TWI527352B - 具有電化學電容的低頻轉換器 - Google Patents

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Description

具有電化學電容的低頻轉換器
揭示的本發明的實施例大致上關於具有電化學電容的低頻轉換器，更特別關於具有固定比例的低頻轉換器。
現代的社會依賴能源的容易取得。隨著能源需求的增加，能夠有效率地儲存能量的裝置日益重要。結果，包含電池、電容、電化學電容(EC)、(包含準電容及電雙層電容(EDLC)-在眾多名稱中也稱為超電容)、混合電化學電容、等等能源儲存裝置廣泛用於電子領域及其它領域。特別地，電容廣泛地用於從電路和配電至電壓調節及電池更換之應用範圍。電化學電容特徵在於高能量儲存容量以及包含高功率密度、小尺寸及低重量等其它所需的特徵，而因此變成用於多個能量儲存應用的有前途的選擇。
在處理器設計中，使用一個以上的電壓以降低耗電及接腳計數一直有相當大的益處。高性能電路可使用相對於用於低性能路徑之低電壓更高之電壓。但是，在非常輕負 載條件期間，電壓調節器(VR)促成顯著的功率損耗(20~50%)。
100‧‧‧能量儲存裝置
110‧‧‧導電結構
111‧‧‧通道
112‧‧‧開口
115‧‧‧表面
120‧‧‧導電結構
121‧‧‧通道
122‧‧‧開口
125‧‧‧表面
130‧‧‧分離器
140‧‧‧導電塗層
150‧‧‧電解質
231‧‧‧溝槽
330‧‧‧電雙層
400‧‧‧掃描式電子顯微鏡影像
402‧‧‧未被蝕刻的矽層
411‧‧‧多孔結構
515‧‧‧介電層
600‧‧‧切換式電容電路
700‧‧‧分壓電路
712‧‧‧時脈訊號
714‧‧‧時脈訊號
800‧‧‧電路
900‧‧‧電路
1200‧‧‧分壓電路
1300‧‧‧降壓轉換器電路
1330‧‧‧負載
1400‧‧‧降壓轉換器電路
1500‧‧‧倍壓電路
1600‧‧‧電壓反向器電路
1800‧‧‧行動電子裝置
1810‧‧‧基底
1900‧‧‧微電子裝置
1910‧‧‧基底
配合附圖，閱讀下述詳細說明，將更瞭解揭示的實施例，在圖式中：圖1-2是根據本發明的實施例之能源儲存裝置的剖面側視圖；圖3是根據本發明的實施例之能源儲存裝置的多孔結構內電雙層的剖面側視圖；圖4A-4B是根據本發明的實施例之多孔矽件的掃描式電子顯微鏡影像的剖面側視圖；圖5是根據本發明的實施例之能源儲存裝置的電解質與多孔結構之間的層的剖面側視圖；圖6顯示根據本發明的實施例之切換式電容電路的電路圖；圖7顯示根據本發明的實施例之切換式電容電路的電路圖；圖8及9顯示根據本發明的實施例之顯示操作模式的切換式電容電路的等效電路圖；圖10及11顯示根據本發明的其它實施例之切換式電容電路的輸入及輸出波形圖；圖12顯示根據本發明的其它實施例之分壓電路的電路圖； 圖13顯示根據本發明的一實施例之降壓轉換器電路的電路圖；圖14顯示根據本發明的另一實施例之降壓轉換器電路的電路圖；圖15顯示根據本發明的一實施例之倍壓器電路的電路圖；圖16顯示根據本發明的一實施例之電壓反向器電路的電路圖；圖17是流程圖，顯示根據本發明的一實施例之切換式電容電路的操作方法；圖18是方塊圖，顯示根據本發明的實施例之行動電子裝置；以及圖19是方塊圖，顯示根據本發明的實施例之微電子裝置。
為了簡明的說明，圖式顯示構造大致的樣貌，而省略熟知的特點及技術的說明及細節，以免不必要地模糊所述之發明的實施例的說明。此外，在圖式中的元件不一定依比例繪製。舉例而言，圖式中的某些元件的尺寸相對於其它元件是放大的，以助於瞭解本發明的實施例。以理想方式顯示某些圖式以助於瞭解，例如當結構顯示為具有直線、尖銳角度、及/或平行平面等等時，在真實世界條件下可能是顯著較不對稱及整齊的。在不同圖式中，相同的代 號代表相同的元件，而類似的代號不一定代表類似的元件。
在說明及申請專利範圍中，假使有「第一」、「第二」、「第三」、及「第四」等任何詞時，其係用以在類似元件之間顯著區別但不一定用於說明特定的順序或時間上的次序。要瞭解，在適當的情形下，所使用的這些詞是可互換的，以致於此處所述的本發明的實施例是能夠以所示或此處其它方式所述的順序操作。類似地，假使此處將方法說明為包含一系列步驟，則此處呈現的這些步驟的次序不一定是這些步驟被執行的唯一次序，可能省略所述的步驟中的某些步驟，及/或此處未述及的某些其它步驟可以加至方法中。此外，「包含」、「包括」、「具有」及其任何變化是要涵蓋非獨佔性的包含，以致於包含元件表列的製程、方法、物件、或設備不一定侷限於這些元件，而是可以包含未清楚列出或是這些製程、方法、物件、或設備固有的其它元件。
在說明及申請專利範圍中，假使有任何「左」、「右」、「前」、「後」、「頂部」、「底部」、「在...之上」、「在...之下」等等詞，則它們是用於說明的目的，除非另外具體或是以前後文方式說明，否則，不一定用於說明永久的相對位置。要瞭解，在適當的情形下，所使用的這些詞是可互換的，以致於以此處所述的發明的實施例能夠以此處所示或此處其它方式所述的其它方式操作。此處所使用的「耦合」一詞定義為以電或非電方式直接或間接 連接。此處說明為彼此「相鄰」的物件可為使用文句之前後文中般適當地為彼此實體接觸的、彼此近接、或是彼此在相同的區或區域。此處出現「在一實施例中」等文句並不一定都意指相同的實施例。
在非常輕負載條件期間，電壓調節器(VR)促成顯著的功率損失(20~50%)。需要開發在極輕負載條件下非常有效率地操作的電壓調節器解決之道。本發明的實施例提供獨特的切換式電容電壓調節器，其使用具有相當低的切換頻率之獨特電化學電容達成低輕負載條件下降低損耗之目的。功率轉換器電路由電化學電容製造且設計成以低於或等於1仟赫茲(例如，小於100Hz、小於10Hz)的頻率切換。這能降低導因於使電容充電及放電的損耗。典型地，由於與電容＊電壓2＊切換頻率成比例的切換損耗，所以，在很輕的負載下(例如，典型的待機條件)，多於50%的全部平台功率由電壓調節器消耗。以很低的切換頻率(例如，小於100Hz)工作之本揭示的轉換器能夠將待機損耗降低至極小的值(例如，小於轉換器10%的待機損耗)，造成用於行動及手持平台的非常長的電池壽命。藉由使用多孔矽電化學電容，取得單晶片整合。在電化學電容中的固態或膠質電解質簡化整合。藉由設計具有平坦及淺毛孔(例如，1至25微米)的多孔矽電化學電容，達成超低有效串聯電阻(ESR)。舉例而言，ESR可具有0.001至1歐姆的範圍。此外，此轉換器電路與降壓轉換器的結合可用於增進的效率並藉以減小降壓轉換器所需的電感器的 尺寸。替代地，亦可使用電化學電容製備低頻切換式電容倍壓器或電壓反向器。
本設計與轉換器的先前方式不同之處在於本設計包含具有高電容的電化學電容(例如，m法拉至法拉)。相較於習知方式數佰kHz至的數MHz，本設計的切換頻率顯著地較低(例如低於1kHz)。與遭受例如電磁干擾(EMI)或射頻干擾等雜訊議題的高頻轉換器相較，低頻轉換器不具有雜訊議題。本設計可以應用至平台位準電壓調節器並完全地整合於晶粒上矽等級實施。
在一態樣中，各式各樣的技術使能量儲存裝置於封裝中或是電子裝置的本體中之整合簡化。這些技術可以用以應用導電多孔結構至各式各樣的基底及表面，以及製造用於需要薄型態因數的應用之薄能量儲存裝置。舉例而言，在一實施例中，能量儲存裝置整合於行動電子裝置的殼中。
使用例如多孔矽、石墨烯、奈米碳管、奈米線或其它多孔材料等材料，將能量儲存裝置直接形成於或轉換至設有其它微晶片的封裝微電子之基底。由於能量儲存裝置設置成比例如電路板電容等其它能量源更接近微處理器，所以，用以提供功率給例如微處理器中的加速模式等電路功能。能量儲存裝置也是矽橋基底的一部份。習知的矽橋是設有連接二晶粒的導電佈線之被動基底。能量儲存裝置形成於連接二晶粒的矽橋上。依此方式，能夠將能量儲存裝置設置成近接微處理器，以在例如加速模式期間，快速地 提供功率給微處理器。
雖然此處大部份的討論將聚焦於電化學電容(包含準電容及電雙層電容)，但是，「能量儲存裝置」之名稱明確地包含電化學電容、混合電化學電容、以及電池、能源胞、及儲存能源的類似裝置。根據本發明的實施例之能量儲存裝置用於廣泛的應用，包含在汽車、巴士、火車、飛機、其它運輸車輛、家中能量儲存、用於太陽能或風能產生器(特別是能量收穫裝置)產生的能量之儲存、微電子裝置、行動電子裝置及很多其它裝置中。
電化學電容根據類似於主導傳統的平行板電容之原理而操作，但是，有某些重要的應用。一顯著的差異是關於充電分離機制。對於電化學電容的一重要等級，這典型地採取傳統電容的介電質以外之所謂的電雙層、或EDL的形式。EDL由高表面區電極與電解質之間的介面處的離子之電化學行為所產生，且儘管這些層一起接起，但是EDL仍造成有效的電荷分離。(實體分離距離是在單一奈米數量級)。因此，典型的EDL電容被視為在其EDL中儲存電荷。EDL的各層是導電的，但是，雙層的特性防止電流流經它們之間的邊界。(於下，配合圖4，進一步說明EDL)。
如在傳統的電容中為真般，在EDL電容中的電容值與電極的表面積成正比且與電荷分離距離成反比。部份由於歸功於多孔結構的很高的表面積以及可歸功於導因於如上所述的電解質的存在之EDL的奈米級電荷分離距離，在EDL電容中可以取得很高的電容值。
電化學電容的另一等級是準電容，其中，取代EDL電容，不同種類的電容-一種是法拉第的且原先不是靜電的-可發生在某些型式的電極。此不同種類的電容稱為「準電容」。準電容是具有表現類似電容但也呈現造成電荷儲存的反應之能量儲存裝置。典型地，準電容的電極之一塗著有過渡金屬氧化物，例如MnO2、RuO2、NiOx、Nb2O5、V2O5、等等，或是塗著有包含Mo2N、VN、W2N、W2C(碳化鎢)、Mo2C、VC、適當的導電聚合物、或類似的材料等其它材料。這些材料可以與例如氫氧化鉀(KOH)等電解質一起使用；當裝置被充電時，電解質將在反應中與材料反應，允許能量以類似於電池能量儲存的方式儲存。更具體而言，這些材料經由高度可逆表面及次表面氧化還原(法拉第)反應儲存能量，但是，同時，電雙層能量儲存機制適當地維持並提供用於高功率的電位。
混合電化學電容是結合電化學及電池的屬性之能量儲存裝置。在一實例中，塗著有鋰離子材料的電極與電化學電容結合，以產生具有電化學電容快速充電及放電特徵以及電池的高能量密度之裝置。另一方面，混合電化學電容類似電池般，相較電化學電容具有較短的預期壽命。
圖1-2是根據本發明的實施例之能量儲存裝置100的剖面視圖。如圖1及2所示般，能量儲存裝置100包含導電結構110及導電結構120。導電結構110及120中至少之一包含多孔結構。在圖1-2中所示的實施例中，二導電結構都包含導電多孔結構。在所示之特定實施例中，多孔 結構含有多通道，各通道均具有通至多孔結構的表面之開口。此特點可為用以形成多孔結構之下述電化學蝕刻製程的結果。舉例而言，多孔結構可以形成在例如導電材料或半導體材料等導電材料之內。替代地，多孔結構可以形成在塗著導電膜(例如氮化鈦(TiN)等ALD導電膜)的絕緣材料(例如氧化鋁)之內。關於此點，由於具有較大導電率的材料降低有效串聯電阻，所以它們是有利的。在所示的實施例中，導電結構110及導電結構120等二結構都包含此多孔結構。因此，在某些實施例中，導電結構110包含通道111，通道111設有通至對應的多孔結構的表面115之開口112，以及，導電結構120包含通道121，通道121設有通至對應的多孔結構的表面125之開口122。在導電結構110及120中僅有一結構包含設有多通道的多孔結構之實施例中，另一導電結構可為例如金屬電極或是多晶矽結構。在其它實施例中，多孔結構具有不同於圖1-2中所示的形態，這是例如氣凝膠電旋轉塗敷技術的結果。
如同剛剛所述般，在實施例中，藉由電化學蝕刻，在導電結構中形成導電多孔結構。在導電基底是矽的情形中，舉例而言，電化學蝕刻浴溶液包含氫氟酸(HF)或HF-乙醇溶液。在使用電化學蝕刻以在導電結構中形成多孔結構的情形中，可以以多種方式提供導電結構。舉例而言，導電結構是矽晶圓的一部份、或是沈積於基底上的矽層。使用例如磊晶沈積及化學汽相沈積(CVD)等技術以生長矽 。在實施例中，使用較不貴的方法，其中，矽層沈積於各式各樣的基底及表面上。在實施例中，使用矽粒子的熱噴鍍(例如，電漿噴鍍)以形成矽層。在實施例中，矽粒子是多晶的。在另一實施例中，使用鑄造技術以形成矽粒子的矽層。除了矽之外，也可以使用其它材料，例如多孔鍺及多孔錫。使用多孔矽的可能優點包含其與現有的矽技術的共容性。多孔鍺享有用於該材料之現有技術的結果之類似優點，以及，相較於矽，享有其自然氧化物(氧化鍺)是可溶於水且因而容易移除之其它可能的優點。(形成在矽表面上的自然氧化物可以捕捉電荷-這不是希望的結果。)多孔鍺也是與矽技術高度共容的。使用零能帶隙材料的多孔矽之可能優點包含其相對於某些其它導體及半導體材料之增強的導電率。其它材料也可用於多孔結構，包含碳化矽、例如矽及鍺合金等合金、以及例如銅、鋁、鎳、鈣、鎢、鉬、及鎂等金屬。
在實施例中，導電多孔結構由氣凝膠技術形成。舉例而言，將膠沈積至基底上，然後，經由例如超臨界乾燥及冷凍乾燥等處理，從膠中取出液體成分。藉由使用基底表面的受控組織，取得對基底的氣凝膠黏著。適用於以氣凝膠技術形成導電多孔結構的材料包含矽、碳、釩、鉬、釕、及鎂。使用此乾燥處理的可能優點是使用低溫處理可以與微電子封裝中使用的聚合物共容。在實施例中，使用厚光阻及電旋轉塗敷導電奈米結構(例如，奈米碳管)至基底上，以形成導電多孔結構。
能量儲存裝置100的各式各樣的配置是可能的。在圖1的實施例中，舉例而言，能量儲存裝置100包含二區別的導電多孔結構(亦即，導電結構110及導電結構120)，在這些結構之間中，二區別的導電多孔結構與分離器130面對面地接合在一起。另舉例而言，在圖2的實施例中，能量儲存裝置100包含單一平面導電多孔結構，其中，第一區(導電結構110)與第二區(導電結構120)以含有分離器130的溝槽231而相分離。這些導電結構中之一將是正側，而另一導電結構將是負側。
圖2顯示連接導電結構110及導電結構120的材料小橋。假使未作說明，則此橋可作為二導電結構之間的電短路。但是，有多種可能的解決之道。舉例而言，使用拋光操作，移除橋。根據本發明的實施例，導電結構接著藉由某些其它機構或藉由分離器130而保持分開。替代地，導電結構可以形成在重度摻雜的晶圓頂層或區域中，而溝槽向下延伸至不是非常良好的導體之下方輕度摻雜的基底。替代地，可以在橋上執行例如氧化步驟等進一步處理以使其較不導電，或是可以使用矽在絕緣體上結構。
也應注意，圖1-2中的多孔結構的說明高度理想化之處在於僅以一實例而言，所有通道111及121顯示為僅垂直地延伸。事實上，這些通道可以以多個方向分枝以產生糾纏的、無序的樣式，看起來類似圖4B中所示的多孔結構。
圖4B是多孔矽層的掃描式電子顯微鏡(SEM)影像400 的剖面側視圖。根據本發明的實施例，將矽層電化學地蝕刻以形成多孔矽結構。在圖4B中所示的實施例中，未被蝕刻的矽層402維持在被蝕刻的多孔矽結構411之下。在一實施例中，未被蝕刻層402作為多孔結構411(以及對應的能量儲存裝置，未顯示)的支撐結構。圖4A是圖4B中所示的多孔矽結構411的掃描式電子顯微鏡影像400的上視圖。
再參考圖1-2，分離器130防止陽極與陰極的實體接觸(這造成裝置中的電故障)，並允許離子電荷載子的轉換。舉例而言，分離器130可為可滲透構件或是其它多孔聚合物分離器。除了聚合物分離器之外，多種其它分離器型式是可能的。這些包含非織布片、液態構件、聚合物電解質、固態離子導體、等等。分離器130可為提供結構剛性給能量儲存裝置100之固態或半固態(例如膠)材料。在實施例中，分離器130是都允許離子電荷載子轉換及防止二導電結構實體接觸之固態或半固態電解質。在實施例中，如圖1-2所示及下述更詳細說明般，固態或半固態電解質分離器130穿入導電結構110、120中至少之一的多孔結構中。依此方式，除了提供間隔器的角色之外，藉由與電解質150相互混合或化學接合及/或與多孔結構增加機械互鎖或化學接合，分離器130也提供增加的承受負載結構穩定度給能量儲存裝置100。在實施例中，固態或半固態電解質包含提供結構剛性的聚合物基質。為了提供增加的離子轉換，離子液體與分離器130中的聚合物基質相混 合。聚合物基質也包含共聚物。舉例而言，共聚物包含第一聚合物以提供聚合物基質的結構骨幹、以及第二聚合物以提供增加的離子導電率。舉例而言，共聚物包含用於離子導電率的聚乙烯氧化物及聚醯亞胺骨幹。在實施例中，聚醯亞胺的分子量高於聚乙烯氧化物的分子量。
也顯示於圖1-2中的是電解質150，其引起EDL。在某些實施例中，電解質150是有機的。根據本發明的實施例可以使用的一型式的電解質是離子溶液(液態或固態)。另一型式是包含含離子溶劑的電解質(例如，Li2SO4、LiPF6)。舉例而言，電解質可為有機材料的液體或固體溶液，例如在乙腈中的四乙胺基四氟硼酸鹽。其它實例包含硼酸為基礎的溶液、硼砂、或弱有機酸。有機電解質及固態電解質也是可能的。在特定的實施例中，電解質150是液態電解質溶液，以及，分離器130是固態或半固態電解質。但是，電解質150也可為與用以形成分離器130的材料相同的材料。使用圓圈及點的隨意配置，將電解質150及固態或半固態電解質分離器130呈現在圖式中，以未填充的圓來代表電解質150，以及，以點表示固態或半固態電解質分離器130。此表示是要傳達電解質130、150是含有自由離子的物質(液體或固態，包含膠狀材料)。為了方便起見而選擇圓圈及點，並非要對成分或品質作任何限定，包含與離子的數目、尺寸、或形狀有關的任何限定。也選擇圓圈及點，以顯示固態或半固態電解質分離器130穿入導電結構110、120的多孔結構，以及電解質150 穿入固態或半固態電解質分離器130的可能性。在圖1-2中所示的特定實施例中，電解質130、150顯示為在通道(或毛孔)111、121的表面115、125的區域中混合。根據本發明的實施例，電解質130、150的相互混合的量受控制。舉例而言，在另一實施例中，電解質130(由點代表)穿透通道111、121(或其它多孔結構)的實質部份，以及，甚至完全地穿透通道111、121(或其它多孔結構)。類似地，電解質150(以未填充的圓圈表示)穿入電解質150受控制。
圖3顯示形成在具有電解質150的通道111中之一之內的電雙層(EDL)330。要瞭解，雖然在通道111之內僅顯示電解質150，但是，電解質130也出現在通道111之內以及視穿透量而對EDL有貢獻。EDL 330是由二電荷層構成，二電荷層之一是通道111的側壁的電荷(在圖3中顯示為正的，但是也可以為負的)，而另一電荷層由電解質中的自由離子形成。EDL 330將表面電絕緣，因而提供電容作用所需的電荷分離。因電解質離子與電極表面電荷之間的小分離(約1nm)而產生大電容及因而產生EDLC的能量儲存電位。
再參考圖1-2，能量儲存裝置100又包含設在多孔結構的至少一部份上及在通道111及/或通道121中的某些通道中的導電塗層140。此導電塗層是必要的，以便維持或強化多孔結構的導電率，或者有助於降低ESR，藉以增進性能。舉例而言，具有更低ESR的裝置能夠遞送更高 的功率(以更大的加速度、更多馬力、等等的方面而言，這是顯著的)。相對地，至少部份由於大部份的能量浪費成熱量，所以，更高的ESR(在典型的電池內部主導的條件)限制可取得的能量數量。舉例而言，導電塗層140可為矽化物。關於另一實例，導電塗層140可為例如鋁、銅、及鎢等金屬塗層、或是例如氮化鎢、氮化鈦、氮化鉭、及氮化釩等其它導電體。列出的各材料均具有用於現有的CMOS技術中的優點。例如鎳及鈣等其它金屬也可作為導電塗層140。使用例如電鍍、化學汽相沈積(CVD)、及/或原子層沈積(ALD)等製程，塗敷這些材料。
在某些實施例中，如圖5所示，介電層515可以設於電解質150與多孔結構110的通道111之間。在圖5中未顯示EDL，以免使圖式不必要地複雜化。為進一步強化能量儲存裝置的電容，或是，為了例如但不限於表面鈍化及可濕性增強等其它理由，可以導入介電層515。
在某些實施例中，介電層及導電塗層可以設於電解質與至少某些通道之間。藉由使用二層，其允許各層為了特定參數而獨立地最佳化。舉例而言，介電層可以最佳化以提供良好的表面鈍化，而導電層可以最佳化以提供低ESR。
如同先前所述般，本發明的實施例提供簡化能量儲存裝置整合至例如電子裝置的封裝及殼中之各式各樣的方法。舉例而言，能量儲存裝置可以整合於行動電話、膝上型電腦、或平板電腦的殼中、或是整合於行動電話、膝上型 電腦、或平板電腦的結構中。舉例而言，藉由在殼上形成能量儲存裝置、或是將殼層疊於能量儲存裝置上，可以達成此點。
圖6顯示根據本發明的實施例之切換式電容電路的電路圖。此切換式電容電路600包含輸入電壓602(例如5伏特)、時脈訊號604(例如，V1=0伏特、V2=5伏特、TD=0、Trise=1奈秒、Tfall=1奈秒、脈衝寬度=100毫秒、及PER=200毫秒)、使時脈訊號反向的反向器606、電阻器R1(例如，1毫歐姆)、R3(例如，100毫歐姆)、R4(例如，2歐姆)、R6(例如，50毫歐姆)、R7(例如，10仟歐姆)、R8(例如，10仟歐姆)及R9(例如，1仟歐姆)。同類開關S1-S4(例如，電晶體、二極體、MOSFET、等等)允許電路在用於電化學電容C3(例如2法拉)與C1(例如1法拉)之充電與放電模式之間切換。開關具有假定之5毫歐姆RDSon。在一實施例中，負載610包含C1、R3、R9、及R4。R9代表固定負載，而R4代表取決於開關608的位置之暫態負載。C1及C3的電容值可以很高(例如，至少1毫法拉)以及長時間地固持電荷。假使需要時，可以將一般的多層晶片陶瓷電容(例如20微法拉)加入而與C1及C3並聯。
圖7顯示根據本發明的實施例之分壓電路的電路圖。分壓電路700是電路600的簡化版。電化學電容CF對應於圖6的C3，以及，電化學電容CB對應於圖6的C1。在一實施例中，對於2：1的分壓電路700，輸出電壓VO1 等於幾乎輸入電壓Vin的一半。當時脈訊號712為高位準(邏輯1)時S1及S3閉合，當時脈訊號712為低位準(邏輯0)時S1及S3斷開。當時脈訊號714為高位準(邏輯1)時S2及S4閉合，當時脈訊號714為低位準(邏輯0)時S2及S4斷開。分壓電路具有50%的工作循環。
圖8及9顯示分壓電路的等效電路圖，其顯示根據本發明的實施例之操作模式。電路800顯示電路700的充電模式，根據時脈訊號812和814，開關S1及S3處於閉合位置，開關S2及S4處於斷開位置。電路900顯示電路700的放電模式，根據時脈訊號，開關S2及S4處於閉合位置，開關S1及S3處於斷開位置。在一實施例中，對於2：1的分壓電路800及900，輸出電壓VO1幾乎等於輸入電壓Vin的一半。
使用5Hz的切換頻率，在一個1法拉的浮動電化學電容C3以及1法拉的輸出電容C1之100毫秒RC時間常數下，為電路600執行模擬。模擬使用1.2A/微秒的負載di/dt且為使用行為模型的離散實施。同類開關具有假定之5m歐姆的RDSon。假使需要時，可以在輸出處加入一般多層晶片陶瓷電容器以處理di/dt事件。事實上，由於沒有電感器以限制電流的上升，所以，切換的電容VR應具有高的di/dt。
圖10及11顯示根據本發明的實施例之切換電容電路的輸入及輸出波形。輸入及輸出波形是由電路600的模擬產生的。圖10顯示輸入電壓訊號1010約為5伏特，以及 ，根據閉合之圖6的開關608，在4秒時，輸出電流1030從2.5mA上升至1.2A，輸出電壓訊號1020約為2.5伏特，這降低負載電阻及增加輸出電流。
圖11顯示在約2.5mA的輸出電流下輸出電壓訊號1110約為2.5伏特，以及，根據閉合之圖6的開關608，在4秒，輸出電流為1.2A，對於漣波電壓1120，輸出電壓訊號約為2.4伏特，這降低負載電阻及增加輸出電流。
在一實施例中，例如此處所述的電路等電路包含第一電化學電容及耦合至第一電化學電容的第二電化學電容，第一電化學電容在以開關耦合至輸入電壓源時，充電至輸入電壓。第二電化學電容可為與電路的輸出電壓相關連的輸出電容。各電化學電容具有至少1毫法拉(mF)的電容值以及小於1仟赫茲或小於一佰赫茲的切換頻率。各電化學電容包含成對的多孔半導體結構，各多孔半導體結構含有載入於眾多毛孔中的電解質及分離成對的多孔半導體結構及穿入成對的多孔半導體結構之固態或半固態電解質層。替代地，多孔半導體結構由活化的碳或其它多孔材料取代。根據形成於具有淺毛孔或通道(例如，1至25毫米)之平面結構中的毛孔或通道，各電化學電容具有超低的有效串聯電阻。淺毛孔或通道降低離子電荷載子需要行經的距離，造成超低有效串聯電阻(例如，0.001至1歐姆)。各電化學電容可以與電路單晶片地整合或是設於電路外部。電路的輸出電壓約等於輸入電壓乘以固定比值，固定比值是選自下述比值：1/2、2/3、及1/3。
在實施例中，電路包含多相位轉換器。在另一實施例中，電路包含多相位升壓轉換器。根據電路的需求而設計各電化學電容的參數，代表的參數包含電壓、有效串聯電阻、品質因數、及尺寸。舉例而言，假使設計僅需具有100微法拉的電容值之電容時，則電容可以設計成具有平面的且具有淺毛孔或通道之多孔半導體結構。這將有效串聯電阻降低至超低的值。轉換器電路能切換成活躍狀態以滿足電路需求，例如，對付電壓或電源下降。
圖12顯示根據本發明的其它實施例之分壓電路的電路圖。分壓電路1200是電路700的修改版本。電化學電容CF1及CF2取代圖7的CF，以及，電化學電容CA、CB、及CC取代圖7的CB。在一實施例中，對於分壓電路1200，輸出電壓V1210等於約三分之二的輸入電壓Vin，以及，輸出電壓V1220等於約三分之一的輸入電壓Vin。當時脈訊號1212為高時(邏輯1)，開關S1、S3、及S5閉合，當時脈訊號1212為低時(邏輯0)，開關S1、S3、及S5斷開。當時脈訊號1214為高時(邏輯1)，開關S2、S4、及S6閉合，當時脈訊號1214為低時(邏輯0)，開關S2、S4、及S6斷開。分壓電路具有約33%的工作循環。
圖13顯示根據本發明的一實施例之降壓轉換器電路的電路圖。降壓轉換器電路1300包含輸入電壓源1302、開關1304(例如，電晶體開關)、整流二極體1306、電感器1310、電阻器1312、及電化學電容1320。整流意指電壓極性或電流方向的反轉。整流二極體136的目的是無論 電壓何時反轉極性都作動。降壓轉換器是降壓DC對IDC轉換器。二開關1304及1306控制電感器1310。電路1300在當開關1304閉合及開關1306斷開時連接電感器1310至輸入電壓源以在電感器中儲存能量與當開關1304斷開及開關1306閉合時使電感器放電至包含電容1320及電阻器1312之負載1330中之間交替。
圖14顯示根據本發明的另一實施例之降壓轉換器電路的電路圖。降壓轉換器電路1400包含輸入電壓源1402、開關1404(例如，電晶體開關)、開關1406(例如，電晶體開關)、電感器1410、電阻器1412、及電化學電容1420及電容1422。二開關1404和1406控制電感器1410。電路1400在當開關1404閉合及開關1406斷開時連接電感器1410至輸入電壓源以在電感器中儲存能量與當開關1404斷開及開關1406閉合時使電感器放電至包含電容及電阻器1412之負載1430中之間交替。
在一實施例中，功率轉換器電路(例如，降壓轉換器電路)包含電感器，電感器在第一狀態期間耦合至輸入電壓，電感器在第二狀態期間放電。負載耦合至電感器。負載包含與電阻器並聯耦合之至少一電化學電容。功率轉換器電路的輸出電壓小於輸入電壓。至少一電化學電容具有至少一毫法拉(mF)的電容值及小於一仟赫茲的切換頻率。至少一電化學電容可以與功率轉換器電路單晶片地整合。負載包含與電容並聯地耦合的電化學電容。電化學電容設計成低頻性能(例如，小於1仟赫茲)以及電容設計成 高頻性能。
圖15顯示根據本發明的一實施例之倍壓器電路的電路圖。倍壓器電路1500是電路700的修改版本。電路1500包含輸入的電化學電容CI、跨越開關S2和S3之電化學電容CF、以及輸出電化學電容CO。在一實施例中，輸出電壓VO等於約輸入電壓Vin的二倍。當時脈訊號1512高時(邏輯1)開關S1及S3閉合以及當時脈訊號1512低時(邏輯0)開關S1及S3斷開。當時脈訊號1514高時(邏輯1)開關S2及S4閉合以及當時脈訊號1514低時(邏輯0)開關S2及S4斷開。倍壓器電路具有約50%的工作循環。
圖16顯示根據本發明的一實施例之電壓反向器電路的電路圖。電壓反向器電路1600是電路700的修改版本。電路1600包含電化學電容CF及輸出電化學電容CB。在一實施例中，輸出電壓VO等於約反向的輸入電壓Vin(亦即，V0=-Vin)。當時脈訊號1612高時(邏輯1)開關S1及S3閉合以及當時脈訊號1612低時(邏輯0)開關S1及S3斷開。當時脈訊號1614高時(邏輯1)開關S2及S4閉合以及當時脈訊號1614低時(邏輯0)開關S2及S4斷開。電壓反向器電路具有約50%的工作循環。
圖17是流程圖，顯示根據本發明的一實施例之切換式電容電路的操作方法。藉由處理邏輯以執行方法1700，處理邏輯包含硬體(電路、專用邏輯、等等)、軟體(例如在一般用途電腦系統上或是專用機器或裝置上運行) 、或是二者的結合。在一實施例中，方法1700是由此處所述的電路(例如電路700)、裝置或系統相關連的處理邏輯所執行。
在方塊1702，當第二電化學電容串聯地耦合至第一電化學電容時，輸入電壓提供給電路以將第一電化學電容及第二電化學電容充電。在方塊1704，當第二電化學電容並聯地耦合至第一電化學電容時，電路的第一及第二電化學電容放電每一電化學電容可以具有至少一毫法拉(mF)的電容值及低於一仟赫玆的切換頻率。各電化學電容具有小於一佰赫茲或替代地小於十赫茲的切換頻率。在一實施例中，電路的輸出電壓約等於輸入電壓乘以固定比值，固定比值是選自下述比值：1/2、2/3、及1/3。
圖18是方塊圖，顯示根據本發明的實施例之行動電子裝置1800。如圖18所示，行動電子裝置1800包含基底1810，在基底1810上配置有微處理器1820及具有與微處理器1820相關連的能量儲存裝置1831之轉換器1830(例如，轉換器電路、切換式電容電路、電路600、電路700、電路800、電路900、電路1200、電路1300、電路1400、電路1500、電路1600、等等)。如同實線所示，轉換器1830及能量儲存裝置1831設於基底1810上遠離微處理器1820。如虛線所示，具有能量儲存裝置的轉換器也設於微處理器1820本身之上或之下。在一實施例中，能量儲存裝置1831包含藉由固態或半固態電解質層而彼此分離的第一及第二導電結構。在實施例中，固態或半 固態電解質層穿入第一及第二導電結構中任一或二者的多孔結構。在實施例中，第一及第二導電結構中之一包含含有多通道的多孔結構。舉例而言，本實施例類似於圖1-5及附帶文字中所述的實施例中之一或更多。
在至少某些實施例中，能量儲存裝置1831是含於行動電子裝置1800之內的眾多能量儲存裝置(所有這些裝置在圖18中以方塊1831表示)中之一。在這些實施例中之一或更多中，行動電子裝置1800又包含與能量儲存裝置相關連的切換網路1840。當電容正放電時，其未維持固定電壓，相反地以指數方式衰減(與在放電期間電壓維持相當固定的電池不同)。切換網路1840包含切入及切出各式各樣的電容之某些其它機構或電路，以致於維持相當固定的電壓。舉例而言，能量儲存裝置最初彼此並聯，然後，在衰減某電壓量之後，由切換網路改變能量儲存裝置的子集合成為串聯，以致於它們的個別電壓貢獻能將下降的整體電壓升壓。在一實施例中，使用此技藝中所使用的現有矽裝置技術(例如，電晶體、矽控制整流器(SCR)、等等)，實施切換網路1840，而在其它實施例中，使用微機電系統(MEMS)繼電器或開關(值得注意的是傾向於具有很低的電阻)，實施切換網路1840。
在某些實施例中，行動電子裝置1800又包含與能量儲存裝置1831相關連的感測器網路1850。在至少某些實施例中，各能量儲存裝置將具有它自己的感測器，標示能量儲存裝置的某些行為參數。舉例而言，感測器標示現有 的電壓位準以及進行中的放電響應，這二者都是可由切換網路使用的參數，特別是在使用的介電材料(或是其它電絕緣體)不是線性的但具有隨著電壓而變的介電常數之情形中，有利的是包含有限狀態機以及感測器網路，有限狀態機可為例如知道介電質的行為為何以及據此以作回應之電壓控制單元1860。知道介電質如何行為之電壓控制單元能補償任何非性線。也包含與能量儲存裝置1831相關連的溫度感測器1870，以感測溫度(或其它安全有關的參數)。在本發明的某些實施例中，行動電子裝置1800又包含下述之一或更多：顯示器1881、天線/射頻(RF)元件1882、網路介面1883、資料登錄裝置1884(例如，小鍵盤或觸控螢幕)、麥克風1885、相機1886、投影機1887、全球定位系統(GPS)接收器1888、等等。
圖19是方塊圖，顯示根據本發明的實施例之微電子裝置1900。如圖19所示，微電子裝置1900包含基底1910、在基底1910上的微處理器1920、及與微處理器1920相關連的轉換器1930。轉換器1930(例如，轉換器電路、切換式電容電路、電路600、電路700、電路800、電路900、電路1200、電路1300、電路1400、電路1500、電路1600、等等)包含能量儲存裝置1931。如同實線所示般，轉換器及能量儲存裝置遠離微處理器1920設於基底1910上(例如，晶粒側電容、或是在矽橋上)，或是如同虛線所示般，其設於微處理器1920之上或之下(例如，在微處理器上方的堆積層中)。能量儲存裝置也整合於 微電子裝置的殼中。
在一實施例中，處理器(例如，微處理器1920)包含轉換器電路1930以提供電源給處理器。轉換器電路包含第一電化學電容及耦合至第一電化學電容的第二電化學電容，第一電化學電容在藉由處於閉合位置的開關而耦合至輸入電壓時充電至輸入電壓。第二電化學電容提供輸出電壓以作為電源。各電化學電容具有至少一毫法拉(mF)的電容值。各電化學電容具有小於一仟赫茲的切換頻率。各化學電容可以與處理器單晶片地整合，如同所示，轉換器1930及能量儲存裝置(例如，一或更多電化學電容1931)設於微處理器1920之內。
此處所揭示的能量儲存裝置在某些實施例中作為微電子裝置1900之內的去耦合電容一較小及為了此處以外所述的理由而比現存的去耦合電容提供更加高的電容及更加低的阻抗。如同已述般，能量儲存裝置1930是支援積體電路(IC)或晶片的一部份或是設於微處理器晶粒本身之上或之下。舉例而言，根據本發明的實施例，能夠在微處理器晶粒上形成多孔矽(或類似者，如上所述)，然後正好在微處理器晶粒的基底上產生高表面積嵌入式去耦合電容。由於矽的多孔性，嵌入式電容將具有很高的表面積。用於揭示的能量儲存裝置之其它可能包含作為記憶體儲存元件(其中，具有嵌入式DRAM方式的Z方向尺寸之問題藉由大幅地增加每單位面積的法拉而解決)或是作為升壓電路中的電壓轉換器的組件，可能與電路區塊、個別微處 理器核心等等一起使用。
舉例而言，由於電路的一些部份有時在某(相當低)電壓額定地運作，但接著在需要更高電壓以增加速度(例如，快取記憶體、輸入/輸出(I/O)應用)之處，電壓會被升壓至更高的值，所以，更高的電容值在此環境中是有利的。相較於每一處使用更高電壓的情形，此種操作設計是較佳的，亦即，在僅有小量電路要求更高電壓之情形中，可能較佳的是，為了該小部份的電路而從較低的基線電壓升壓，而不是為了大部份的電路而從更高基線值降低電壓。未來的微處理器世代也利用此處所述的型式的電壓轉換器。具有更電容可以圍繞封裝或是圍繞微處理器晶片佈置將有助於解決圍繞電路傳送電壓之電晶體之間無法容忍的高電感的現有議題。
雖然已參考具體實施例以說明本發明，但是，習於此技藝者將瞭解，在不悖離本發明的精神或範圍之下，可以作出各種改變。因此，本發明的實施例揭示是說明本發明的範圍而不是限定性的。本發明的範圍僅受限於後附的申請專利範圍所要求的程度。舉例而言，習於此技藝者，將清楚知道，此處所述的能量儲存裝置及相關的結構和方法可以以各式各樣的實施例實施，以及，這些實施例中的某些實施例的前述說明不一定代表所有可能實施例的完全說明。
此外，已說明與具體實施例有關的優點、其它利益、以及問題的解決。但是，優點、其它利益、問題的解決 、以及促使任何優點、利益、以及問題的解決發生或是變成更顯著之元件不應被解釋成任何或所有專利申請範圍請求項之關鍵的、要求的、或是必要的特點或元件。
此外，假使實施例及/或限定為：(1)未明確地於申請專利範圍中主張；以及(2)均等論之申請專利範圍中明確表示的元件及/或限定的均等或可能的均等時，在奉獻理論下，此處揭示的實施例及限定非奉獻於公眾。
700‧‧‧分壓電路
712‧‧‧時脈訊號
714‧‧‧時脈訊號

Claims (26)

  1. 一種電路，包括：第一電化學電容；以及第二電化學電容，經由開關手段耦合至該第一電化學電容，其中該開關手段用以當該第二電化學電容串聯地耦合至該第一電化學電容時，將該第一電化學電容及該第二電化學電容充電；以及當該第二電化學電容並聯地耦合至該第一電化學電容時，將該第一及第二電化學電容放電，其中各電化學電容與該電路單晶片地整合。
  2. 如申請專利範圍第1項之電路，其中，各電化學電容具有至少一毫法拉(mF)的電容。
  3. 如申請專利範圍第1項之電路，其中，各電化學電容具有小於一仟赫茲的切換頻率。
  4. 如申請專利範圍第1項之電路，其中，各電化學電容具有小於一佰赫茲的切換頻率。
  5. 如申請專利範圍第1項之電路，其中，各電化學電容包括成對的多孔半導體結構，各多孔半導體結構含有載入於眾多毛孔中的電解質；以及固態或半固態電解質層，分離該成對的多孔半導體結構以及穿入該成對的多孔半導體結構，其中，各電化學電容根據平面的及淺的毛孔而具有超低的有效串聯電阻。
  6. 如申請專利範圍第1項之電路，其中，該電路的輸出電壓約等於該電路的輸入電壓乘以固定比值。
  7. 如申請專利範圍第6項之電路，其中，該固定比值是選自下述比值：1/2、2/3、及1/3。
  8. 如申請專利範圍第1項之電路，其中，該電路為多相位轉換器。
  9. 如申請專利範圍第1項之電路，其中，該電路為多相位升壓轉換器。
  10. 如申請專利範圍第1項之電路，其中，該等電化學電容被設計成具有多孔半導體結構。
  11. 如申請專利範圍第1項之電路，其中，該電路為倍壓器電路。
  12. 如申請專利範圍第1項之電路，其中，該電路併入於電子裝置之內，該電路與微處理器被整合至矽基底上。
  13. 如申請專利範圍第1項之電路，其中，該電路為電壓反向器電路。
  14. 一種切換式電容電路的操作方法，包括：當一第二電化學電容串聯地耦合至一第一電化學電容時，提供輸入電壓以將該第一電化學電容及該第二電化學電容充電；以及當該第二電化學電容並聯地耦合至該第一電化學電容時，將該第一及第二電化學電容放電，其中各電化學電容整合至矽基底。
  15. 如申請專利範圍第14項之方法，其中，各電化學電容具有至少一毫法拉(mF)的電容。
  16. 如申請專利範圍第14項之方法，其中，各電化學電容具有小於一仟赫茲的切換頻率。
  17. 如申請專利範圍第14項之方法，其中，各電化學電容具有小於一佰赫茲的切換頻率。
  18. 如申請專利範圍第14項之方法，其中，該輸出電壓約等於輸入電壓乘以固定比值，該固定比值是選自下述比值：1/2、2/3、及1/3。
  19. 一種功率轉換器電路，包括：一電感器，當在第一狀態期間耦合至輸入電壓時充電，以及在第二狀態期間放電；以及一負載，耦合至該電感器，該負載包含並聯地耦合至一電阻器的至少一電化學電容，其中該至少一電化學電容與該功率轉換器電路單晶片地整合。
  20. 如申請專利範圍第19項之功率轉換器電路，其中，該至少一電化學電容具有至少一毫法拉(mF)的電容。
  21. 如申請專利範圍第19項之功率轉換器電路，其中，該至少一電化學電容具有小於一仟赫茲的切換頻率。
  22. 如申請專利範圍第19項之功率轉換器電路，其中，該功率轉換器電路為降壓轉換器。
  23. 如申請專利範圍第19項之功率轉換器電路，其中，該至少一電化學電容包括第一電化學電容及第二電化學電容，該第一電化學電容與該第二電化學電容並聯地耦合，該第一電化學電容設計成用於低頻性能，以及，該第 二電化學電容設計成用於高頻性能。
  24. 一種微處理器，包括：轉換器電路，提供電源給該微處理器，該轉換器電路包括：第一電化學電容；以及第二電化學電容，經由開關手段耦合至該第一電化學電容，其中該開關手段用以當該第二電化學電容串聯地耦合至該第一電化學電容時，將該第一電化學電容及該第二電化學電容充電；以及當該第二電化學電容並聯地耦合至該第一電化學電容時，將該第一及第二電化學電容放電，其中各電化學電容與該微處理器單晶片地整合。
  25. 如申請專利範圍第24項之微處理器，其中，各電化學電容具有至少一毫法拉(mF)的電容。
  26. 如申請專利範圍第24項之微處理器，其中，各電化學電容具有小於一仟赫茲的切換頻率。
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