온 배터리에 전력 라인 전압 및 전류의 스텝다운 버전을 제공하여 Li 이온 배터리가 USB로부터의 전압 및 전류에 기초하여 충전될 수 있도록 구성될 수 있다.A two-stage regulator can be particularly useful for charging batteries in handheld devices. Handheld devices such as smartphones provide a voltage output within the range of approximately 2.8 to 4.3V depending on whether the battery is charged or not (e.g. 4.3V when fully charged, 2.8V when fully discharged). It is possible to use a lithium ion (Li-ion) battery. Li-ion batteries in handheld devices can be charged using a universal serial bus (USB). The current version of the USB power line uses 5V higher than the voltage output of the Li-ion battery (and future versions of USB may use much higher voltages). Accordingly, the voltage from the USB power line must be stepped down before it can be used to charge a Li-ion battery. To this end, a two-stage regulator receives the power line voltage and current from the USB and provides a step-down version of the power line voltage and current to the Li-ion battery so that the Li-ion battery can be charged based on the voltage and current from the USB. Can be configured.
일부 실시예들에서, 배터리가 USB 전력 라인을 사용하여 충전되는 상기에 식별된 구성은 USB 온 더 고(OTG)와 역으로 사용될 수 있고, 여기서 제1 디바이스에서의 배터리는 전력을 USB를 통해 제2 디바이스에 전달하여 제2 디바이스를 충전할 수 있다. 이 시나리오에서, 제1 디바이스에서의 배터리는 USB를 통해 제2 디바이스에서의 배터리에 전류를 전달하도록 구성된다. 제1 디바이스에서의 배터리의 출력 전압이 USB 전력 라인 전압보다 더 낮을 수도 있지만, 2-스테이지 레귤레이터는 배터리의 출력 전압을 USB 전력 라인의 출력 전압으로 스텝업하기 위한 스텝업 구성으로 동작할 수 있다. 이러한 방식으로, 제1 디바이스에서의 배터리가 USB 전력 라인을 통해 제2 디바이스에서의 배터리를 충전할 수 있다.In some embodiments, the above-identified configuration in which the battery is charged using a USB power line can be used inversely with USB on the go (OTG), where the battery in the first device is powered by USB. The second device can be charged by transferring it to the two devices. In this scenario, the battery at the first device is configured to deliver current through the USB to the battery at the second device. Although the output voltage of the battery in the first device may be lower than the USB power line voltage, the two-stage regulator can operate in a step-up configuration to step up the output voltage of the battery to the output voltage of the USB power line. In this way, the battery in the first device can charge the battery in the second device through the USB power line.
도 34는 일부 실시예들에 따른 전압 레귤레이션 시스템을 포함하는 컴퓨팅 디바이스의 블록도이다. 컴퓨팅 디바이스(3400)는 프로세서(3402), 메모리(3404), 하나 이상의 인터페이스들(3406), 가속기(3408), 및 전압 레귤레이터 시스템(3410)을 포함한다. 컴퓨팅 디바이스(3400)는 부가적인 모듈들, 더 적은 모듈들, 또는 임의의 적합한 동작 또는 동작들의 조합을 수행하는 모듈들의 임의의 다른 적합한 조합을 포함할 수도 있다.34 is a block diagram of a computing device including a voltage regulation system in accordance with some embodiments.
일부 실시예들에서, 가속기(3408)는 주문형 집적 회로(ASIC)를 사용하여 하드웨어로 구현될 수 있다. 가속기(3408)는 시스템 온 칩(SOC)의 일부일 수 있다. 다른 실시예들에서, 가속기(3408)는 로직 회로, 프로그래밍가능 로직 어레이(programmable logic array)(PLA), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor)(DSP), 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이(field programmable gate array)(FPGA), 또는 임의의 다른 집적 회로를 사용하여 하드웨어로 구현될 수 있다. 일부 경우들에서, 가속기(3408)는 다른 집적 회로들과 동일한 패키지로 패키징될 수 있다.In some embodiments, the
일부 실시예들에서, 전압 레귤레이터 시스템(3410)은 프로세서(3402), 메모리(3404), 및/또는 가속기(3408) 중 하나 이상에 공급 전압을 제공하도록 구성될 수 있다. 전압 레귤레이터 시스템(3410)은 하나 이상의 전압 레귤레이터(VR) 모듈들(3412-1 ... 3412-N)을 포함할 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 VR 모듈들(3412-1 ... 3412-N)은, 예를 들어, 도 4, 도 10, 및 도 16에 개시된 바와 같이, 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터일 수 있다. 일부 실시예들에서, 하나 이상의 VR 모듈들(3412-1 ... 3412-N)은, 예를 들어, 도 27 내지 도 29, 도 31에 개시된 바와 같이, 2-스테이지 레귤레이터일 수 있다. 하나 이상의 VR 모듈들(3412-1 ... 3412-N)은 다수의 인터리빙된 위상들에서 동작할 수도 있다.In some embodiments,
일부 실시예들에서, 전압 레귤레이터 시스템(3410)은, 하나 이상의 VR 모듈들(3412-1 ... 3412-N)에서 스위치 구성을 제어하도록 구성되는 스위치 제어 모듈을 포함할 수 있다. 예를 들어, 스위치 제어 모듈이, 3:1 변환 모드에서, 도 5a 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 3:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 동작시키라는 명령어를 수신할 때, 스위치 제어 모듈은 3:1 변환 모드에서 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 동작시키기 위해 스위치들(216, 218, 220, 222, 224, 226, 및 228) 및 모드 스위치 SW8(402)을 제어하도록 구성될 수 있다. 다른 예로서, 스위치 제어 모듈이, 2:1 변환 모드에서, 도 6a 내지 도 6c에 도시된 바와 같이, 3:1 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 동작시키라는 명령어를 수신할 때, 스위치 제어 모듈은 2:1 변환 모드에서 재구성가능 딕슨 스타 SC 레귤레이터를 동작시키기 위해 스위치들(216, 218, 220, 222, 224, 226, 및 228) 및 모드 스위치 SW8(402)을 제어하도록 구성될 수 있다. 일부 실시예들에서, 스위치 제어 모듈은 하드웨어 프로그래밍 언어들을 사용하여 합성될 수 있다. 하드웨어 프로그래밍 언어들은 Verilog, VHDL, Bluespec, 또는 임의의 다른 적합한 하드웨어 프로그래밍 언어를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 스위치 제어 모듈은 수동으로 설계될 수 있고 칩 상에 수동으로 레이아웃될 수 있다.In some embodiments, the
컴퓨팅 디바이스(3400)는 인터페이스(3406)를 통해 다른 컴퓨팅 디바이스들(도시되지 않음)과 통신할 수 있다. 인터페이스(3406)는 광학, 구리, 및 무선과 같은 다양한 매체들로, 그리고 일부가 비일시적일 수도 있는 다수의 상이한 프로토콜들로 신호들을 전송 및 수신하도록 하드웨어로 구현될 수 있다.
일부 실시예들에서, 컴퓨팅 디바이스(3400)는 사용자 장비를 포함할 수 있다. 사용자 장비는 하나 이상의 무선 액세스 네트워크들과 그리고 유선 통신 네트워크들과 통신할 수 있다. 사용자 장비는 전화 통신 능력들을 갖는 셀룰러 폰일 수 있다. 사용자 장비는 또한, 서비스들 예컨대 워드 프로세싱, 웹 브라우징, 게이밍, 전자 책 능력들, 운영 체제, 및 풀 키보드(full keyboard)를 제공하는 스마트 폰일 수 있다. 사용자 장비는 또한, 네트워크 액세스 및 스마트 폰에 의해 제공되는 대부분의 서비스들을 제공하는 태블릿 컴퓨터일 수 있다. 사용자 장비는 심비안(Symbian) OS, 아이폰(iPhone) OS, RIM의 블랙베리(Blackberry), 윈도우즈 모바일(Windows Mobile), 리눅스(Linux), HP WebOS, 타이젠(Tizen), 안드로이드(Android)와 같은 운영 체제, 또는 임의의 다른 적합한 운영 체제를 사용하여 동작한다. 스크린은 모바일 디바이스에 데이터를 입력하는 데 사용되는 터치 스크린일 수도 있는데, 그 경우에 스크린은 풀 키보드 대신에 사용될 수 있다. 사용자 장비는 또한 글로벌 포지셔닝 좌표들, 프로파일 정보, 또는 다른 위치 정보를 유지할 수 있다. 사용자 장비는 또한 웨어러블 전자 디바이스일 수 있다.In some embodiments,
컴퓨팅 디바이스(3400)는, 계산들 및 통신이 가능한 임의의 플랫폼들을 또한 포함할 수 있다. 비제한적인 예들은 텔레비전(TV)들, 비디오 프로젝터들, 셋톱 박스들 또는 셋톱 유닛들, 디지털 비디오 레코더들(DVR), 컴퓨터들, 넷북들, 랩톱들, 및 계산 능력들을 갖는 임의의 다른 오디오/비주얼 장비를 포함한다. 컴퓨팅 디바이스(3400)는 명령어들을 프로세싱하고 메모리에 저장될 수도 있는 소프트웨어를 실행하는 하나 이상의 프로세서들로 구성될 수 있다. 프로세서는 또한 메모리와 통신하고 다른 디바이스들과 통신하기 위해 인터페이싱한다. 프로세서는, CPU, 애플리케이션 프로세서, 및 플래시 메모리를 조합하는 시스템 온 칩과 같은 임의의 적용가능 프로세서일 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(3400)는 또한 키보드, 터치 스크린, 트랙볼, 터치 패드, 및/또는 마우스와 같은 다양한 사용자 인터페이스들을 제공할 수 있다. 컴퓨팅 디바이스(3400)는 또한 일부 실시예들에서 스피커들 및 디스플레이 디바이스를 포함할 수도 있다. 컴퓨팅 디바이스(3400)는 또한 생체의학 전자 디바이스를 포함할 수 있다.
도 36a 내지 도 36c를 참조하면, 일부 실시예들에 따른, 2:1 SC 레귤레이터와 인덕터를 병합한 하이브리드 컨버터(3600)가 도시되어 있다. 도 36a에 예시된 바와 같이, 컨버터(3600)는 인덕터(3602), 커패시터들(3604 및 3606), 및 스위치들(3608, 3610, 3612, 3614, 및 3616)을 포함할 수 있다. 또한 도 36a에 도시된 바와 같이, 전류로서 예시된 부하(3618)가 컨버터(3600)의 출력에 커플링될 수 있다.36A-36C, a
인덕터(3602)는, 임의의 적합한 기술을 사용하여 형성되고 일부 실시예들에서 임의의 적합한 사이즈를 갖는 임의의 적합한 인덕터일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 인덕터(3602)는 일부 실시예들에서 2 x 1.2mm의 사이즈를 갖는 권선으로부터 형성되는 개별 인덕터일 수 있다.The inductor 3602 can be any suitable inductor formed using any suitable technique and having any suitable size in some embodiments. For example, in some embodiments, inductor 3602 may be a separate inductor formed from a winding having a size of 2 x 1.2 mm in some embodiments.
커패시터들(3604 및 3606)은 임의의 적합한 기술 또는 기술들을 사용하여 형성되고 일부 실시예들에서 임의의 적합한 사이즈 또는 사이즈들을 갖는 임의의 적합한 커패시터들일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 이들 커패시터들(및 본 명세서에서 설명되는 모든 다른 커패시터들)은 온칩 커패시터(on-chip capacitor)들 예컨대 금속-온-금속(metal-on-metal)(MoM) 커패시터들, 금속-절연체-금속(metal-insulator-metal)(MiM) 커패시터들, MOSFET 커패시터들(MOSFET의 게이트 산화물 커패시턴스를 사용하는 커패시터들), 다층 세라믹 커패시터들(Multi-Layer Ceramic Capacitors)(MLCC), 탄탈륨 커패시터들, 알루미늄 전해 커패시터들, 또는 필름 커패시터들과 같은 칩 또는 회로 보드 상에 구현되는 개별 커패시터들, 또는 임의의 다른 적합한 커패시터들일 수 있다. 다른 예로서, 커패시터들(3604 및 3606)은, 일부 실시예들에서, 2 x 1.2mm 및 1.6 x 1mm의 사이즈들을 각각 가질 수 있다.
스위치들(3608, 3610, 3612, 3614, 및 3616)은 일부 실시예들에서 임의의 적합한 기술을 사용하여 형성되는 임의의 적합한 스위치들일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 스위치들은 MOSFET 트랜지스터들과 같은 트랜지스터들로부터 형성될 수 있다. 더 구체적으로는, 예를 들어, 일부 실시예들에서, 스위치들 중 일부는 P-채널 MOSFET 트랜지스터를 사용하여 구현될 수 있고, 스위치들 중 다른 스위치들은 N-채널 MOSFET 트랜지스터들을 사용하여 구현될 수 있다. 일부 실시예들에서, 트랜지스터들은 효율을 최대화하도록 사이징될 수 있다. 예를 들어, 더 큰 트랜지스터들은 스위칭 손실을 부가시키는 한편, 더 작은 트랜지스터들은 전도 손실을 부가시킨다. 따라서, 일부 실시예들에서 특정 적용예에 따라 사이즈들이 선택되어 효율을 최대화할 수 있다.The
부하(3618)는 임의의 적합한 부하일 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 부하(3618)는 모바일 디바이스용 배터리일 수 있다.The
컨버터(3600)는 2개의 동작 "모드들": 2:1 스위치드 커패시터(SC) 부분(3620)을 사용하는 2:1 SC 모드; 및 2:1 SC 부분과 함께 인덕터(1602) 및 스위치(3610)를 사용하는 하이브리드 2:1(H21) 모드를 갖는다. 이 컨버터는 월 어댑터(wall adapter)(또는 다른 파워 서플라이)에의 커넥션(도시되지 않음) 및 제어기를 사용하여 입력 전압(VIN)을 제공하고 있는 월 어댑터(또는 다른 파워 서플라이)의 출력을 조정함으로써 (컨버터의 입력 전압(VIN) 및 출력 전압(VOUT)이 2:1 비율을 유지하는) 2:1 SC 모드에서 매우 높은 효율들을 달성할 수 있다. 그러나, 2:1 비율을 유지하기 위해 출력 전압을 지속적으로 조정할 수 없는 레거시 월 어댑터들(및 다른 파워 서플라이들)이 있다. 예를 들어, 많은 월 어댑터들은 고정된 5V 출력을 갖는다. 컨버터(3600)의 출력은 3V 내지 4.5V의 전압을 가질 수 있는 배터리에 직접 연결될 수도 있기 때문에, 컨버터의 입력 대 출력 전압 비율은, 5V VIN에 연결되었을 때, 원하는 2:1보다는 오히려, 5:3(또는 ~1.66:1) 내지 5:4.5(또는 ~1.11:1)일 수 있다. 불일치를 해결하기 위해, 컨버터는 H21 모드에서 동작할 수 있는데, 이는 일부 실시예들에서 1:1 내지 2:1의 임의의 비율을 지원할 수 있다.
2:1 SC 모드 및 H21 모드를 사용하여, 하이브리드 컨버터는 VIN에 연결된 어댑터가 그것의 출력 전압을 지속적으로 조정하여 ~2:1 VIN 대 VOUT 비율을 유지할 수 있을 때 (독립형 2:1 SC 충전기와 유사한) 2:1 SC 모드에서 높은 효율을 유지할 수 있고, H21 모드로 진행함으로써 ~2:1 VIN 대 VOUT 비율이 유지될 수 없을 때 벅 충전기보다 더 높은 효율들을 달성할 수 있다. 2:1 SC 충전기와 독립 벅 충전기를 병렬로 사용하는 것과 비교할 때, 하이브리드 컨버터는 2:1 SC 모드 및 H21 모드에서 여러 스위치들을 재사용함으로써 솔루션 사이즈 및 비용을 또한 감소시킨다.2: 1 using the SC mode and the H21 mode, hybrid converter adapter is its continuously adjusts the output voltage to 2 connected to the V IN: when to maintain 1 V IN for V OUT ratio (standalone 2:01 High efficiency can be maintained in 2:1 SC mode (similar to SC charger) and higher efficiency can be achieved than buck charger when ~2:1 V IN to V OUT ratio cannot be maintained by going to H21 mode . Compared to using a 2:1 SC charger and an independent buck charger in parallel, the hybrid converter also reduces solution size and cost by reusing multiple switches in 2:1 SC mode and H21 mode.
도 36a 및 도 36b는 H21 모드에 그리고 상태 0에 그리고 상태 1에 각각 있을 때의 하이브리드 컨버터(3600)를 예시한다. 도 36c는 컨버터가 상태0과 상태1 사이에서 변경됨에 따라 VX(102)가 어떻게 변경되는지를 예시한다. 듀티 사이클(상태0 대 상태1에서 얼마나 많은 시간이 소비되는지)을 조정함으로써, 하이브리드 컨버터는 입력 전압 대 출력 전압 비율을 조정할 수 있다. 다음의 식은 요구된 입력 및 출력 전압들에 기초하여 레귤레이터의 듀티 사이클(D)을 설정한다:36A and 36B illustrate a
D = T0 / (T0+T1)D = T 0 / (T 0 +T 1 )
(VX(102)의 평균) = VIN(이것은 인덕터의 2개의 노드들 VIN 및 VX에 대한 평균 전압이 정상 상태에서 동일할 필요가 있기 때문이다)(Average of V X (102)) = V IN (this is because the average voltage for the two nodes V IN and V X of the inductor needs to be the same at steady state)
(VX(102)의 평균) = 2*VOUT*D + VOUT*(1-D)(도 36b에 기초함)(Average of V X (102)) = 2*V OUT *D + V OUT *(1-D) (based on Figure 36b)
2*VOUT*D + VOUT*(1-D) = VIN 2*V OUT *D + V OUT *(1-D) = V IN
VOUT*D + VOUT = VIN V OUT *D + V OUT = V IN
VOUT(1+D) = VIN V OUT (1+D) = V IN
D = VIN/VOUT - 1 D = V IN /V OUT -1
도 37a 내지 도 37c는 2:1 SC 모드에 그리고 상태 0(도 37a) 및 상태 1(도 37b)에 있을 때의 하이브리드 컨버터(3600)를 예시한다. 이들 도면들에 도시된 바와 같이, 스위치(3610)는 2:1 SC 모드에 있을 때 상태0과 상태1 양측 모두에서 개방되기 때문에, 인덕터가 사용되지 않는다.37A-37C illustrate the
하이브리드 컨버터(3600)가 (도 36a 내지 도 36c에 도시된 바와 같이) H21 모드에서 동작하고 있을 때, 하이브리드 레귤레이터의 SC 부분과 레귤레이터의 인덕터 부분 양측 모두의 듀티 사이클이 동일할 필요가 있다. 이 설정에 의한 문제점은, SC 부분이, 예를 들어, 50% 듀티 사이클에서 가장 효율적일 수도 있지만, 그것은 요구된 입력 전압 대 출력 전압 비율로 인해, 예를 들어, 10% 듀티 사이클에서 동작하도록 강제될 수도 있다는 점이다.When the
이것을 극복하기 위해, 일부 실시예들에서, SC 부분 및 인덕터의 듀티 사이클은 도 38a 및 도 38b 및 도 39a 내지 도 39e에 예시된 바와 같이 2-위상 하이브리드 컨버터(3800)를 사용하여 독립적으로 이루어질 수 있다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 인덕터 듀티 사이클은 요구된 입력 및 출력 전압 값들에 따라 설정될 수 있는 한편(상기의 식들에 따름), SC 부분 듀티 사이클은 (종종 50% 듀티 사이클인) 최대 효율을 달성하도록 설정될 수 있다.To overcome this, in some embodiments, the duty cycle of the SC portion and the inductor can be accomplished independently using a two-
도 38a 및 도 38b 및 도 39a 내지 도 39e의 컨버터(3800)의 유사한 컴포넌트들은 일부 실시예들에서 상기 도 36a 및 도 36b와 관련하여 설명된 유사한 컴포넌트와 동일할 수 있다.38A and 38B and similar components of
도 38a 및 도 38b는 2:1 SC 모드에서 동작하도록 구성될 때의 2-위상 하이브리드 컨버터(3800)를 예시한다. 도시된 바와 같이, 이 모드에서, 스위치들(310 및 320)이: 상태0, SC_ph0; 상태0, SC_ph1; 상태1, SC_ph0; 및 상태1, SC_ph1에서 개방되기 때문에, 인덕터가 사용되지 않는다. 따라서, 이 모드에서 컨버터(3800)는 2-위상 2:1 SC 레귤레이터로서 동작한다. 즉, 스위치들은 도 38a 및 도 38b에 도시된 4개의 상태 및 위상 조합들로 개방 및 폐쇄된다. 일부 실시예들에서, 상태들은 50%와 같은 임의의 적합한 듀티 사이클을 가질 수 있다. 컨버터(3800)의 위상 1 부분의 스위치들은 일부 실시예들에서 컨버터(3800)의 위상 0 부분의 스위치들과 관련하여 임의의 적합한 포인트에서 스위칭할 수 있다. 예를 들어, 컨버터(3800)의 위상 1 부분의 스위치들은 일부 실시예들에서 컨버터(3800)의 위상 0 부분의 스위치들로부터 180도로 위상을 달리 하여 스위칭할 수 있다.38A and 38B illustrate a two-
도 39a 내지 도 39e는 H21 모드에서 동작하도록 구성될 때의 하이브리드 컨버터(3800)를 예시한다. 도 39a 내지 도 39d에서, 스위치들 SW1(310) 및 SW6(320)은 인덕터 스위치들인 한편, 스위치들 SW2(312), SW3(314), SW4(316), SW5(318), SW7(322), SW8(324), SW9(326), 및 SW10(328)은 SC 스위치들이다. H21 모드에서의 컨버터(3800)의 동작 동안, 인덕터 스위치들과 SC 스위치들 양측 모두는 2개의 상이한 상태들을 가지며 이들은 이들 2개의 상태들 사이에서 반복된다. 인덕터 스위치들의 2개의 상태들은 본 명세서에서 L_state0 및 L_state1이라고 지칭되고, SC 스위치들의 2개의 상태들은 본 명세서에서 SC_state0 및 SC_state1이라고 지칭된다. 예를 들어, 다음은 이들 4개의 상태들 각각의 스위치 구성일 수 있다:39A-39E illustrate the
L_state0 : SW1 온, SW6 오프L_state0: SW1 on, SW6 off
L_state1 : SW1 오프, SW6 온L_state1: SW1 off, SW6 on
SC_state0 : (SW4, SW8, SW10) 온, (SW3, SW5, SW9) 오프SC_state0: (SW4, SW8, SW10) on, (SW3, SW5, SW9) off
SC_state1 : (SW4, SW8, SW10) 오프, (SW3, SW5, SW9) 온SC_state1: (SW4, SW8, SW10) off, (SW3, SW5, SW9) on
SW2 및 SW7은 항상 오프이다. L_state0 대 L_state1에서 얼마나 많은 시간이 소비되는지가 인덕터 듀티 사이클을 결정한다. SC_state0 대 SC_state1에서 얼마나 많이 소비되는지가 SC 듀티 사이클을 결정한다. 일부 실시예들에서, 인덕터 스위치들은 하나의 듀티 사이클에서 L_state0과 L_state1 사이에서 반복될 수 있고, SC 스위치들은 상이한 듀티 사이클에서 SC_state0과 SC_state1 사이에서 반복될 수 있다.SW2 and SW7 are always off. How much time is spent in L_state0 vs. L_state1 determines the inductor duty cycle. How much is consumed in SC_state0 vs. SC_state1 determines the SC duty cycle. In some embodiments, the inductor switches can be repeated between L_state0 and L_state1 in one duty cycle, and the SC switches can be repeated between SC_state0 and SC_state1 in different duty cycles.
도 39e는 일부 실시예들에서 하이브리드 컨버터(3800)가 상태 0 내지 상태 3 사이에서 반복될 수 있게 하는 타이밍도를 도시한다. 이들 상태들 각각은 다음과 같이 동작한다:39E shows a timing diagram that allows the
상태 0 : L_state0, SC_state0State 0: L_state0, SC_state0
상태 1 : L_state1, SC_state0State 1: L_state1, SC_state0
상태 2 : L_state1, SC_state1State 2: L_state1, SC_state1
상태 3 : L_state0, SC_state1State 3: L_state0, SC_state1
도 39e에 도시된 바와 같은 이 특정 예에서, SC 부분의 듀티 사이클은 50%로 고정되지만, 이것은 임의의 적합한 값일 수 있고, 인덕터 스위치들의 듀티 사이클은 D이다. 인덕터 스위치들은 각각의 상태 0 내지 상태 3에서 소비되는 시간을 조정함으로써 SC 부분의 듀티 사이클과는 독립적으로 D를 조정할 수 있다. SC 부분의 효율이 50% 듀티 사이클에서 최대화되는 경우, SC 듀티 사이클은 50%로 고정될 수 있는 한편, 인덕터 듀티 사이클 D는 다양한 입력 대 출력 전압 비율들을 지원하도록 조정될 수 있다.In this particular example as shown in Figure 39E, the duty cycle of the SC portion is fixed at 50%, but this can be any suitable value, and the duty cycle of the inductor switches is D. The inductor switches can adjust D independently of the duty cycle of the SC portion by adjusting the time spent in each of the
일부 경우들에서, 제한된 동작 모드들 대신에 트랜지스터들에 할당된 영역을 감소시키기 위해 특정 스위치들이 제거될 수 있다. 예를 들어, 컨버터가 H21에서만 단지 동작하고 2:1 SC 모드를 디스에이블시키는 것이 괜찮다면, 도 36a의 스위치(3608) 및 도 39a 내지 도 39d의 SW2(312) 및 SW7(322)이 제거될 수 있다.In some cases, certain switches can be removed to reduce the area allocated to transistors instead of limited operating modes. For example, if the converter only works on H21 and it is okay to disable the 2:1 SC mode, the
도 36a, 도 36b, 도 37a, 도 37b, 도 38a, 도 38b, 및 도 39a 내지 도 39d의 스위치들은 임의의 적합한 제어기에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 이들 스위치들이 MOSFET으로서 구현될 때, 이들 스위치들은 개방된 또는 폐쇄된 커넥션이 MOSFET들의 소스들과 드레인들 사이에 제공되도록 MOSFET들의 게이트들에 적합한 전압을 인가하는 제어기에 의해 제어될 수 있다. 제어기는 임의의 적합한 디바이스 또는 회로일 수 있다. 예를 들어, 제어기는, 메모리로부터 하드웨어 프로세서로 로딩되는 소프트웨어를 실행하는 하드웨어 프로세서일 수 있다. 다른 예로서, 제어기는 전용 로직 회로들, 필드 프로그래밍가능 게이트 어레이, 및/또는 적합한 제어 신호들을 제공하기 위한 임의의 다른 적합한 디바이스 또는 회로일 수 있다.The switches of FIGS. 36A, 36B, 37A, 37B, 38A, 38B, and 39A-39D can be controlled by any suitable controller. For example, when these switches are implemented as MOSFETs, these switches can be controlled by a controller that applies an appropriate voltage to the gates of the MOSFETs such that an open or closed connection is provided between the sources and drains of the MOSFETs. have. The controller can be any suitable device or circuit. For example, the controller can be a hardware processor that executes software loaded from memory to a hardware processor. As another example, the controller can be dedicated logic circuits, field programmable gate arrays, and/or any other suitable device or circuit for providing suitable control signals.
개시된 청구물은 다음의 설명에 제시되거나 또는 도면들에 예시되는 컴포넌트들의 배열들로 그리고 구성의 세부사항들로 그의 적용예가 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다. 개시된 청구물은 다른 실시예들이 가능하고 다양한 방식들로 실시 및 수행되는 것이 가능하다. 또한, 본 명세서에서 채용되는 어구 및 전문용어는 설명의 목적을 위한 것이며 제한적인 것으로 간주되어서는 안 된다는 것이 이해되어야 한다.It should be understood that the disclosed claims are not limited to the arrangements of components presented in the following description or illustrated in the drawings, and to the details of the configuration, whose application is not limited. The disclosed claims are capable of other embodiments and of being practiced and carried out in various ways. Also, it should be understood that the phraseology and terminology employed herein is for the purpose of description and should not be regarded as limiting.
이와 같이, 본 기술분야의 통상의 기술자는, 본 개시내용이 기초하는 개념이, 개시된 청구물의 여러 목적들을 수행하기 위한 다른 구조체들, 장치들, 시스템들, 및 방법들의 설계를 위한 기초로서 쉽게 이용될 수도 있다는 것을 인식할 것이다. 그에 따라, 청구범위는, 이러한 등가의 구성들을, 이들이 개시된 청구물의 사상 및 범주로부터 벗어나지 않는 한, 포함하는 것으로 간주되는 것이 중요하다.As such, those skilled in the art can readily use the concepts upon which the present disclosure is based, as a basis for the design of other structures, devices, systems, and methods for performing various purposes of the disclosed claims. You will recognize that it may be. Accordingly, it is important that the claims be considered to include such equivalent arrangements, as long as they do not depart from the spirit and scope of the disclosed claims.
개시된 청구물은 전술한 예시적인 실시예들에서 설명 및 예시되었지만, 본 개시내용은 단지 예로서 이루어졌고, 개시된 청구물의 구현의 세부사항들에서의 수많은 변경들이, 후속하는 청구범위에 의해서만 제한되는, 개시된 청구물의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 이루어질 수도 있다는 것이 이해된다.Although the disclosed claims have been described and illustrated in the exemplary embodiments described above, the present disclosure has been made by way of example only, and numerous changes in the details of implementation of the disclosed claims are limited only by the following claims, It is understood that it may be made without departing from the spirit and scope of the disclosed claims.
Claims (9)
제1 면 및 제2 면을 갖는 인덕터 - 상기 제1 면은 입력 전압에 연결됨 - ;
제1 면 및 제2 면을 갖는 제1 스위치 - 상기 제1 면은 상기 인덕터의 제2 면에 연결됨 - ;
제1 면 및 제2 면을 갖는 제2 스위치 - 상기 제1 면은 상기 입력 전압에 연결됨 - ;
제1 면 및 제2 면을 갖는 제1 커패시터 - 상기 제1 면은 상기 제2 스위치의 제2 면에 연결됨 - ;
제1 면 및 제2 면을 갖는 제3 스위치 - 상기 제1 면은 상기 제1 스위치의 제2 면에 연결됨 - ;
제1 면 및 제2 면을 갖는 제4 스위치 - 상기 제1 면은 상기 제3 스위치의 제2 면에 연결됨 - ;
제1 면 및 제2 면을 갖는 제5 스위치 - 상기 제1 면은 상기 제1 커패시터의 제2 면에 그리고 상기 제4 스위치의 제2 면에 연결되고, 상기 제2 면은 전압 소스에 커플링됨 - ; 및
제1 면 및 제2 면을 갖는 제2 커패시터 - 상기 제1 면은 상기 제4 스위치의 제1 면에 연결되고, 상기 제2 면은 상기 제5 스위치의 제2 면에 연결됨 -
를 포함하는, 회로.As a circuit,
An inductor having a first surface and a second surface, wherein the first surface is connected to an input voltage;
A first switch having a first side and a second side, the first side being connected to the second side of the inductor;
A second switch having a first surface and a second surface, wherein the first surface is connected to the input voltage;
A first capacitor having a first surface and a second surface, wherein the first surface is connected to the second surface of the second switch;
A third switch having a first surface and a second surface, wherein the first surface is connected to the second surface of the first switch;
A fourth switch having a first surface and a second surface, the first surface being connected to the second surface of the third switch;
A fifth switch having a first side and a second side-the first side is connected to the second side of the first capacitor and to the second side of the fourth switch, the second side is coupled to a voltage source -; And
A second capacitor having a first side and a second side, wherein the first side is connected to the first side of the fourth switch, and the second side is connected to the second side of the fifth switch-
Including, circuit.
상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치, 상기 제3 스위치, 상기 제4 스위치, 및 상기 제5 스위치 중 적어도 하나는 트랜지스터인 것인, 회로.According to claim 1,
The at least one of the first switch, the second switch, the third switch, the fourth switch, and the fifth switch is a circuit.
상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치, 상기 제3 스위치, 상기 제4 스위치, 및 상기 제5 스위치 중 적어도 하나는 MOSFET인 것인, 회로.According to claim 2,
And at least one of the first switch, the second switch, the third switch, the fourth switch, and the fifth switch is a MOSFET.
상기 제1 스위치, 상기 제2 스위치, 상기 제3 스위치, 상기 제4 스위치, 및 상기 제5 스위치 중 적어도 하나는 제어기에 의해 제어되는 것인, 회로.According to claim 2,
Wherein at least one of the first switch, the second switch, the third switch, the fourth switch, and the fifth switch is controlled by a controller.
상기 회로가 제1 상태에 있을 때,
상기 제1 스위치가 폐쇄되고;
상기 제2 스위치가 개방되고;
상기 제3 스위치가 개방되고;
상기 제4 스위치가 폐쇄되고;
상기 제5 스위치가 개방되고;
상기 회로가 제2 상태에 있을 때,
상기 제1 스위치가 폐쇄되고;
상기 제2 스위치가 개방되고;
상기 제3 스위치가 폐쇄되고;
상기 제4 스위치가 개방되고;
상기 제5 스위치가 폐쇄되는 것인, 회로.According to claim 1,
When the circuit is in the first state,
The first switch is closed;
The second switch is opened;
The third switch is opened;
The fourth switch is closed;
The fifth switch is opened;
When the circuit is in the second state,
The first switch is closed;
The second switch is opened;
The third switch is closed;
The fourth switch is opened;
Wherein the fifth switch is closed.
상기 회로가 제3 상태에 있을 때,
상기 제1 스위치가 개방되고;
상기 제2 스위치가 폐쇄되고;
상기 제3 스위치가 개방되고;
상기 제4 스위치가 폐쇄되고;
상기 제5 스위치가 개방되고;
상기 회로가 제4 상태에 있을 때,
상기 제1 스위치가 개방되고;
상기 제2 스위치가 개방되고;
상기 제3 스위치가 폐쇄되고;
상기 제4 스위치가 개방되고;
상기 제5 스위치가 폐쇄되는 것인, 회로.The method of claim 5,
When the circuit is in the third state,
The first switch is opened;
The second switch is closed;
The third switch is opened;
The fourth switch is closed;
The fifth switch is opened;
When the circuit is in the fourth state,
The first switch is opened;
The second switch is opened;
The third switch is closed;
The fourth switch is opened;
Wherein the fifth switch is closed.
제1 면 및 제2 면을 갖는 제6 스위치 - 상기 제1 면은 상기 인덕터의 제2 면에 연결됨 - ;
제1 면 및 제2 면을 갖는 제7 스위치 - 상기 제1 면은 상기 입력 전압에 연결됨 - ;
제1 면 및 제2 면을 갖는 제3 커패시터 - 상기 제1 면은 상기 제7 스위치의 제2 면에 연결됨 - ;
제1 면 및 제2 면을 갖는 제8 스위치 - 상기 제1 면은 상기 제6 스위치의 제2 면에 연결됨 - ;
제1 면 및 제2 면을 갖는 제9 스위치 - 상기 제1 면은 상기 제8 스위치의 제2 면에 연결됨 - ; 및
제1 면 및 제2 면을 갖는 제10 스위치 - 상기 제1 면은 상기 제3 커패시터의 제2 면에 그리고 상기 제9 스위치의 제2 면에 연결되고, 상기 제2 면은 상기 전압 소스에 커플링됨 -
를 더 포함하는, 회로.According to claim 1,
A sixth switch having a first surface and a second surface, the first surface being connected to the second surface of the inductor;
A seventh switch having a first surface and a second surface, wherein the first surface is connected to the input voltage;
A third capacitor having a first side and a second side, the first side being connected to the second side of the seventh switch;
An eighth switch having a first surface and a second surface, wherein the first surface is connected to the second surface of the sixth switch;
A ninth switch having a first surface and a second surface, the first surface being connected to the second surface of the eighth switch; And
Tenth switch having a first side and a second side-the first side is connected to the second side of the third capacitor and to the second side of the ninth switch, the second side is coupled to the voltage source Ringed-
The circuit further comprising.
상기 회로가 제1 상태에 있을 때,
상기 제1 스위치가 개방되고;
상기 제2 스위치가 폐쇄되고;
상기 제3 스위치가 개방되고;
상기 제4 스위치가 폐쇄되고;
상기 제5 스위치가 개방되고;
상기 제6 스위치가 개방되고;
상기 제7 스위치가 개방되고;
상기 제8 스위치가 폐쇄되고;
상기 제9 스위치가 개방되고;
상기 제10 스위치가 폐쇄되고;
상기 회로가 제2 상태에 있을 때,
상기 제1 스위치가 개방되고;
상기 제2 스위치가 개방되고;
상기 제3 스위치가 폐쇄되고;
상기 제4 스위치가 개방되고;
상기 제5 스위치가 폐쇄되고;
상기 제6 스위치가 개방되고;
상기 제7 스위치가 폐쇄되고;
상기 제8 스위치가 개방되고;
상기 제9 스위치가 폐쇄되고;
상기 제10 스위치가 개방되는 것인, 회로.The method of claim 7,
When the circuit is in the first state,
The first switch is opened;
The second switch is closed;
The third switch is opened;
The fourth switch is closed;
The fifth switch is opened;
The sixth switch is opened;
The seventh switch is opened;
The eighth switch is closed;
The ninth switch is opened;
The tenth switch is closed;
When the circuit is in the second state,
The first switch is opened;
The second switch is opened;
The third switch is closed;
The fourth switch is opened;
The fifth switch is closed;
The sixth switch is opened;
The seventh switch is closed;
The eighth switch is opened;
The ninth switch is closed;
Wherein the tenth switch is open.
상기 회로가 제3 상태에 있을 때,
상기 제1 스위치가 폐쇄되고;
상기 제2 스위치가 개방되고;
상기 제3 스위치가 개방되고;
상기 제4 스위치가 폐쇄되고;
상기 제5 스위치가 개방되고;
상기 제6 스위치가 개방되고;
상기 제7 스위치가 개방되고;
상기 제8 스위치가 폐쇄되고;
상기 제9 스위치가 개방되고;
상기 제10 스위치가 폐쇄되고;
상기 회로가 제4 상태에 있을 때,
상기 제1 스위치가 개방되고;
상기 제2 스위치가 개방되고;
상기 제3 스위치가 개방되고;
상기 제4 스위치가 폐쇄되고;
상기 제5 스위치가 개방되고;
상기 제6 스위치가 폐쇄되고;
상기 제7 스위치가 개방되고;
상기 제8 스위치가 폐쇄되고;
상기 제9 스위치가 개방되고;
상기 제10 스위치가 폐쇄되고;
상기 회로가 제5 상태에 있을 때,
상기 제1 스위치가 개방되고;
상기 제2 스위치가 개방되고;
상기 제3 스위치가 폐쇄되고;
상기 제4 스위치가 개방되고;
상기 제5 스위치가 폐쇄되고;
상기 제6 스위치가 폐쇄되고;
상기 제7 스위치가 개방되고;
상기 제8 스위치가 개방되고;
상기 제9 스위치가 폐쇄되고;
상기 제10 스위치가 개방되고;
상기 회로가 제6 상태에 있을 때,
상기 제1 스위치가 폐쇄되고;
상기 제2 스위치가 개방되고;
상기 제3 스위치가 폐쇄되고;
상기 제4 스위치가 개방되고;
상기 제5 스위치가 폐쇄되고;
상기 제6 스위치가 개방되고;
상기 제7 스위치가 개방되고;
상기 제8 스위치가 개방되고;
상기 제9 스위치가 폐쇄되고;
상기 제10 스위치가 개방되는 것인, 회로.The method of claim 8,
When the circuit is in the third state,
The first switch is closed;
The second switch is opened;
The third switch is opened;
The fourth switch is closed;
The fifth switch is opened;
The sixth switch is opened;
The seventh switch is opened;
The eighth switch is closed;
The ninth switch is opened;
The tenth switch is closed;
When the circuit is in the fourth state,
The first switch is opened;
The second switch is opened;
The third switch is opened;
The fourth switch is closed;
The fifth switch is opened;
The sixth switch is closed;
The seventh switch is opened;
The eighth switch is closed;
The ninth switch is opened;
The tenth switch is closed;
When the circuit is in the fifth state,
The first switch is opened;
The second switch is opened;
The third switch is closed;
The fourth switch is opened;
The fifth switch is closed;
The sixth switch is closed;
The seventh switch is opened;
The eighth switch is opened;
The ninth switch is closed;
The tenth switch is opened;
When the circuit is in the sixth state,
The first switch is closed;
The second switch is opened;
The third switch is closed;
The fourth switch is opened;
The fifth switch is closed;
The sixth switch is opened;
The seventh switch is opened;
The eighth switch is opened;
The ninth switch is closed;
Wherein the tenth switch is open.
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