TWI721410B - 操作開關電容器電壓調節器之方法、操作調節器之方法以及開關電容器電壓調節器 - Google Patents

操作開關電容器電壓調節器之方法、操作調節器之方法以及開關電容器電壓調節器 Download PDF

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Abstract

提供用於提高開關電容器電壓調節器效率之技術。於一範例中，一開關電容器電壓調節器可包括一開關電容器網路，其具有多個增益配置、一時脈，其係經配置為於充電狀態與放電狀態之間對開關電容器網路之電容器進行切換以提供一縮放輸出電壓時脈，以及一控制器，其經配置以選擇與多個增益配置之增益相關聯之電容器配置以提供於一期望輸出電壓範圍內之縮放輸出電壓，同時持續切換電容器配置，並中斷電容器配置之切換以允許開關電容器電壓調節器之輸出電壓降至低於縮放輸出電壓，但仍維持高於期望輸出電壓範圍之下限，以藉由減少因切換造成之損耗進行節電。

Description

操作開關電容器電壓調節器之方法、操作調節器之方法 以及開關電容器電壓調節器
本文件通常但不限於電壓調節器，具體而言，係有關開關電容器電壓調節器之節電技術。
降壓調節器通常用於依賴有限能源例如電池或電容器之應用中，然而，其他應用亦利用降壓調節器。極低功率(ULP)系統通常包括降壓調節器，因為降壓調節器較例如線性穩壓器更有效率。某些極低功率系統可處於待機模式遠多於活動模式(active mode)，因此，具有可於待機模式下支持些許微安培負載之高效功率轉換器可大幅增加電池壽命。
一種操作開關電容器電壓調節器以將位於一輸入節點之輸入電壓位準轉變為位於一輸出節點之輸出電壓之方法，該方法藉由允許於當該開關電容器電壓調節器之電容器自該輸入節點接收電荷時之一輸入電容器配置與當該電容器向該輸出節點提供電荷時之一輸出電容器配置之間進行開關電容器重 新配置，該方法包含：接收該輸入電壓位準。反覆選擇複數個電容器配置設定之電容器配置設定以於一期望輸出電壓範圍內提供縮放輸出電壓。同時持續切換各經選擇之電容器配置，其中反覆選擇電容器配置設定包括：當最後電容器配置設定無法將輸出電壓穩定於期望輸出電壓範圍內時，選擇一新電容器配置設定。當新電容器配置設定之電容器配置將輸出電壓穩定於期望輸出電壓範圍內時，結束反覆選擇電容器配置設定。該方法還包含：中斷電容器配置之切換以允許輸出電壓降至低於縮放輸出電壓但仍維持高於期望輸出電壓範圍之一下限，藉以透過減少因切換造成之損耗以進行節電。
一種操作調節器之方法，具有開關電容器陣列之調節器經設置以接收輸入電壓並提供輸出電壓作為輸入電壓之比例版本，該方法包含：透過利用第一高電壓限制、低電壓限制與時脈，決定調節器之複數個比例因數之一比例因數，其中第一高電壓限制、低電壓限制與時脈經配置以當時脈經啟用時切換該開關電容器陣列，比例因數經設置以於第一高電壓限制與低電壓限制之間提供額定輸出電壓位準。於該比例因數經決定後建立第二高電壓限制，其中第二高電壓限制低於第一高電壓限制。當輸出電壓位於或高於第二高電壓限制時禁用時脈。當輸出電壓位於或低於低電壓限制時啟用時脈。響應於計時器之一期滿反覆決定第二比例因數。
一種開關電容器電壓調節器包含：開關電容器網路、時脈及控制器。開關電容器網路具有多個增益設置。時脈經設置於充電狀態與放電狀態之間切換開關電容器網路之電容器以提供縮放輸出電壓。控制器經設置以反覆決定與多個增益配置之增益相關聯之電容器配置以於期望輸出電壓範圍內提供縮放輸出電壓，同時持續切換電容器配置，並且中斷電容器配置之切換以允許開 關電容器電壓調節器之輸出電壓降至低於縮放輸出電壓，但仍維持高於期望之輸出電壓範圍之下限以，藉以透過減少因該切換造成之損耗以進行節電。
100:開關電容器調節器
102:負載
103:開關電容器網路
104:時脈電路
105:控制器
106:振盪器
107:動態分壓器
108:電壓監控器
109:比較器
110:非重疊時脈產生器
200:範例方法
201~203:方塊
300:範例方法
301~309:方塊
401~405:間隔
於該等圖式中，其未必按比例所繪製，相同標號於不同示圖中可描述相似組件。具有不同字尾之相似標號可表示相似組件之不同範例。該等圖式僅透過範例進行描述，而非用以限制於此所述之本發明各種實施例。
圖1描繪通常用於提高開關電容器調節器向負載供電之效率之範例電路。
圖2描繪通常用於操作開關電容器電壓調節器以節省能源之範例方法之流程圖。
圖3描繪操作開關電容器調節器以節省能源之範例方法之流程圖。
圖4A根據本發明主題各層面，以圖形方式描繪一範例開關電容器電壓調節器之輸出電壓與輸出電流。
圖4B根據本發明主題各層面，以圖形方式描繪其他一範例開關電容器電壓調節器之輸出電壓與輸出電流。
圖5A根據本發明主題各層面，描繪開關電容器電壓轉換器之開關電容器網路之一範例配置。
圖5B根據本發明主題各層面，描繪開關電容器電壓轉換器之開關電容器網路之其他一些範例配置。
圖6為根據某些範例表示圖5A至5B之轉換器之等效電路說明圖。
現存極低功率調節器具有很大差異。開關電容器調節器似乎為最常見之架構，與活動作業相比，電池供電裝置經設計以產生大量待機操作。開關電容器調節器之控制亦可變化。更常見之控制選擇可包括遲滯控制或輸出電壓控制。當輸出電壓達到下限時通常將啟動開關電容器調節器之遲滯控制，然後當輸出電壓達到上限時禁用。此種控制確保輸出電壓與上限及下限相關。於某些設計中，具有遲滯控制之調節器可包括電池監控器以當電池電壓改變時允許增益調節。若增益選擇受限，則效率可於可能之電池電壓範圍內發生顯著變化。此外，遲滯控制之調節器通常不監控於輕負載時導致顯著功率損耗之負載電流。
採用輸出電壓控制之極低功率調節器可根據輸出電壓調整調節器之增益。此種控制允許間接考慮電池電壓與負載電流之增益選擇。此控制器通常提供更多增益以自其中選擇有助於在寬範圍之輸出電壓或電池電壓上提高效率之增益。
本發明人已認知一種改進控制方法，允許提高開關電容器降壓調節器之效率。通常，發明人已認知到，當利用開關電容器降壓調節器時，可利用以下三種因素以使由電池提供之功率最小化：
(1)選擇複數個線性分佈增益之一最小增益，其用於可於期望之上限與下限電壓之間產生恆定輸出電壓為了給定電池電壓與負載電流。此電壓限制可剛好位於最大電壓與最小電壓內，其中最小電壓允許包括調節器之裝置進行穩健與可預測之操作。
(2)保持調節器之輸出電壓接近電壓下限，並且
(3)減少調節器之損耗，例如僅在必要時切換調節器。
遲滯控制電路可滿足第三因素但不能滿足第一與第二因素。根據輸出電壓之控制可滿足第一因素。於某些版本中，透過足夠之增益選擇，利用輸出電壓控制之開關電容器調節器可能滿足第二因素。然而，開關電容器、輸出電壓控制調節器無法滿足第三因素，因為此種控制電路會持續切換調節器。
可用數學方法模擬一電池供電降壓調節器，例如由V OUT =A．V BAT , (等式1)
I BAT =A．I LOAD , (等式2)其中A為調節器之增益並且小於1，V OUT 為調節器之輸出電壓，V BAT 為供予調節器之電池電壓，I BAT 為電池提供之電流，I LOAD 為連接至調節器輸出之負載所消耗之電流。
若包括調節器之阻抗(Z0)，則等式1為V OUT =A．V BAT -I LOAD ．Z 0 (等式3)從電池獲取之功率(PBAT)可表示為P BAT =V BAT ．I BAT =(V OUT +I LOAD ．Z 0)．I LOAD (等式4)
P BAT =V OUT ．I LOAD +(A．V BAT -V OUT )．I LOAD (等式5)
P BAT =A．V BAT ．I LOAD (等式6)負載電流(ILOAD)可表示為I LOAD =I FIXED +k．V OUT α , (等式7)其中α=1用於動態電流與更高次序之漏電。因此，從電池取用之部分功率取決於調節器之輸出電壓。於更精確模型中，從電池獲取之總功率亦可包括調節器 之損耗(PLOSS)，例如，由於寄生電容切換或非重疊時脈產生電路之連續操作。編輯以上等式，電池功率(PBAT)可表示為P BAT =A．V BAT ．(I FIXED +k．V OUT α )+P LOSS (等式8)其中k．V OUT α 為I LOAD 之V OUT 相關項，表示與調節器之輸出電壓V OUT 相關之電流；其中k為V OUT 相關項之係數，α表示V OUT 相關項之次序。發明人已認知與等式8中之k．
Figure 108115226-A0305-02-0008-15
相關之切換損耗可形成於調節器中進行增量節能改善之基礎。新控制電路使用以控制為基礎之經修改輸出電壓，以利用由均勻或線性散佈之增益設定及適應最小增益之能力產生之恆定輸出阻抗特性。該修改允許控制電路於選擇調節器之最小增益之後，建立比增益選擇上限電壓限制更低之電壓上限。該修改允許調節器提供輸出電壓，該輸出電壓平均低於與以所選增益連續操作之調節器相關聯之縮放電壓。以較低之電壓操作調節器並且產生較低電流將減少自電池獲取之功率。於某些範例中，於無需增加以現有輸出電壓為基礎之控制器之增益解析下可實現接近下限之輸出電壓範圍之控制。透過利用遲滯控制以調節輸出電壓更接近電壓下限可實現額外之功率節省，例如透過更低切換損耗。
此外，遲滯控制亦可透過增加時脈頻率以支持更高之負載，而不於較輕負載下產生更多損耗。採用接近下閾值(L)之新「較低」上電壓閾值或低功率閾值(H’)亦可確保調節器之開關時間比率(on-to-off time ratio)較低，因此進一步減少損耗。例如，一旦於調節器放電至較低閾值(L)之後將時脈切換為「啟動」，系統之等效RC網路之充電時間(例如，Z0Cload)隨著輸出電壓之上升呈指數增加(因此，與縮放電壓相比，保持H’較低係為有益)，而一旦調節器達到新較低上電壓閾值(H’)並經切換為「關閉」時，則電壓放電係為負 載電流與負載電容(Cload)之函數，並因此與時間呈線性關係。因此，透過將上電壓閾值(H)降低至低功率閾值(H’)，可顯著減少調節器之「啟動」時間。
圖1通常描繪範例性開關電容器電壓調節器100，其於向負載102供電時具有比傳統開關電容器調節器更高之效率。於範例中，開關電容器電壓調節器100可包括一開關電容器網路103或陣列、一時脈電路104與一控制器105。於某些範例中，控制器105可包括反饋電路或網路內之一動態分壓器107與一電壓監控器108。時脈電路104可包括一振盪器106、一比較器109與一非重疊時脈產生器110。開關電容器網路103可耦合至一電池電壓(Vbatt)並且可具有多個配置。各配置可與增益相關聯，使控制器105可選擇一特定增益以利用連續電流與位於預定電壓範圍內之縮放輸出電壓向負載102供電。時脈電路104可將開關電容器網路103之電容於充電狀態與放電狀態之間之切換定時，以提供輸出電壓(Vout)與負載電流。經由電壓監控器108，控制器105可接收電池電壓(Vbatt)與開關電容器網路103之輸出電壓(Vout)，並可選擇與一特定增益相關聯之電容器配置以提供位於期望或預定之輸出電壓範圍內之縮放輸出電壓，同時時脈電路104於充電狀態與放電狀態之間連續切換開關電容器網路103之電容器。
於某些範例中，控制器105可利用動態分壓器107以禁用時脈電路104或中斷開關電容器網路103之電容器配置之切換以允許輸出電壓(Vout)降至縮放輸出電壓以下，但仍保持於期望輸出電壓範圍之下限以上。於某些範例中，比較器109可根據動態分壓器107之輸出與參考電壓(Vref)之比較以啟用與禁用開關電容器網路103之計時。中斷開關電容器網路103之電容器切換， 同時不允許輸出電壓(Vout)降至期望或預定輸出電壓範圍之下閾值以下，可減少調節器100之切換損耗，同時亦提供接近允許負載正常操作所需之最小功率。
於某些範例中，控制器105可禁用時脈電路104以中斷開關電容器網路103之電容器配置之切換。於此種範例中，控制器105可於輸出電壓滿足或超過低功率閾值(H’)時中斷時脈。低功率閾值(H’)可顯著低於縮放輸出電壓或期望或預定輸出電壓範圍之電壓上限(H)。若負載電流保持穩定，如通常為當裝置處於低功率模式或睡眠模式時之情況，與開關電容器網路103保持於恆定切換模式時相比，負載102消耗之功率通常將以較低電壓與較低電流汲取下消耗。於某些範例中，可透過修改反饋電路以建立低功率閾值(H’)，例如透過動態重新配置動態分壓器107。於某些範例中，可針對低功率閾值(H’)修改動態分壓器107。使得於比較器109處，當實際輸出電壓(Vout)處於低上電壓閾值(H’)時，反饋電壓似乎處於期望或預定輸出電壓範圍之上限(H)。
當輸出電壓(Vout)處於低功率閾值(H’)時，於中斷時脈電路104之後，當輸出電壓(Vout)位準達到或低於期望或預定輸出電壓範圍之下限(L)時，控制器105可啟用時脈電路104。於某些範例中，若電流汲取改變例如增加，則調節器100之現有增益可能不允許輸出電壓(Vout)爬升至低功率閾值(H’)或者可能需要延長時間以達到低功率閾值(H’)。控制器105可包括定時器或計數器，以於時脈電路104經啟用後，超時一預期間隔，其輸出電壓(Vout)應返回至低功率閾值(H’)。當輸出電壓(Vout)達到低功率閾值(H’)時，可重置定時器或計數器。若定時器或計數器達到逾時值，則其可為增益失配問題之指示，並且可啟動調節器100之增益變化。於此種情況下，控制器105可改變動態分壓器107之一或多個增益或配置，以確保調節器100於期 望或預定輸出電壓範圍內之電壓下提供足夠之功率。於某些範例中，當電壓通過具有低於期望或預定輸出電壓範圍之下限(L)之數值之最小低電壓限制時，可偵測增益失配問題。
圖2通常描繪用於操作一開關電容器電壓調節器之範例方法200之流程圖。於201處，可選擇增益或電容器網路配置以向一負載提供縮放輸出電壓。當調節器於充電狀態與放電狀態之間連續切換經給定之電容器網路配置時，可確定增益或配置，並可於期望之輸出電壓範圍內提供縮放輸出電壓。於某些範例中，開關電容器調節器之控制器可反覆嘗試不同增益或電容器網路配置，直到調節器之輸出電壓穩定於期望之輸出電壓範圍內。例如，導致太高增益之配置通常試圖提供超過期望輸出電壓範圍之高電壓限制或閾值之縮放輸出電壓。相似地，導致過低增益之配置通常無法將輸出電壓維持於期望輸出電壓範圍之低電壓限制或閾值之上。於203處，一旦決定增益，即可建立低於期望輸出電壓範之高電壓限制之高效功率高電壓限制。當縮放輸出電壓高於高效功率高電壓限制時，可中斷或禁用調節器之電容器網路之切換。當禁用調節器之電容器網路之切換時，負載之電流汲取可放電並且系統之儲存能量與輸出電壓可降至期望輸出電壓範圍之低電壓限制。當調節器之輸出電壓降至低電壓限制時，可啟用調節器之電容器網路之切換以提升調節器之輸出電壓。
圖3通常描繪操作開關電容器調節器以節能之範例方法300之流程圖。於301處，可確定開關電容器電壓調節器之比例因數或增益。於某些範例中，可根據第一高電壓限制、低電壓限制及時脈決定比例因數。第一高電壓限制與低電壓限制可定義用於操作負載之期望輸出電壓範圍。於303處，可對開關電容器電壓調節器進行計時以向負載提供一輸出電壓。輸出電壓可落於期 望輸出電壓範圍內。於305處，可建立第二高電壓限制。第二高電壓限制可低於第一高電壓限制。於307處，當調節器之輸出電壓處於或高於第二高電壓限制時，可禁用開關電容器電壓調節器之電容器網路之切換，例如透過禁用時脈或驅動電容器網路之時脈電路。當禁用調節器之電容器網路之切換時，負載之電流汲取可放電並且系統之儲存能量與輸出電壓可降至期望輸出電壓範圍之低電壓限制。於309處，當電壓降至低電壓限制時，可啟用電容器網路之切換。與傳統相比，開關電容器電壓調節器之連續切換操作、第二高電壓限制之建立及電容器網路切換之中斷可藉由較低電壓與透過第二高電壓限制之負載之電流操作以節電，以及減少切換損耗，因為調節器並非連續切換。
圖4A與4B根據本發明主題之各層面分別以圖形方式描繪範例性開關電容器電壓調節器之輸出電壓與輸出電流。於間隔401處，開關電容器電壓調節器之控制器或控制邏輯可反覆應用不同電容器網路配置或增益或比例因數，以對位於由第一高電壓限制(H)與低電壓限制(L)定義之期望輸出電壓範圍內之負載提供一縮放輸出電壓。一旦確定增益，開關電容器電壓調節器即可於縮放輸出電壓下向負載供電，同時於充電狀態與放電狀態之間連續切換給定之電容器網路配置。於穩定操作之預定間隔402之後，例如可透過調節器之反饋路徑中之動態分壓器建立第二高電壓限制(H’)。第二高電壓限制可顯著小於第一高電壓限制(H)但仍高於低電壓限制(L)。於間隔403處，當輸出電壓處於或高於第二高電壓限制時，可中斷或禁用開關電容器電壓調節器之電容器網路之切換。當禁用調節器之切換時，並無電荷自電壓源傳遞至調節器之輸出端，因此負載之電流汲取可降低調節器之輸出電壓。當調節器之輸出電 壓處於或低於低電壓限制時，可啟用調節器之切換，並且可重複該循環以於減少電壓、減小電流以及減少切換下操作負載。
若負載之電流汲取發生改變例如於間隔404處增加，則此種增加可延遲或防止開關電容器調節器以與當負載電流汲取較低時相同之速率升高輸出電壓。該調節器之控制邏輯可監控已增加的延遲，其中該已增加的延遲處於啟用調節器之切換與當輸出電壓達到第二高電壓限制之間。若延遲長於一預定閾值，則調節器之控制邏輯可試圖建立增益以支持負載之增加電流汲取，並且該過程可重複，例如於間隔405。
圖5A至5B根據某些實施例，通常描繪於第一狀態、充電階段(圖5A)與第二狀態、放電階段(圖5B)期間耦合至電池電壓與負載之間之開關電容器電壓轉換器之開關電容器之範例配置。圖5A表示由電池電壓VH充電之充電配置中之開關電容器nC與mC。圖5B表示放電配置中開關電容器nC與mC，其中其等之放電對儲存電容器CL充電。轉換器包括分配至第一組與第二組之多個電容器。根據某些實施例，第一組可為「n組」，第二組可為「m組」。
更具體地，根據某些實施例，轉換器包括n+m開關電容器。如以下更全面地說明，包含n開關電容器之n組於「n-角色」中起作用，且包含m開關電容器之m組於「m-角色」中起作用。n組中之開關電容器之數量與m組中之開關電容器之數量係為可變以改變橫跨轉換器上之增益。參照圖5A，於充電階段期間，當m+n開關電容器以充電配置耦合時，經選擇於n組中之開關電容器與經選擇於m組中之開關電容器皆串聯耦合於電池電壓VH與接地之間。即n組中之開關電容器與m組中之開關電容器皆串聯耦合於電池電壓VH與接地之間。於充電階段期間，利用與負載並聯連接之儲存電容器CRes將低功率電壓位準與負載 電流IL施加至負載。於充電階段，n+m開關電容器自CRes上去耦合。參照圖5B，於放電階段期間，當m+n開關電容器以放電配置耦合時，經選擇於n組中之n開關電容器彼此並聯耦合且與CRes串聯，並且經選擇於m組中之m開關電容器彼此並聯耦合且與CRes並聯耦合。於放電階段期間，n組中之n開關電容器與m組中之m開關電容器上之電壓之放電對CRes上之電壓進行再充電。
如本文所用，於放電階段期間，n-角色指n開關電容器彼此並聯並與CRes串聯之配置。於充電階段期間，於n組中之各開關電容器透過至少一開關經配置成與於n組中起作用之各其他開關電容器並聯耦合，並與CRes串聯耦合。如本文所用，於放電階段期間，m-角色為指m開關電容器彼此並聯耦合並與CRes並聯耦合之配置。於放電階段，於m組中之各開關電容器透過至少一開關經配置成與於m組中之各其他開關電容器並聯耦合，並與CRes並聯耦合。根據某些實施例，於放電階段期間m組中之開關電容器係耦合，其等之極性相對於其等於充電階段期間之耦合呈反轉。
圖6為表示根據某些實施例，圖5A至5B之轉換器之等效電路之說明圖。電池端包括電池電壓VH與電池電流
Figure 108115226-A0305-02-0014-1
。負載端包括電壓
Figure 108115226-A0305-02-0014-2
、阻抗(Zout)、儲存電容器(CL)與負載電流源(IL)。
n組中之開關電容器數量與m組中之開關電容器數量隨著橫跨轉換器上之期望增益選擇性變化。然而，根據某些實施例，開關電容器之相同總數經用於各多個相異增益。此外，根據某些實施例，當於放電階段期間並聯耦合時，經選擇於m-角色中之m開關電容器之至少某些極性經反轉。
增益(A)如下所示
Figure 108115226-A0305-02-0015-3
須注意增益實質上隨n組中之開關電容器數量呈線性變化。
轉換器之輸出阻抗如下所示，
Figure 108115226-A0305-02-0015-4
數值(f)表示電容器切換之切換頻率；數值(C)為各開關電容器之電容值。須注意輸出阻抗與增益設定無關。因此，可確保轉換器之電壓下降實質上不隨增益變化之情形下改變增益，此有助於輸出電壓Vout之調節。
應當理解由於n電容器與m電容器之數量相加以得到輸出阻抗Z0，因此n組開關電容器與m組開關電容器經配置為如上述n-角色與m-角色之優點在於實質上用以實施電容器之所有積體電路(IC)區域皆有助於改善輸出阻抗。根據某些實施例，一旦給定之晶片區域作用為開關電容器塊，於許多電容器裝置中將其分開係為有益，以便產生多種相異增益。通常相異增益之數量愈大，於輸入電壓供應範圍內可實現之效率愈高。然而，由於增加更多開關電容器需要更多開關以對其等進行控制，因此增益數量會有所限制。
用於對開關電容器充電之電池電流如下所示，
Figure 108115226-A0305-02-0015-5
數值IL表示流經負載之由轉換器驅動之電流。須注意Ibat比IL少增益因子(A)。電池電流僅取決於負載電流，此意味於電容器之間不會發生電荷共享。
用以驅動負載由轉換器產生之輸出電壓(Vout)如下所示，
Figure 108115226-A0305-02-0016-6
轉換器之效率(ε)如下所示，
Figure 108115226-A0305-02-0016-7
[各種細節與範例]
如上詳細說明包括作為該詳細說明之一部分之參考附圖。該等附圖透過描繪方式顯示可實現本發明之具體實施例。該些實施例於此亦稱為「範例」。該等範例可包括除已顯示或已描述外之元件。然而，本發明人亦考量僅顯示或已描述之該些元件之範例。此外，本發明人亦考量使用該些已示或已述元件之任何組合方式或排列方式之範例(或其等至少一方面)，不論是相對一特定範例(或其等至少一方面)或所述其他範例(或其等至少一方面)。
若本文件與透過參考文獻所併入之任何文件間之用語使用不一致時，則以本文件之用語為主。
於本文件中，於專利文件中常見之用語「一」或「一個」係包括一個或多於一個，係獨立於「至少一」或「一或多個」之任何其他範例或用途。於本文件中，該用語「或」係用以指一非排他性用語，除非另有說明，否則如「A或B」係包括「A但非B」、「B但非A」，以及「A與B」。於本文件中，用語「包括」與「於其中」係分別作該用語「包含」與「其中」簡明英文之同義詞。此外，該等用語「包括」與「包含」係開放式，即一系統、裝置、物件、組合、配方或過程包括已列出之元件外之元件，亦落於所論述之本主題內。再 者，於例如可能出現於申請專利範圍中，該等語「第一」、「第二」與「第三」等僅作為標示，並不用於對該等標的施加數字意義上之要求。
於此所述之方法範例可至少部分地為機器或電腦所實施。某些範例可包括一電腦可讀取媒介或機器可讀取媒介，其等係編碼具有可操作以設置一電子裝置來以執行上述範例中所述之方法之指令。該方法之實施可包括編碼如微代碼(microcode)、彙編語言代碼(assembly language code)、更高級語言代碼等。該代碼可包括用以執行各種方法之電腦可讀取指令。該代碼可形成電腦軟體產品之一部分。此外，於一範例中，該代碼如於執行期間或其他時點可有形地儲存於至少一依電性(volatile)、非暫態或非依電性之有形電腦可讀取媒介上。該些有形之電腦可讀取媒介之範例可包括但不限於，硬碟、可移動磁碟、可移動式光碟(如，光碟與數位光碟)、磁帶、記憶卡或棒、隨機存取記憶體(random access memories，RAMs)、唯讀記憶體(read only memories，ROMs)等。
上述說明係為說明性而非限制性。例如，上述範例(或其等至少一層面)可彼此相組合使用。如該技術領域通常知識者於閱讀上述說明後可使用其他實施例。所提供之摘要係符合37 C.F.R.§1.72(b)之規定，並使讀者快速理解本發明所揭露技術之本質。應理解為，其非用以解釋或限制申請專利範圍之範圍或含義。此外，於上述詳細說明中，各種特徵可被分群以簡化本發明所揭露之內容。此不應被解釋為未見於申請專利範圍中之技術特徵對於任何本發明之申請專利範圍係相當重要的。相反地，本發明之目標主體可能比一特定揭露之實施例之所有特徵要來的少。因此，以下層面係併入至該詳細說明中作為 範例或實施例，其中各層面係各自作為一單獨實施例，且可預期該些實施例可以各種組合方式或排列方式彼此相組合使用。
100:開關電容器調節器
102:負載
103:開關電容器網路
104:時脈電路
105:控制器
106:振盪器
107:動態分壓器
108:電壓監控器
109:比較器
110:非重疊時脈產生器

Claims (26)

  1. 一種操作一開關電容器電壓調節器之方法，用以將位於一輸入節點之一輸入電壓位準轉變為位於一輸出節點之一輸出電壓，該方法藉由允許於當該開關電容器電壓調節器之電容器自該輸入節點接收電荷時之一輸入電容器配置與當該電容器向該輸出節點提供電荷時之一輸出電容器配置之間進行開關電容器重新配置，該方法包含：接收該輸入電壓位準；反覆選擇複數個電容器配置設定之電容器配置設定以於一期望輸出電壓範圍內提供一縮放輸出電壓，同時持續切換各經選擇之電容器配置，其中反覆選擇該電容器配置設定包括：當最後一電容器配置設定無法將該輸出電壓穩定於該期望輸出電壓範圍內時，選擇一新電容器配置設定；以及當該新電容器配置設定之一電容器配置將該輸出電壓穩定於該期望輸出電壓範圍內時，結束反覆選擇該電容器配置設定，以及中斷該電容器配置之切換以允許該輸出電壓降至低於該縮放輸出電壓但仍維持高於該期望輸出電壓範圍之一下限，藉以透過減少因該切換造成之損耗以進行節電。
  2. 如請求項1所述之操作一開關電容器電壓調節器之方法，其中該電容器配置之切換的中斷係於低於該縮放輸出電壓之一第一電壓閾值時觸發。
  3. 如請求項2所述之操作一開關電容器電壓調節器之方法，其中該中斷包括選擇該開關電容器電壓調節器之一回饋電路之一動態分壓器以提供該第一電壓閾值。
  4. 如請求項3所述之操作一開關電容器電壓調節器之方法，其中該電容器配置之切換的該中斷包括當該輸出電壓位準達到或超過代表該第一電壓閾值之一第一數值時，禁用該開關電容器電壓調節器之一時脈。
  5. 如請求項4所述之操作一開關電容器電壓調節器之方法，其中該電容器配置之切換的該中斷包括當該輸出電壓位準達到或降至低於代表該下限之一第二數值時，啟用該開關電容器電壓調節器之該時脈。
  6. 如請求項2所述之操作一開關電容器電壓調節器之方法，包括當該輸出電壓位準於一第一間隔後無法達到或超過代表該第一電壓閾值之一第一數值時，選擇該回饋電路之一第二分壓器，其中該第一間隔開始於該開關電容器電壓調節器之切換經再啟用之後。
  7. 如請求項4所述之操作一開關電容器電壓調節器之方法，包括當該輸出電壓位準於該開關電容器電壓調節器之該時脈經啟用後之一第一間隔後無法達到或超過該第一數值時，選擇該回饋電路之一第二分壓器，其中該第二分壓器代表高於該第一電壓閾值之一第二電壓閾值。
  8. 如請求項7所述之操作一開關電容器電壓調節器之方法，包括於該時脈經啟用時，對該第一間隔重置一計時器。
  9. 如請求項1所述之操作一開關電容器電壓調節器之方法，包括響應於一計時器之一期滿，反覆再選擇一第二電容器配置。
  10. 如請求項1所述之操作一開關電容器電壓調節器之方法，其中該開關電容器電壓調節器之一輸出阻抗與該電容器配置設定無關。
  11. 如請求項1所述之操作一開關電容器電壓調節器之方法，其中該複數個電容器配置設定向該開關電容器電壓調節器提供多個均等分布之增益。
  12. 一種操作一調節器之方法，具有一開關電容器陣列之該調節器經設置以接收一輸入電壓並提供一輸出電壓作為該輸入電壓之比例版本，該方法包含：透過利用一第一高電壓限制、一低電壓限制與一時脈，決定該調節器之複數個比例因數之一比例因數，其中該時脈經配置以當該時脈經啟用時切換該開關電容器陣列，該比例因數經設置以於該第一高電壓限制與該低電壓限制之間提供一額定輸出電壓位準；於該比例因數經決定後建立一第二高電壓限制，其中該第二高電壓限制低於該第一高電壓限制；當該輸出電壓位於或高於該第二高電壓限制時禁用該時脈；當該輸出電壓位於或低於該低電壓限制時啟用該時脈；以及響應於一計時器之一期滿反覆決定一第二比例因數。
  13. 如請求項12所述之操作一調節器之方法，其中該決定該比例因數包括重新配置該開關電容器陣列直到該輸出電壓穩定於該第一高電壓限制與該第二高電壓限制之間。
  14. 如請求項13所述之操作一調節器之方法，其中該決定該比例因數包括當該輸出電壓穩定於該第一高電壓限制與該第二高電壓限制之間時，禁用該時脈。
  15. 如請求項12所述之操作一調節器之方法，其中該調節器係為一降壓調節器。
  16. 如請求項12所述之操作一調節器之方法，其中該調節器之一輸出阻抗與複數個比例因數之各比例因數相同。
  17. 如請求項12所述之操作一調節器之方法，其中該複數個比例因數之該比例因數係為平均分布。
  18. 一種開關電容器電壓調節器，包含：一開關電容器網路，其具有多個增益設置；一時脈，其經設置於一充電狀態與一放電狀態之間切換該開關電容器網路之電容器以提供一縮放輸出電壓；以及一控制器，其經設置以反覆決定與該多個增益配置之一增益相關聯之一電容器配置以於一期望輸出電壓範圍內提供該縮放輸出電壓，同時持續切換該電容器配置，並且中斷該電容器配置之切換以允許該開關電容器電壓調節器之一輸出電壓降至低於該縮放輸出電壓，但仍維持高於該期望之輸出電壓範圍之一下限以藉以透過減少因該切換造成之損耗以進行節電。
  19. 如請求項18所述之開關電容器電壓調節器，其中該開關電容器網路之一輸出阻抗與該多個增益配置之一經選擇之增益配置無關。
  20. 如請求項18所述之開關電容器電壓調節器，其中該多個增益配置係為平均分布。
  21. 如請求項18所述之開關電容器電壓調節器，其中該控制器經配置以禁用該時脈以中斷該電容器配置之切換。
  22. 如請求項21所述之開關電容器電壓調節器，其中該控制器經設置以當該輸出電壓達到或超過一第一電壓閾值時中斷該時脈，並且其中該第一電壓閾值低於該縮放輸出電壓。
  23. 如請求項22所述之開關電容器電壓調節器，其中該控制器經設置以選擇該開關電容器電壓調節器之一回饋網路之一動態分壓器以提供該第一電壓閾值。
  24. 如請求項23所述之開關電容器電壓調節器，其中該控制器經配置以當該輸出電壓達到或降至低於代表該下限之一數值時啟用該時脈。
  25. 如請求項24所述之開關電容器電壓調節器，其中當該開關電容器電壓調節器之該時脈經啟用後之一第一間隔後該輸出電壓沒有達到或超過該第一電壓閥值時，該控制器經配置以選擇該回饋網路之一第二分壓器，其中該第二分壓器代表高於該第一電壓閾值之一第二電壓閾值。
  26. 如請求項18所述之開關電容器電壓調節器，其中該控制器經配置以響應於一計時器之一期滿反覆決定與該多個增益配置之一第二增益相關聯之一第二電容器配置，該計時器係於一先前電容器配置之決定後啟動。
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