TWI821778B - 用於可重新組態狄克生星形切換電容式電壓調節器之裝置、系統與方法 - Google Patents

用於可重新組態狄克生星形切換電容式電壓調節器之裝置、系統與方法 Download PDF

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Abstract

本發明展示一種可重新組態狄克生星形SC調節器，其可藉由在各種模式之間重新組態來支援多個轉換比。該可重新組態狄克生星形SC調節器經設計以藉由跨多個操作模式(跨多個轉換比)重用電容器及開關而減少冗餘電容器之數目。本發明亦展示一種混合(例如，兩級)電壓調節器。

Description

用於可重新組態狄克生星形切換電容式電壓調節器之裝置、系統與方法
本發明係關於用於提供一可重新組態狄克生星形切換電容式電壓調節器及/或提供一混合(例如，兩級)電壓調節器之裝置、系統及方法。
強烈需要減小電子系統之大小。在其中空間係關鍵之行動電子器件中尤其期望減小大小，但在放置於大的資料中心中之伺服器中亦期望減小大小，因為將儘可能多的伺服器擠入固定面積中係重要的。
電子系統中之最大組件之一者包含電壓調節器(亦稱為功率調節器)。功率調節器通常包含用以將電壓遞送至積體晶片之較大數目個龐大晶片外組件，包含處理器、記憶體器件(例如，一動態讀取存取記憶體(DRAM))、射頻(RF)晶片、WiFi組合式晶片及功率放大器。因此，可期望減小電子系統中之電壓調節器之大小。
功率調節器包含半導體晶片，諸如一DC-DC調節器晶片，其將來自一電源(例如，一電池)之功率遞送至一輸出負載。輸出負載可包含一電子器件中之各種積體晶片(例如，一應用處理器、一DRAM、一NAND快閃 記憶體)。為高效率地遞送功率，一電壓調節器可使用一「降壓」拓撲。此一調節器被稱為一降壓調節器。一降壓調節器使用一電感器將來自電源之電荷轉移至輸出負載。一降壓調節器可使用電力開關將電感器連接至多個電壓之一者/使電感器與多個電壓之一者斷開連接，藉此提供一輸出電壓(其係多個電壓之一加權平均值)。一降壓調節器可藉由控制電感器耦合至多個電壓之一者之時間量來調整輸出電壓。
不幸地，一降壓調節器不適合於高度整合之電子系統。特定言之，當功率轉換比較高且當由輸出負載消耗之電流量較高時，一降壓調節器之轉換效率取決於電感器之大小。由於一電感器可佔據較大面積且對於整合在晶粒上或封裝上係龐大的，故現有降壓調節器通常使用較大數目個晶片外電感器組件。此策略通常需要印刷電路板上之較大面積，此繼而增大電子器件之大小。隨著行動系統單晶片(SoC)變得更複雜且需要由電壓調節器遞送不斷增大數目個電壓域而加劇挑戰。
所揭示標的物之一些實施例包含一種電壓調節器，其用於將一輸入終端處之一輸入電壓調節至一輸出終端處之一輸出電壓。該調節器包含具有一第一電容器子矩陣及一第二電容器子矩陣之一電容器矩陣。該調節器亦包含具有一第一開關子矩陣、一第二開關子矩陣、一第三開關子矩陣、一第四開關子矩陣及一第五開關子矩陣之一開關矩陣。該第一電容器子矩陣中之一電容器透過該第一開關子矩陣中之一相關聯開關耦合至該輸出終端且透過該第二開關子矩陣中之一相關聯開關進一步耦合至一接地終端。該第二電容器子矩陣中之一電容器透過該第三開關子矩陣中之一相關聯開關耦合至該輸出終端且透過該第四開關子矩陣中之一相關聯開關進一步耦 合至該接地終端。又，該第五開關子矩陣具有串聯配置在該輸入終端與該輸出終端之間的N數目個開關，且該第五開關子矩陣中之各開關連接至該第一電容器子矩陣中之一相關聯電容器及該第二電容器子矩陣中之一相關聯電容器。開啟該第五開關子矩陣中最接近於該輸入終端之K數目個開關以重新組態該電壓調節器以提供(N-K)：1之一轉換比，其中K係小於N之一非負值。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該開關矩陣經組態以按一預定工作循環在一第一組態與一第二組態之間交替，同時保持該K數目個開關開啟，以便按(N-K)：1之該轉換比將該輸入電壓調節至該輸出電壓。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該K數目個開關之一者經組態以平行化連接至該K數目個開關之該一者之該第一電容器子矩陣中之一個電容器及該第二電容器子矩陣中之一個電容器。
在本文中揭示之一或多項實施例中，使用一相同開關信號來控制耦合至該第一電容器子矩陣中之該一個電容器之該第二開關矩陣中之一第一開關及耦合至該第二電容器子矩陣中之該一個電容器之該第四開關矩陣中之一第二開關。
在本文中揭示之一或多項實施例中，使用一相同開關信號來控制耦合至該第一電容器子矩陣中之該一個電容器之該第一開關矩陣中之一第一開關及耦合至該第二電容器子矩陣中之該一個電容器之該第三開關矩陣中之一第二開關。
在本文中揭示之一或多項實施例中，K係零。
在本文中揭示之一或多項實施例中，K係N-1。
在本文中揭示之一或多項實施例中，K係在0至N-1之一範圍中之一 值。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該第五開關子矩陣中之開關數目係N。
所揭示標的物之一些實施例包含一種電壓調節器，其用於將一輸入終端處之一輸入電壓調節至一輸出終端處之一輸出電壓。該調節器包含具有一第一電容器子矩陣及一第二電容器子矩陣之一電容器矩陣。該調節器亦包含具有一第一開關子矩陣、一第二開關子矩陣及一第三開關子矩陣之一開關矩陣。該第一開關子矩陣中之一個開關耦合至該第一電容器子矩陣中之兩個相關聯電容器。該第二開關子矩陣中之一個開關耦合至該第二電容器子矩陣中之兩個相關聯電容器。該第三開關子矩陣具有串聯配置在該輸入終端與該輸出終端之間的N數目個開關，且該第三開關子矩陣中之各開關連接至該第一電容器子矩陣中之一相關聯電容器及該第二電容器子矩陣中之一相關聯電容器。開啟該第一開關子矩陣及該第二開關子矩陣中最接近於該輸入終端之K數目個開關(除連接至該輸入終端之該第一開關子矩陣中之一頂部開關以外)以重新組態該電壓調節器以提供(N-K)：1之一轉換比，其中K係小於N之一非負值。
在本文中揭示之一或多項實施例中，關閉該第三開關子矩陣中之K數目個開關(除連接至該輸入終端之該第三開關子矩陣中之一頂部開關以外)以重新組態該電壓調節器以提供(N-K)：1之該轉換比。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該開關矩陣經組態以按一預定工作循環在一第一組態與一第二組態之間交替，同時保持該第三開關子矩陣中之該K數目個開關開啟，以便按(N-K)：1之該轉換比將該輸入電壓調節至該輸出電壓。
在本文中揭示之一或多項實施例中，當K係一奇數時，在該第一組態及該第二組態兩者中關閉該第三開關子矩陣中之該頂部開關，且其中當K係一偶數時，在該第一組態及該第二組態兩者中關閉該第一開關子矩陣中之該頂部開關。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該第一電容器子矩陣中之各電容器透過一第一開關耦合至該接地終端且透過一第二開關耦合至該輸出終端。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該第二電容器子矩陣中之各電容器透過一第三開關耦合至該輸出終端且透過一第四開關耦合至該接地終端。
所揭示標的物之一些實施例包含一種裝置。該裝置包含用於重新組態一電壓調節器以將一轉換比自N：1修改為(N-K)：1之構件，其中K係小於N之一非負值。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該電壓調節器係一狄克生星形電壓調節器。
所揭示標的物之一些實施例包含一種電壓調節器，其經組態以接收一第一電壓信號且至少部分基於該第一電壓信號提供一最終電壓信號。該電壓調節器包含由一電感器構成之一切換電感式調節器，其中該電感器之一第一終端包括經組態以接收該第一電壓信號之該切換電感式調節器之一輸入終端，且該電感器之一第二終端包括經組態以提供一中間電壓信號之該切換電感式調節器之一輸出終端。該電壓調節器包含一步降調節器，其包括經組態以自該切換電感式調節器之該輸出終端接收該中間電壓信號之一輸入終端、一開關矩陣、複數個電容器及經組態以提供該最終電壓信號 之一輸出終端。該電壓調節器亦包含一控制模組，其經組態以導致該步降調節器中之該開關矩陣以一預定工作循環在一第一組態與一第二組態之間交替以將該複數個電容器分別配置成一第一配置及一第二配置，藉此亦使該切換電感式調節器中之該電感器工作循環。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該切換電感式調節器不具有開關。
在本文中揭示之一或多項實施例中，當該開關矩陣係在一第一組態中時，該中間電壓信號處於一第一電壓位準，且當該開關矩陣係在一第二組態中時，該中間電壓信號處於一第二電壓位準。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該第一電壓位準係該最終電壓信號之第一分數倍，且其中該第二電壓位準係該最終電壓信號之第二分數倍。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該步降調節器包括一狄克生星形切換電容式調節器。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該狄克生星形切換電容式調節器包括一可重新組態狄克生星形切換電容式調節器。
所揭示標的物之一些實施例包含一種電壓調節器，其經組態以接收一第一電壓信號且至少部分基於該第一電壓信號提供一最終電壓信號。該電壓調節器包含由一電感器構成之一切換電感式調節器，其中該電感器之一第一終端包括經組態以接收該第一電壓信號之該切換電感式調節器之一輸入終端，且該電感器之一第二終端包括經組態以提供一中間電壓信號之該切換電感式調節器之一輸出終端。該電壓調節器包含一步降調節器，其具有經組態以自該切換電感式調節器之該輸出終端接收該中間電壓信號之 一輸入終端及經組態以提供該最終電壓信號之一輸出終端。該電壓調節器亦包含一第一切換電容式調節器模組。該第一切換電容式調節器模組具有包括經組態以將該第一切換電容式調節器模組耦合至該步降調節器之該輸入終端之一第一開關之一開關矩陣及複數個電容器。該電壓調節器亦包含一第二切換電容式調節器模組。該第二切換電容式調節器包含包括經組態以將該第二切換電容式調節器模組耦合至該步降調節器之該輸入終端之一第二開關之一開關矩陣及複數個電容器。該電壓調節器亦包含一控制模組，其經組態以：導致該第一切換電容式調節器模組中之該開關矩陣以一第一工作循環在一第一組態與一第二組態之間交替以將該第一切換電容式調節器模組中之該複數個電容器分別配置成一第一配置及一第二配置；導致該第二切換電容式調節器模組中之該開關矩陣以該第一工作循環在一第三組態與一第四組態之間交替以將該第二切換電容式調節器模組中之該複數個電容器分別配置成一第三配置及一第四配置；及導致該第一開關及該第二開關按一第二工作循環交替地耦合該第一切換電容式調節器模組及該第二切換電容式調節器模組。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該第一切換電容式調節器模組及該第二切換電容式調節器模組異相操作。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該第一切換電容式調節器模組及該第二切換電容式調節器模組包括一相同切換電容式調節器拓撲。
在本文中揭示之一或多項實施例中，按該第二工作循環交替地耦合該第一切換電容式調節器模組及該第二切換電容式調節器模組導致該切換電感式調節器中之該電感器按該第二工作循環而工作循環。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該第二工作循環係0.5。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該控制模組經組態以判定該第一切換電容式調節器模組及該第二切換電容式調節器模組之交替耦合開始之一時間例項以提供該切換電感式調節器之一所要工作循環。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該電感器經提供為封裝上或板上之一離散組件。
所揭示標的物之一些實施例包含一種電子系統。該電子系統包含根據本文中揭示之一或多項實施例之一電壓調節器及耦合至該電壓調節器之一目標負載系統，其中該電壓調節器中之該步降調節器之該輸出終端耦合至該目標負載系統。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該目標負載系統包含一電池且該電壓調節器經組態以自一通用串列匯流排之一電力線接收該第一電壓信號且將該最終電壓信號提供至該電池。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該目標負載系統包括一系統單晶片(SoC)，且該SoC及該電壓調節器經封裝在一單一SoC封裝中。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該目標負載系統包括一系統單晶片(SoC)，且該SoC及該電壓調節器經提供在一印刷電路板(PCB)上。
所揭示標的物之一些實施例包含一種電子系統。該電子系統包含根據本文中揭示之一或多項實施例之一電壓調節器。該電壓調節器經組態以在一反向方向上操作，其中該電壓調節器中之該步降調節器之該輸出終端耦合至一輸入電壓源且該切換電感式調節器之該第一輸入終端耦合至該電壓調節器之一目標負載。
在本文中揭示之一或多項實施例中，在一反向方向上操作該電壓調節器之該電子系統經組態以將該電壓調節器操作為一步升調節器。
在本文中揭示之一或多項實施例中，該步降調節器之該輸出終端耦合至一電池且該切換電感式調節器之該輸入終端耦合至一通用串列匯流排之一電力線。
100:降壓調節器/降壓轉換器
102:電感器VX
104:第一電壓源VIN
106:輸出負載
108:電感器
110:調節器輸出/輸出電壓VOUT
112:電流
114:開關
116:開關
118:第二電壓源
120:電容器
122:接點
200:狄克生星形切換電容器(SC)調節器
202:輸入電壓/輸入電壓節點VIN
204:切換電容器C1FLY
206:切換電容器C2FLY
208:輸出電壓/輸出電壓節點VOUT
210:接地節點GND
212:輸出負載IOUT
214:解耦合電容器COUT
216:開關
218:開關
220:開關
222:開關
224:開關
226:開關
228:開關
400:可重新組態狄克生星形SC調節器
402:模式開關SW8
404:固定3：1狄克生星形SC調節器
406:模式開關矩陣
800:固定轉換比4：1狄克生星形SC調節器
802:切換電容器C3FLY
804:開關SW9
1000:4：1可重新組態狄克生星形SC調節器
1002:模式開關SW10
1004:模式開關SW11
1500:N：1可重新組態狄克生星形SC調節器
1600:可重新組態調節器
1602:模式開關SW12
1604:模式開關SW13
2200:調節器
2300:調節器
2400:調節器
2502:調節器
2504:第二級電壓調節器
2506:輸入電壓VTMP
2702:第一級電壓調節器
2704:SC調節器
2706:輸出VTMP/輸入電壓
2802:電感器
2804:切換電容器CFLY
2806:旁通開關SWI
3102:4：1SC調節器模組SC_ph0
3104:4：1SC調節器模組SC_ph1
3110:切換電容器C6FLY
3126:開關SW17
3130:電壓V1
3132:電壓V2
3302:時間例項
3400:計算器件
3402:處理器
3406:介面
3408:加速器
3410:電壓調節器系統
3412-1至3412-N:電壓調節器(VR)模組
當結合下列圖式考量時，參考所揭示標的物之以下詳細描述可更充分瞭解所揭示標的物之各種目的、特徵及優勢，其中相同元件符號識別相同元件。
圖1A至圖1B繪示一降壓調節器及其操作。
圖2展示一3：1步降狄克生星形SC調節器。
圖3A至圖3C繪示一3：1步降狄克生星形SC調節器之一操作。
圖4繪示根據一些實施例之可經重新組態以支援複數個轉換比之一例示性可重新組態狄克生星形SC調節器。
圖5A至圖5C繪示根據一些實施例之圖4中之可重新組態調節器針對3：1之轉換比之一操作。
圖6A至圖6C繪示根據一些實施例之圖4中之可重新組態調節器針對2：1之轉換比之一操作。
圖7A至圖7C繪示根據一些實施例之圖4中之可重新組態調節器針對1：1之轉換比之一操作。
圖8繪示一固定轉換比4：1狄克生星形SC調節器。
圖9A至圖9C展示4：1狄克生星形SC調節器之一操作。
圖10展示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器。
圖11A至圖11C繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一4：1轉換模式中之操作。
圖12A至圖12C繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一3：1轉換模式中之操作。
圖13A至圖13C繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一2：1轉換模式中之操作。
圖14A至圖14C繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一1：1轉換模式中之操作。
圖15A至圖15B繪示根據一些實施例之一N：1可重新組態狄克生星形SC調節器。
圖16繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器。
圖17A至圖17C繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一4：1轉換模式中之操作。
圖18A至圖18C繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一3：1轉換模式中之操作。
圖19A至圖19C繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一2：1轉換模式中之操作。
圖20A至圖20C繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一1：1轉換模式中之操作。
圖21A至圖21B繪示根據一些實施例之一N：1可重新組態狄克生星形SC調節器。
圖22至圖24繪示根據一些實施例之步升可重新組態狄克生星形SC調節器。
圖25繪示根據一些實施例之一兩級電壓調節系統，其中一SC調節器提供第一級電壓調節。
圖26A至圖26B繪示根據一些實施例之圖25之一實施例，其中第二級調節器係一降壓轉換器。
圖27繪示根據一些實施例之一兩級電壓調節系統，其中一SC調節器提供第二級電壓調節。
圖28A至圖28B繪示根據一些實施例之一兩級電壓調節器，其中第一級調節器僅由一電感器構成。
圖29A至圖29B繪示根據一些實施例之圖28中之一兩級調節器之一操作，其中SC調節器係一4：1狄克生星形切換電容器(SC)調節器。
圖30繪示根據一些實施例之第二級調節器之工作循環及VTMP之電壓擺動。
圖31繪示根據一些實施例之一兩級電壓調節系統，其中第二級調節器係一多相電壓調節器。
圖32繪示根據一些實施例之圖31中之開關電容器之間的相位關係。
圖33繪示根據一些實施例之允許維持第一級調節器之工作循環之一開關控制序列。
圖34係根據一些實施例之包含一電壓調節系統之一計算器件之一方塊圖。
圖35A至圖35C展示一N：1步降狄克生星形SC調節器在N：1轉換模式中之一操作。
相關申請案之交叉參考
本申請案根據35 U.S.C.§119(e)規定主張2016年4月18日申請之標題為「RECONFIGURABLE DICKSON STAR SWITCHED CAPACITOR VOLTAGE REGULATOR」之美國臨時申請案第62/324,091號之較早申請日期之權利，其之全部內容以引用的方式併入本文中。
關於聯邦贊助研究或開發之陳述
本發明在由國家科學基金會(NSF)授予之1353640及1519788下受政府支持而完成。政府具有對本發明之某些權力。
在以下描述中，關於所揭示標的物之裝置、系統及方法及其中可操作此等裝置、系統及方法之環境等提出數種具體細節，以便提供對所揭示標的物之一透徹理解。然而，熟習此項技術者將明白，可在不具有此等具體細節之情況下實踐所揭示標的物，且不詳細描述此項技術中熟知之某些特徵，以便避免所揭示標的物之複雜化。另外，將理解，下文提供之實例係例示性的，且預期存在處於所揭示標的物之範疇內之其他裝置、系統及方法。
現代電子系統已經緊密整合為將多個處理核心及異質組件(例如，記憶體控制器、硬體加速器)併入一單一晶片內之一系統單晶片(SoC)。SoC之普及加上更緊密功率預算促使按一區塊特定粒度來控制電壓及頻率。區塊特定電壓控制可允許電子系統僅升高期望更高效能之(若干)核心之電壓。此一區塊特定電壓控制可改良功率及/或效能。
然而，歸因於晶片外電壓調節器之成本及大小限制，已按一粗粒位準實行動態電壓及頻率按比例調整(DVFS)之傳統方法。再者，歸因於晶片外電壓調節器之緩慢速度，傳統DVFS方案受限於按微秒時間標度之一緩慢電壓/頻率按比例調整。以奈秒時間標度為單位之更快DVFS可藉由根據快速改變的計算需求密切追蹤SoC電壓而節省顯著更多由SoC消耗之功率。
鑑於晶片外電壓調節器之此等缺點，愈來愈關注構建整合式電壓調節器來減小板大小且實現奈秒時間標度、每核心DVFS。一IVR可包含各種電壓調節器，包含一切換調節器及一低壓降線性調節器。在由本申請案之發明人所作之文章中揭示可減小板大小且可實現奈秒時間標度、每核心DVFS之IVR，包含：由Wonyoung Kim等人在2008年2月發表於IEEE International Symposium on High-Performance Computer Architecture(HPCA)中之標題為「System Level Analysis of Fast,Per-Core DVFS using On-Chip Switching Regulators」之文章；由Hanh-Phuc Le等人在2011年9月發表於IEEE Journal of Solid-State Circuits(JSSC)中之標題為「Design Techniques for Fully Integrated Switched-Capacitor DC-DC Converters」之文章；及由Wonyoung Kim等人在2012年1月發表於IEEE Journal of Solid-State Circuits(JSSC)中之標題為「A Fully-Integrated 3-Level DC/DC Converter for Nanosecond-Scale DVFS」之文章，該等文章之各者之全部內容以引用的方式併入本文中。
一切換調節器可包含一降壓調節器。圖1A至圖1B繪示一降壓調節器及其操作。如在圖1A中繪示，降壓調節器100可包含一電感器108及兩個開關114、116。降壓調節器100可透過一組電力開關114、116將電感器108連接至一第一電壓源VIN 104及一第二電壓源118。在一些情況中，第二電壓源118可包含一接地電壓源。可使用外部輸入開啟及關閉電力開關114、116。在一些情況中，可控制電力開關114、116，使得不同時開啟兩個開關。電力開關114、116可包含電晶體。電晶體可包含一MOSFET電晶體。舉例而言，開關114可包含一P通道MOSFET電晶體；開關116可包含一N通道MOSFET電晶體。
如在圖1B中繪示，隨著在一週期T內開啟及關閉電力開關114、116，電感器VX 102之輸入可在一週期T內在0與VIN之間擺動。電感器108及電容器120操作為隨著時間平均化VX 102之一低通濾波器，藉此憑藉一小電壓漣波在調節器輸出VOUT 110處產生一信號。輸出電壓VOUT 110可取決於電感器108耦合至第一電壓源VIN 104之時間量及電感器108耦合至第二電壓源118之時間量。舉例而言，降壓調節器100可將VOUT 110之位準調整至VIND+(0V)(1-D)，其中D(在0與1之間的一數字)係VX耦合至VIN之時間部分。D亦被稱為一工作循環。消耗電流之輸出負載106可為任何類型之一電子器件，包含處理器、記憶體(DRAM、NAND快閃記憶體)、RF晶片、WiFi組合式晶片及功率放大器。
降壓調節器100之效率可計算為：
Figure 110141094-A0305-02-0016-1
 其中P L 指示遞送至輸出負載106之功率且P O 指示降壓調節器108之輸出功率。P L 可計算為如下：P L =P O -P LOSS ，其中P LOSS 包含電壓調節程序期間之功率損耗量。
與一降壓調節器100相關聯之主要功率損耗P LOSS 之一者包含由電感器108之寄生電阻引發之一電阻性損耗P R 。理想地，當降壓調節器100藉由提供電流112而將功率遞送至輸出負載106時，降壓調節器100將其輸出功率全部提供至輸出負載106。然而，在一實踐案例中，降壓調節器100在電感器108處內部地耗散一些其輸出功率。理想地，一電感器108具有零電阻。因此，通過電感器108之電流不會耗散任何功率。然而，在一實踐案例中，一電感器108與一有限電阻相關聯，此主要歸因於形成電感器108之材料之電阻。電感器108之此非所要有限電阻被稱為一寄生電阻。 寄生電阻可引發一電阻性功率損耗，因為寄生電阻可導致通過電感器108之電流耗散能量。因此，電阻性功率損耗可減小降壓調節器100之功率轉換效率。
當電流交替時，則電阻性功率損耗可計算為P R =IL,RMS 2RL，其中RL係電感器108之寄生電阻值，且IL,RMS係通過電感器108之電流之均方根。可藉由減少電感器電流(IL,PP 120)之峰間漣波而減小IL,RMS。因此，降壓調節器100可藉由減少電感器電流IL,PP 120之峰間漣波而減少電阻性損耗PR。
存在兩種方式來減少電感器電流IL,PP 120之峰間漣波。首先，降壓調節器100可按一高頻率切換且減小切換調節器之週期T。然而，此解決方案可增大為開關114、116之間的接點122處之寄生電容充電及放電所消耗之功率。此電容性功率損耗可為顯著的，因為開關114、116之大小可較大(此增大寄生電容)且因為VX 102上之電壓擺動較大。此電容性功率損耗可計算為如下：P C =fCV 2，其中C係接點122處之寄生電容量，f係降壓調節器100切換之頻率，且V係接點122處之電壓擺動。此功率損耗可為顯著的，因為開關114、116之大小較大(此增大寄生電容)且因為VX 102上之電壓擺動較大。
其次，降壓調節器100可使用具有一高電感值之一電感器108，藉此減小寄生電阻RL。然而，此方法使電感器108較大且難以整合。
一切換調節器亦可包含一切換電容式(SC)調節器。一SC調節器可使用一或多個電容器而非電感器以將來自一電源之電荷轉移至一輸出負載。一SC調節器可使用電力開關將一或多個電容器連接至多個電壓之一者/將一或多個電容器與多個電壓之一者斷開連接，藉此提供一輸出電壓(其係 多個電壓之一加權平均值)。SC調節器可藉由改變電容器彼此耦合之組態及序列而控制輸出電壓。由於電容器比電感器更易於整合在晶粒上或封裝上，故更易於實施具有一小大小之SC IVR。
一種類型之SC調節器係一狄克生星形SC調節器。在圖2中繪示一3：1步降狄克生星形SC調節器(經組態以使一輸入電壓位準除以1/3之一步降狄克生星形SC調節器)之一實例。相較於其他SC調節器拓撲，狄克生星形SC調節器具有若干優勢。首先，相較於其他SC調節器拓撲(諸如一梯型SC調節器)，其使用更少電容器。其次，相較於其他SC調節器拓撲(諸如一串聯至並聯SC調節器)，其可使用具有更低電壓額定值之電晶體作為開關。再次，相較於其他SC調節器拓撲(諸如一串聯至並聯SC調節器)，其可更易於按比例調整至更高輸入電壓。
一狄克生星形SC調節器200可包含：切換電容器C1FLY 204及C2FLY 206；及一開關矩陣，其包含複數個開關216至228，其等經組態以將切換電容器C1FLY 204及C2FLY 206電耦合至一輸入電壓節點VIN 202、一輸出電壓節點VOUT 208及一接地節點GND 210。輸出節點VOUT 208耦合至一輸出負載IOUT 212及一解耦合電容器COUT 214。
圖3A至圖3C繪示狄克生星形SC調節器200之基本操作。如在圖3C中展示，狄克生星形SC調節器200以一工作循環D隨著時間在State0(在圖3A中繪示)與State1(在圖3B中繪示)之間工作循環。工作循環(D)之值可為在0與1之間且較佳在0.25與0.75之間的任何值。
當切換電容器C1FLY 204及C2FLY 206足夠大時，跨此等切換電容器之電壓VC1FLY、VC2FLY分別在State0與State1之間保持大致恆定。另外，通常較大之解耦合電容器COUT 214始終耦合至輸出VOUT 208以減小輸出上之 雜訊。因此，輸出電壓在State0及State1中保持大致恆定。基於此等特性，可導出以下電壓關係：State0：VOUT 208+VC1FLY=VC2FLY
State1：VOUT 208=VC1FLY
State1：VOUT 208+VC2FLY=VIN 202藉由自此等關係消除VC1FLY及VC2FLY，可導出以下關係：VOUT 208=(1/3)x VIN 202
此展示在State0與State1之間交替提供一3：1步降電壓調節。此3：1步降狄克生星形SC調節器設計可延伸至一N：1步降狄克生星形SC調節器，其中N係大於3之一數字。
圖35A至圖35B展示一N：1步降狄克生星形SC調節器之拓撲及操作。N：1步降狄克生星形SC調節器可包含一電容器矩陣(亦稱為一電容器組)。電容器矩陣可包含一第一電容器子矩陣及一第二電容器子矩陣。第一電容器子矩陣中之電容器被稱為C(1,j)，其中第一索引「1」係指「第一」電容器矩陣，且第二索引「j」係指第一電容器子矩陣中之第j個電容器。同樣地，第二電容器子矩陣中之電容器被稱為C(2,j)。在圖4A至圖4B中，第一電容器子矩陣包含M數目個電容器；且第二電容器子矩陣包含K數目個電容器。M可等於floor(N/2)，且K可等於floor((N-1)/2)。
N：1步降狄克生星形SC調節器包含複數個開關矩陣。第一開關子矩陣中之開關包含底部四個開關SW1 216、SW2 218、SW3 220、SW4 222。第二開關子矩陣中之開關被稱為SW(2,j)，其中索引「j」係指開關矩陣中之第j個開關。
在圖35A至圖35B中，第一開關子矩陣SW1 216、SW2 218、SW3 220、SW4 222中之開關數目及開關連接未改變，無關於「N」值。第二開關子矩陣包含F數目個開關，且值F可等於M+K+1。
SW1 216連接至VOUT 208及SW2 218之一個終端。SW2 218連接至VOUT 208及SW4 222之一個終端。第二開關子矩陣中之所有開關串聯連接。舉例而言，SW(2,j)連接至C(1,p)及C(2,q)之一個終端。值p可等於ceiling(j/2)且值q可等於floor(j/2)。SW1 216及SW2 218連接至C(1,p)之另一終端，而SW3 220及SW4 222連接至C(1,q)之另一終端。
N：1步降狄克生星形SC調節器可藉由開啟及關閉開關矩陣中之開關而在State0與State1之間工作循環，分別在圖35A及圖35B中展示。
圖35A至圖35B展示N：1步降狄克生星形SC調節器在N：1轉換模式中之操作。在State0中，在第一開關子矩陣中，關閉SW1 216及SW3 220，而開啟SW2 218及SW4 222。在第二開關子矩陣中，關閉所有奇數索引開關而開啟所有偶數索引開關。隨後，在State1中，相較於State0反轉所有開關狀態。
此開關組態之一優勢在於所有開關僅至多具有跨其等施加之VOUT 208，而無關於N多大。一個缺點係一些電容器具有跨其等施加之高電壓，此需要高額定電壓電容器(其等可為龐大且昂貴的)。在一些實施例中，跨電容器VC(1,p)及VC(2,q)之電壓等於((p-1)x 2+1)x VOUT 208及q x 2 x VOUT 208。因此，此狄克生星形組態在低電壓開關及高電壓電容器可用時係有用的。
儘管狄克生星形SC調節器可為有用的，但此一設計仍將受限於一單一轉換比(一輸入電壓VIN 202與一輸出電壓VOUT 208之間的比N：1)且無法高效率地調節電壓來提供其他轉換比。
使用一單一轉換比SC調節器之一個劣勢係有限輸出電壓範圍。通常，SC調節器之效率可在並非輸入電壓之一預定分數(例如，1/N)之輸出電壓下降級。如關於圖3A至圖3C論述，一SC調節器通常經最佳化以在一單一轉換比下達成高效率。舉例而言，當一SC調節器耦合至提供3.3V之一電池時，SC調節器可經最佳化以接收3.3V且提供1.1V之一固定輸出電壓。在此情況中，SC調節器之效率經最佳化以提供1.1V之一輸出電壓-SC調節器之效率將由於輸出電壓偏離1.1V而降級。換言之，SC調節器可經最佳化以在3：1之一轉換比下提供一高效率，且SC調節器之效率可由於轉換比偏離3：1而降級。此效率降級係不幸的，因為一系統單晶片(SoC)可在許多電壓位準下操作，且將期望使用一單一SC調節器來適應SoC中之所有該等電壓位準。
支援多個轉換比之一種方式係提供各專用於一特定轉換比之複數個調節器，且取決於需支援之轉換比而啟用此等調節器之僅一者。然而，此需要許多冗餘電容器及開關。舉例而言，當使用3：1調節器時，用於2：1及1：1調節器之所有開關及電容器保持閒置而未被使用。冗餘電容器及開關需要一積體電路晶片上之面積且增加成本，此兩者係非所要的。
因此，將期望提供一種可在多個轉換比下達成高效率之單一SC調節器。換言之，將期望提供一種單一SC調節器，其可針對許多轉換比(例如，1/2、1/3、2/3、2/5、3/5、4/5)之一者重新組態，使得一單一SC調節器可在高效率下適應許多輸出電壓位準之一者。
本發明展示一種可重新組態狄克生星形SC調節器，其可藉由在各種模式之間重新組態來支援多個轉換比。該可重新組態狄克生星形SC調節器經設計以藉由跨多個操作模式(跨多個轉換比)重用電容器及開關而減少 冗餘電容器之數目。
在一些實施例中，一可重新組態狄克生星形SC調節器包含一常規狄克生星形SC調節器及一模式開關矩陣。模式開關矩陣包含耦合至常規狄克生星形SC調節器之複數個開關。取決於所要轉換比，可啟用模式開關矩陣中之一或多個開關以重新組態常規狄克生星形SC調節器中之電容器配置。以此方式，模式開關矩陣能夠重新組態常規固定轉換模式狄克生星形SC調節器之轉換比。
在一些實施例中，取決於可重新組態狄克生星形SC調節器之經重新組態轉換比，可不同地控制常規固定轉換模式狄克生星形SC調節器中之開關(相較於其常規固定轉換模式操作)以考量電容器之經重新組態配置。
在前述論述中，一N：1可重新組態狄克生星形SC調節器係指可經重新組態以提供M：1轉換比之任一者之一可重新組態狄克生星形SC調節器，其中M係在1與N之間的一值。
圖4繪示根據一些實施例之可經重新組態以支援複數個轉換比之一例示性可重新組態狄克生星形SC調節器。圖4展示可經重新組態為轉換比3：1、2：1、1：1之一者之一3：1可重新組態狄克生星形SC調節器400。3：1可重新組態狄克生星形SC調節器400包含圖2之一固定3：1狄克生星形SC調節器200(使用方塊404識別)及包含一單一模式開關SW8 402之一模式開關矩陣406。此額外模式開關402可經選擇性地操作以將圖2之一固定3：1狄克生星形SC調節器變換為一3：1可重新組態狄克生星形SC調節器。
圖5至圖7繪示根據一些實施例之圖4中之可重新組態調節器分別針對轉換比3：1、2：1、1：1之操作。如在圖5A至圖5C中展示，為在一3：1轉換模式中操作可重新組態狄克生星形SC調節器400，可僅關閉模式開關SW8 402(在一「斷開」位置中)，且可以相同於圖3中之方式操作可重新組態調節器400中之固定3：1狄克生星形SC調節器404(複數個開關可經工作循環以在State0與State1之間切換調節器)。
如在圖6A至圖6C中展示，為在一2：1轉換模式中操作可重新組態狄克生星形SC調節器400，隨著固定3：1調節器404在State0與State1之間工作循環，可在State0期間開啟開關SW8 402且可在State1期間關閉開關SW8 402。在某種意義上，此3：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一2：1轉換模式中操作，因為模式開關SW8 402在State0中將所有切換電容器C1FLY 204、C2FLY 206以一並聯方式連結在一起且使其等共同操作為一單一大電容器，正如在一傳統2：1 SC調節器中。舉例而言，在一傳統2：1 SC調節器中，一切換電容器或並聯連接而充當一個切換電容器之若干切換電容器在一個狀態中連接在輸入電壓與輸出電壓之間，而其在另一狀態中連接在輸出電壓與接地之間。藉由在此兩個狀態之間切換，輸出電壓變為輸入電壓之一半。相應地開啟及關閉圖6A至圖6B中之開關，使得切換電容器表現得像在一傳統2：1 SC調節器中。
如在圖7A至圖7C中展示，為在一1：1轉換模式中操作可重新組態狄克生星形SC調節器400，隨著調節器在State0與State1之間工作循環，可在State0期間開啟開關SW8 402且可在State1期間關閉開關SW8 402。相應地開啟及關閉其餘開關，使得切換電容器表現得像在一傳統1：1 SC調節器中。舉例而言，在一傳統1：1 SC調節器中，一切換電容器或並聯連接而充當一個切換電容器之若干切換電容器在一個狀態中連接在輸入電壓與接地之間，而其在另一狀態中連接在輸出電壓與接地之間。藉由在此兩個狀態之間切換，輸出電壓變得類似於輸入電壓。相應地開啟及關閉圖7A至 圖7B中之開關，使得切換電容器表現得像在一傳統1：1 SC調節器中。
在一些實施例中，可重新組態狄克生星形SC調節器可為一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器。換言之，可重新組態狄克生星形SC調節器可經組態以提供以下轉換比之一者：4：1、3：1、2：1、3：1。為促進4：1可重新組態狄克生星形SC調節器之論述，圖8繪示一固定轉換比4：1狄克生星形SC調節器800。相較於圖2中之3：1狄克生星形SC調節器200，4：1狄克生星形SC調節器800具有又一個切換電容器C3FLY 802及又一個開關SW9 804。
類似於3：1狄克生星形SC調節器200，4：1調節器800在State0與State1之間工作循環以提供電壓調節。圖9A至圖9C展示4：1調節器800在State0與State1之間的工作循環。假定切換電容器C1FLY 204、C2FLY 206及C3FLY 802以及解耦合電容器COUT 214為大，可針對兩個狀態導出以下關係：State0：VIN 202=VC3FLY+VOUT 208
State0：VC2FLY=VC1FLY+VOUT 208
State1：VOUT 208=VC1FLY
State1：VC3FLY=VOUT 208+VC2FLY其中VC1FLY係跨第一切換電容器C1FLY 204之一電壓，VC2FLY係跨第二切換電容器C2FLY 206之一電壓，且VC1FLY係跨第三切換電容器C3FLY 802之一電壓。此等關係可重新組織為如下：VC2FLY=2 x VOUT
VC3FLY=3 x VOUT
VOUT=(1/4)x VIN因此，在圖8中繪示之狄克生星形SC調節器操作為一4：1步降狄克生星形 SC調節器。
在一些實施例中，可使用一模式開關矩陣擴充固定轉換模式4：1狄克生星形SC調節器以提供一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器。圖10展示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器。4：1可重新組態狄克生星形SC調節器1000包含一固定轉換比4：1狄克生星形SC調節器及具有兩個模式開關SW10 1002及SW11 1004之一模式開關矩陣。模式開關矩陣經設計以重新組態固定轉換模式4：1狄克生星形SC調節器800中之電容器配置以實現在4：1、3：1、2：1、1：1轉換比之間的重新組態。
圖11A至圖11C繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一4：1轉換模式中之操作。在此操作模式中，在狄克生星形SC調節器如在圖11C中展示般在State0與State1之間工作循環時，模式開關SW10 1002及SW11 1004亦經工作循環以提供一4：1轉換比，從而表現得類似於SW1 216及SW2 218。舉例而言，在State0中，關閉(「斷開」)第一模式開關SW10 1002且開啟(「閉合」)第二模式開關SW11 1004，且在State1中，開啟(「閉合」)第一模式開關SW10 1002且關閉(「斷開」)第二模式開關SW11 1004。
假定切換電容器C1FLY 204、C2FLY 206及C3FLY 802以及解耦合電容器COUT 214為大，可針對兩個狀態導出以下關係：State0：VIN 202=VC3FLY+VOUT 208
State0：VC2FLY=VC1FLY+VOUT 208
State1：VOUT 208=VC1FLY
State1：VC3FLY=VOUT 208+VC2FLY其中VC1FLY係跨第一切換電容器C1FLY 204之一電壓，VC2FLY係跨第二切換 電容器C2FLY 206之一電壓，且VC1FLY係跨第三切換電容器C3FLY 802之一電壓。此等關係可重新組織為如下：VC2FLY=2 x VOUT
VC3FLY=3 x VOUT
VOUT=(1/4)x VIN因此，在圖11A至圖11B中繪示之可重新組態狄克生星形SC調節器操作為一4：1步降狄克生星形SC調節器。
圖12A至圖12C繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一3：1轉換模式中之操作。在此操作模式中，在調節器如在圖12C中展示般在State0與State1之間工作循環時，模式開關SW10 1002及SW11 1004亦經工作循環以提供一3：1轉換比。舉例而言，在State0中，開啟(「閉合」)第一模式開關SW10 1002且關閉(「斷開」)第二模式開關SW11 1004，且在State1中，關閉(「斷開」)第一模式開關SW10 1002且開啟(「閉合」)第二模式開關SW11 1004。
在某種意義上，在3：1轉換模式中操作之此4：1可重新組態狄克生星形SC調節器之操作類似於圖2中之固定轉換比3：1狄克生星形SC調節器200之操作。舉例而言，切換電容器C2FLY 206及C3FLY 802並聯連結在一起以提供一更大單一電容器，其一起操作為圖2中之C2FLY 206。作為另一實例，圖12A至圖12B中之切換電容器操作為圖2中之C1FLY 204。因此，儘管4：1可重新組態狄克生星形SC調節器中之電容器數目不同於圖2中之固定轉換模式3：1狄克生星形SC調節器，但4：1可重新組態狄克生星形SC調節器可透過使用複數個開關重新組態電容器配置而在3：1轉換模式中操作。
假定切換電容器C1FLY 204、C2FLY 206及C3FLY 802以及解耦合電容 器COUT 214為大，可針對兩個狀態導出以下關係：State0：VC2FLY=VC3FLY
State0：VC2FLY=VC1FLY+VOUT 208
State1：VOUT 208=VC1FLY
State1：VIN 202=VOUT 208+VC2FLY其中VC1FLY係跨第一切換電容器C1FLY 204之一電壓，VC2FLY係跨第二切換電容器C2FLY 206之一電壓，且VC1FLY係跨第三切換電容器C3FLY 802之一電壓。此等關係可重新組織為如下：VC2FLY=2 x VOUT 208
VC3FLY=2 x VOUT 208
VOUT 208=(1/3)x VIN 202因此，在圖12A至圖12C中繪示之可重新組態狄克生星形SC調節器操作為一3：1步降狄克生星形SC調節器。
圖13A至圖13C繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一2：1轉換模式中之操作。在此操作模式中，在狄克生星形SC調節器如在圖13C中展示般在State0與State1之間工作循環時，模式開關SW10 1002及SW11 1004亦經工作循環以提供一2：1轉換比。舉例而言，在State0中，關閉(「斷開」)第一模式開關SW10 1002且開啟(「閉合」)第二模式開關SW11 1004，且在State1中，開啟(「閉合」)第一模式開關SW10 1002且關閉(「斷開」)第二模式開關SW11 1004。
在某種意義上，此4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一2：1轉換模式中操作，因為調節器將所有三個切換電容器C1FLY 204、C2FLY 206、C3FLY 802並聯連結在一起且使其等共同操作為一單一大電容器，正如在 一傳統2：1 SC調節器中。舉例而言，在一傳統2：1 SC調節器中，一切換電容器或並聯連接而充當一個切換電容器之若干切換電容器在一個狀態中連接在輸入電壓與輸出電壓之間，而其在另一狀態中連接在輸出電壓與接地之間。藉由在此兩個狀態之間切換，輸出電壓變為輸入電壓之一半。相應地開啟及關閉圖13A至圖13B中之開關，使得切換電容器表現得像在一傳統2：1 SC調節器中。
假定切換電容器C1FLY 204、C2FLY 206及C3FLY 802以及解耦合電容器COUT 214為大，可針對兩個狀態導出以下關係：State0：VC1FLY=VC2FLY=VC3FLY=VIN 202-VOUT 208
State1：VC1FLY=VC2FLY=VC3FLY=VOUT 208其中VC1FLY係跨第一切換電容器C1FLY 204之一電壓，VC2FLY係跨第二切換電容器C2FLY 206之一電壓，且VC1FLY係跨第三切換電容器C3FLY 802之一電壓。此等關係可重新組織為如下：VC1FLY=VOUT
VC2FLY=VOUT
VC3FLY=VOUT
VOUT=(1/2)x VIN因此，在圖13A至圖13C中繪示之可重新組態狄克生星形SC調節器操作為一2：1步降狄克生星形SC調節器。
圖14A至圖14C繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一1：1轉換模式中之操作。在此操作模式中，在狄克生星形SC調節器如在圖14C中展示般在State0與State1之間工作循環時，模式開關SW10 1002及SW11 1004未經工作循環。舉例而言，在State0及State1兩 者中，開啟(「閉合」)第一模式開關SW10 1002且關閉(「斷開」)第二模式開關SW11 1004。
在某種意義上，此4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一1：1轉換模式中操作，因為調節器將所有三個切換電容器C1FLY 204、C2FLY 206、C3FLY 802並聯連結在一起且使其等共同操作為一單一大電容器，正如在一傳統1：1 SC調節器中。舉例而言，在一傳統1：1 SC調節器中，一切換電容器或並聯連接而充當一個切換電容器之若干切換電容器在一個狀態中連接在輸入電壓與接地之間，而其在另一狀態中連接在輸出電壓與接地之間。藉由在此兩個狀態之間切換，輸出電壓變得類似於輸入電壓。相應地開啟及關閉圖14A至圖14B中之開關，使得切換電容器表現得像在一傳統1：1 SC調節器中。
假定切換電容器C1FLY 204、C2FLY 206及C3FLY 802以及解耦合電容器COUT 214為大，可針對兩個狀態導出以下關係：State0：VC1FLY=VC2FLY=VC3FLY=VIN 202
State1：VC1FLY=VC2FLY=VC3FLY=VOUT 208其中VC1FLY係跨第一切換電容器C1FLY 204之一電壓，VC2FLY係跨第二切換電容器C2FLY 206之一電壓，且VC1FLY係跨第三切換電容器C3FLY 802之一電壓。此等關係可重新組織為如下：VC1FLY=VOUT
VC2FLY=VOUT
VC3FLY=VOUT
VOUT=VIN因此，在圖14A至圖14C中繪示之可重新組態狄克生星形SC調節器操作為 一1：1步降狄克生星形SC調節器。
在一些實施例中，在圖4中繪示之3：1可重新組態狄克生星形SC調節器400及在圖10中繪示之4：1可重新組態狄克生星形SC調節器1000可延伸至一N：1可重新組態狄克生星形SC調節器，其中N可為大於一之任何數字。
圖15A至圖15B繪示根據一些實施例之一N：1可重新組態狄克生星形SC調節器。
在一些實施例中，N：1可重新組態狄克生星形SC調節器1500可包含一電容器矩陣(亦稱為一電容器組)。電容器矩陣可包含一第一電容器子矩陣及一第二電容器子矩陣。第一電容器子矩陣中之電容器被稱為C(1,j)，其中第一索引「1」係指「第一」電容器矩陣，且第二索引「j」係指第一電容器子矩陣中之第j個電容器。同樣地，第二電容器子矩陣中之電容器被稱為C(2,j)。在圖15A至圖15B中，第一電容器子矩陣包含M數目個電容器；且第二電容器子矩陣包含K數目個電容器。在一些實施例中，M等於floor(N/2)，且K等於floor((N-1)/2)。
在一些實施例中，N：1可重新組態狄克生星形SC調節器1500包含具有一第一開關子矩陣、一第二開關子矩陣、一第三開關子矩陣、一第四開關子矩陣及一第五開關矩陣之一開關矩陣。
第一開關子矩陣中之開關被稱為SW(1,j)，其中第一索引「1」係指「第一」開關矩陣，且第二索引「j」係指第一開關子矩陣中之第j開關。同樣地，第二開關子矩陣中之開關被稱為SW(2,j)；第三開關子矩陣中之開關被稱為SW(3,j)；第四開關子矩陣中之開關被稱為SW(4,j)；且第五開關子矩陣中之開關被稱為SW(5,j)。
在圖15A至圖15B中，第一開關子矩陣及第二開關子矩陣各包含M數目個開關；第三開關子矩陣及第四開關子矩陣各包含K數目個開關；且第五開關子矩陣包含L數目個開關。在一些實施例中，M等於floor(N/2)；K等於floor((N-1)/2)；且L等於N。
在一些實施例中，此調節器1500可藉由開啟及關閉調節器1500之開關矩陣中之開關而在State0與State1之間工作循環。
圖15A至圖15B展示根據一些實施例之N：1可重新組態狄克生星形SC調節器1500在N：1轉換模式中之操作。在State0中，開啟在左下側處之第一開關子矩陣中之所有開關，而關閉第二開關子矩陣側中之所有開關。另外，關閉第三開關子矩陣中之所有開關而開啟第四開關子矩陣中之所有開關。在第五開關子矩陣中，關閉所有奇數索引開關而開啟所有偶數索引開關。隨後，在State1中，相較於State0反轉所有開關狀態。雖然存在額外開關(包含SW(j,1)、SW(j,2)、SW(j,3)、SW(j,4)，其中j大於1)，但電容器拓撲類似於圖35中之N：1步降狄克生星形。
為在(N-1)：1轉換模式中操作N：1可重新組態狄克生星形SC調節器1500，第一電容器子矩陣中具有最高索引之電容器(C(1,M))及第二電容器子矩陣中具有最高索引之電容器(C(2,K))可並聯連結在一起以操作為一單一電容器。此「單一」電容器可類似於一(N-1)：1固定轉換模式狄克生星形SC調節器中之C(1,M)而工作，(N-1)：1固定轉換模式狄克生星形SC調節器係相同於一N：1固定轉換模式狄克生星形SC調節器但不具有C(2,K)(其係透過較少開關連接至VIN 202之電容器)及第五開關矩陣中之頂部開關(其係SW(5,L))以及SW(3,K)及SW(4,K)(其等係連接至C(2,K)之兩個開關)之一狄克生星形SC調節器。
為在(N-2)：1轉換模式中操作N：1可重新組態狄克生星形SC調節器，透過第五開關子矩陣中之最少開關(或，換言之)連接至VIN 202之三個電容器可並聯連結在一起以如一單一電容器般工作。舉例而言，此三個電容器包含第一電容器子矩陣中具有最高索引之一個電容器C(1,M)及第二電容器子矩陣中具有最高索引之兩個電容器(C(2,K)、C(2,K-1))。此「單一」電容器可類似於一(N-2)：1固定轉換模式狄克生星形SC調節器中之C(2,K-1)而工作，(N-2)：1固定轉換模式狄克生星形SC調節器係相同於一N：1固定轉換模式狄克生星形SC調節器但不具有C(1,M)及C(2,K)以及第五開關矩陣中之頂部兩個開關(其等係SW(5,L)及SW(5,L-1))及SW(1,M)、SW(2,M)、SW(3,K)、SW(4,K)(其等係連接至C(1,M)及C(2,K)之開關)之一狄克生星形SC調節器。
更一般言之，為在(N-R)：1轉換模式中操作N：1可重新組態狄克生星形SC調節器，透過第五開關子矩陣中之最少開關連接至VIN 202之「R+1」數目個電容器可並聯連結在一起以如一單一電容器般工作，且猶如操作(N-R)：1固定轉換模式狄克生星形SC調節器般操作其餘開關。
在一些實施例中，一狄克生星形SC調節器之另一拓撲可實現轉換模式之間的重新組態。圖16繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器。相較於圖8中之一固定轉換模式4：1狄克生星形SC調節器800，圖10至圖14中之4：1可重新組態狄克生星形SC調節器1000具有兩個額外模式開關SW10 1002及SW11 1004。圖16繪示一不同類型之4：1可重新組態狄克生星形SC調節器，其使用在不同位置中之兩個額外模式開關SW12 1602及SW13 1604。
圖17A至圖17C繪示根據一些實施例之在4：1轉換模式中操作之一4：1 可重新組態狄克生星形SC調節器之操作。儘管模式開關之位置略微不同，但State0及State1中之電容器拓撲相同於圖11A至圖11B中之調節器1000。因此，在圖17A至圖17B中之State0及State1中跨電容器之電壓之間的關係相同於在圖11A至圖11B中之State0及State1中跨電容器之電壓之間的關係。如在圖11A至圖11B中，假定切換電容器C1FLY 204、C2FLY 206及C3FLY 802以及解耦合電容器COUT 214為大，可針對兩個狀態導出以下關係：State0：VIN 202=VC3FLY+VOUT 208
State0：VC2FLY=VC1FLY+VOUT 208
State1：VOUT 208=VC1FLY
State1：VC3FLY=VOUT 208+VC2FLY其中VC1FLY係跨第一切換電容器C1FLY 204之一電壓，VC2FLY係跨第二切換電容器C2FLY 206之一電壓，且VC1FLY係跨第三切換電容器C3FLY 802之一電壓。此等關係可重新組織為如下：VC2FLY=2 x VOUT
VC3FLY=3 x VOUT
VOUT=(1/4)x VIN因此，在圖17A至圖17C中繪示之可重新組態狄克生星形SC調節器操作為一4：1步降狄克生星形SC調節器。
圖18A至圖18C繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在3：1轉換模式中之操作。在3：1轉換模式中之操作原理類似於在圖2中繪示之3：1 SC調節器。切換電容器C1FLY 204及C3FLY 802並聯連結在一起以操作為一單一大電容器，類似於圖2中之電容器C1FLY 204。圖 18A至圖18B中之切換電容器C2FLY 206以類似於圖2中之C2FLY 206之一方式操作。
假定切換電容器C1FLY 204、C2FLY 206及C3FLY 802以及解耦合電容器COUT 214為大，可針對兩個狀態導出以下關係：State0：VC2FLY=VC3FLY
State0：VC2FLY=VC1FLY+VOUT 208
State1：VOUT 208=VC1FLY
State1：VIN 202=VOUT 208+VC2FLY其中VC1FLY係跨第一切換電容器C1FLY 204之一電壓，VC2FLY係跨第二切換電容器C2FLY 206之一電壓，且VC1FLY係跨第三切換電容器C3FLY 802之一電壓。此等關係可重新組織為如下：VC2FLY=2 x VOUT 208
VC3FLY=2 x VOUT 208
VOUT 208=(1/3)x VIN 202因此，在圖18A至圖18C中繪示之可重新組態狄克生星形SC調節器操作為一3：1步降狄克生星形SC調節器。
圖19A至圖19C繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一2：1模式中工作時之操作。基本原理類似於在圖13A至圖13B中繪示之4：1可重新組態狄克生星形SC調節器。切換電容器C1FLY 204、C2FLY 206、C3FLY 802並聯連結以如一單一大電容器般工作，正如在圖13A至圖13B中C1FLY 204、C2FLY 206、C3FLY 802並聯連結以如一單一大電容器般工作。
假定切換電容器C1FLY 204、C2FLY 206及C3FLY 802以及解耦合電容 器COUT 214為大，可針對兩個狀態導出以下關係：State0：VC1FLY=VC2FLY=VC3FLY=VIN 202-VOUT 208
State1：VC1FLY=VC2FLY=VC3FLY=VOUT 208其中VC1FLY係跨第一切換電容器C1FLY 204之一電壓，VC2FLY係跨第二切換電容器C2FLY 206之一電壓，且VC1FLY係跨第三切換電容器C3FLY 802之一電壓。此等關係可重新組織為如下：VC1FLY=VOUT
VC2FLY=VOUT
VC3FLY=VOUT
VOUT=(1/2)x VIN因此，在圖19A至圖19C中繪示之可重新組態狄克生星形SC調節器操作為一2：1步降狄克生星形SC調節器。
圖20A至圖20C繪示根據一些實施例之一4：1可重新組態狄克生星形SC調節器在一1：1模式中工作時之操作。切換電容器C1FLY 204、C2FLY 206、C3FLY 802並聯連結以如一單一大電容器般工作，正如在圖14A至圖14B中C1FLY 204、C2FLY 206、C3FLY 802並聯連結以如一單一大電容器般工作。
假定切換電容器C1FLY 204、C2FLY 206及C3FLY 802及解耦合電容器COUT 214為大，可針對兩個狀態導出以下關係：State0：VC1FLY=VC2FLY=VC3FLY=VIN 202
State1：VC1FLY=VC2FLY=VC3FLY=VOUT 208其中VC1FLY係跨第一切換電容器C1FLY 204之一電壓，VC2FLY係跨第二切換電容器C2FLY 206之一電壓，且VC1FLY係跨第三切換電容器C3FLY 802之一 電壓。此等關係可重新組織為如下：VC1FLY=VOUT
VC2FLY=VOUT
VC3FLY=VOUT
VOUT=VIN因此，在圖20A至圖20C中繪示之可重新組態狄克生星形SC調節器操作為一1：1步降狄克生星形SC調節器。
圖10至圖14中之調節器及圖16至圖20中之調節器使用具有定位在不同位置中之開關之一模式開關矩陣，但最終電容器配置係相同的。因此，可重新組態調節器1000在功能上相同於可重新組態調節器1600。
在一些實施例中，4：1可重新組態調節器1600可經一般化以提供一N：1可重新組態調節器，其中N大於一。圖21A至圖21B繪示根據一些實施例操作之一N：1可重新組態狄克生星形SC調節器。
N：1可重新組態狄克生星形SC調節器2100亦可包含一電容器矩陣。電容器矩陣可包含一第一電容器子矩陣及一第二電容器子矩陣。第一電容器子矩陣中之電容器被稱為C(1,j)，其中第一索引「1」係指「第一」電容器矩陣，且第二索引「j」係指第一電容器子矩陣中之第j電容器。同樣地，第二電容器子矩陣中之電容器被稱為C(2,j)。在圖21A至圖21B中，第一電容器子矩陣包含M數目個電容器；且第二電容器子矩陣包含K數目個電容器。在一些實施例中，M等於floor(N/2)，且K等於floor((N-1)/2)。
在一些實施例中，N：1可重新組態狄克生星形SC調節器2100包含具有一第一開關子矩陣、一第二開關子矩陣及一第三開關子矩陣之一開關矩 陣。此等矩陣之各者中之開關串聯配置在輸入電壓VIN 202與GND 210之間。
第一開關子矩陣中之開關被稱為SW(1,j)，其中第一索引「1」係指「第一」開關矩陣，且第二索引「j」係指第一開關子矩陣中之第j開關。同樣地，第二開關子矩陣中之開關被稱為SW(2,j)，且第三開關子矩陣中之開關被稱為SW(3,j)。在圖21A至圖21B中，第一開關子矩陣包含E數目個開關；第二開關子矩陣包含D數目個開關；且第三開關子矩陣包含F數目個開關。在一些實施例中，E等於2 x ceiling(N/2)-1；D等於floor(N/2)；且F等於N。
在一些實施例中，第一開關子矩陣中之一開關連接第一電容器子矩陣中之兩個電容器。舉例而言，透過SW(1,p)連接C(1,p)與C(1,p+1)。類似地，第二開關子矩陣中之一開關連接第二電容器子矩陣中之兩個電容器。舉例而言，透過SW(2,p)連接C(2,p)與C(2,p+1)。第三開關子矩陣中之一開關將第一電容器子矩陣中之一電容器連接至第二電容器子矩陣中之一電容器。舉例而言，透過SW(3,2 x p)連接C(1,p)與C(2,p)，且透過SW(3,2 x p+1)連接C(1,p+1)與C(2,p)。
在一些實施例中，此調節器2100可藉由開啟及關閉調節器2100之開關矩陣中之開關而在State0與State1之間工作循環。
圖21A至圖21B展示根據一些實施例之N：1可重新組態狄克生星形SC調節器2100在N：1轉換模式中之操作。在State0中，在第三開關子矩陣中，關閉所有奇數索引開關而開啟所有偶數索引開關。隨後，在State1中，相較於State0反轉第三開關子矩陣中之所有開關狀態。在State0及State1兩者中關閉第一開關子矩陣中之所有開關及第二開關子矩陣側中之 所有開關。雖然存在額外開關(包含第一開關矩陣及第二開關矩陣)，但由於關閉所有該等開關，電容器拓撲類似於圖35中之N：1步降狄克生星形。
為在(N-1)：1轉換模式中操作N：1可重新組態狄克生星形SC調節器，透過第三開關子矩陣中之最少開關(或，換言之，最接近輸入終端)連接至VIN 202之電容器(其係圖21A至圖21B中之C(2,K))及在相同矩陣中但具有低一個索引之電容器(其係圖21A至圖21B中之C(2,K-1))可並聯連結在一起以操作為一單一電容器。為保持兩個電容器連結成一「單一」電容器，SW(2,D)在State0及State1中始終開啟。此「單一」電容器可類似於一(N-1)：1固定轉換模式狄克生星形SC調節器中之C(1,M)而工作，(N-1)：1固定轉換模式狄克生星形SC調節器係相同於一N：1固定轉換模式狄克生星形SC調節器但不具有C(2,K)、SW(3,F)之一狄克生星形SC調節器。由於C(2,K)不再獨立存在(或與C(2,K-1)一起工作)，故在State0及State1兩者中關閉SW(3,F-1)。C(1,M)充當頂部電容器，因此SW(1,E)充當頂部開關，且在State0及State1兩者中關閉SW(3,F)。總而言之，SW(2,D)在State0及State1中始終開啟，SW(3,F-1)及SW(3,F)在State0及State1中始終關閉，且SW(1,E)分別在State0及State1中開啟及關閉。
為在(N-2)：1轉換模式中操作N：1可重新組態狄克生星形SC調節器，透過最少開關連接至VIN 202之三個電容器可並聯連結在一起以如一單一電容器般工作。在圖21A至圖21B中，此三個電容器係C(2,K)、C(1,M)及C(2,K-1)。此「單一」電容器可類似於一(N-2)：1固定轉換模式狄克生星形SC調節器中之C(2,K-1)而工作，(N-2)：1固定轉換模式狄克生星形SC調節器係相同於一N：1固定轉換模式狄克生星形SC調節器但不具有C(2,K)、C(1,M)、SW(3,F)、SW(F-1)之一狄克生星形SC調節器。為保持三 個電容器連結為一「單一」電容器，在State0及State1中始終開啟SW(2,D)、SW(3,E-1)。由於C(2,K)及C(1,M)不再獨立存在，故在State0及State1兩者中關閉SW(3,F-1)及SW(3,F-2)。C(2,K-1)充當頂部電容器，因此SW(3,F)充當頂部開關，且在State0及State1兩者中關閉SW(1,E)。總而言之，SW(2,D)及SW(1,E-1)在State0及State1中始終開啟，SW(3,F-1)、SW(3,F-2)、SW(1,E)在State0及State1中始終關閉，且SW(3,F)分別在State0及State1中關閉及開啟。
更一般言之，為在(N-R)：1轉換模式中操作N：1可重新組態狄克生星形SC調節器，透過第三開關子矩陣中之最少開關連接至VIN 202之「R+1」數目個電容器可並聯連結在一起以如一單一電容器般工作，且猶如操作(N-R)：1固定轉換模式狄克生星形SC調節器般操作其餘開關。
在一些實施例中，控制模組經組態以實行以下開關操作以在(N-R)：1轉換模式中操作N：1可重新組態狄克生星形SC調節器。控制模組經組態以開啟第一矩陣及第二矩陣中之頂部「R」數目個開關(例如，最接近於輸入電壓終端之R個開關，或換言之，在其等與輸入電壓終端之間具有最少數目個開關之R個開關)，除第一開關子矩陣中直接連接至輸入電壓終端之頂部開關SW(1,E)以外。當一第一開關子矩陣中之一第一開關及一第二開關子矩陣中之一第二開關在其等與輸入電壓終端之間具有相同數目個開關且僅其等之一者可包含於該組R個開關中時，則將選擇第二開關子矩陣中之第二開關。舉例而言，若R等於3，則將SW(2,D)、SW(1,E-1)、SW(2,D-1)選擇為最接近於輸入電壓終端之「3個」開關。控制模組經組態以使R個開關在State0及State1兩者中保持開啟以並聯連結頂部3個電容器。
又，控制模組經組態以關閉第三開關矩陣中之頂部「R」數目個開關 (例如，最接近於輸入電壓終端之R數目個開關，或換言之，在其等與輸入電壓終端之間具有最少數目個開關之R數目個開關)，除第三開關子矩陣中連接至輸入電壓終端之頂部開關SW(3,F)以外。舉例而言，若R等於3，則SW(3,F-1)、SW(3,F-2)、SW(3,F-3)在State0及State1中始終關閉。
又，當R係一奇數時，控制模組經組態以關閉第三開關子矩陣中之頂部開關SW(3,F)且猶如第一開關子矩陣中之頂部開關SW(1,E)係第三開關子矩陣之頂部開關般操作第一開關子矩陣中之頂部開關SW(1,E)。
在一些實施例中，當R係一偶數時，控制模組經組態以關閉第一開關子矩陣中之頂部開關SW(1,E)且猶如第三開關子矩陣中之頂部開關SW(3,F)係第一開關子矩陣之頂部開關般操作第三開關子矩陣中之頂部開關SW(3,F)。
在一些實施例中，相較於第三開關矩陣中未始終關閉之最頂部開關反轉頂部開關之狀態。舉例而言，若R等於3，則由於R係一奇數，關閉SW(3,F)。又，SW(3,F-1)、SW(3,F-2)、SW(3,F-3)始終關閉。因此，頂部開關SW(1,E)係在相較於第三開關矩陣中未始終關閉之最頂部開關SW(3,F-4)反轉之一狀態中。
在一些實施例中，可重新組態狄克生星形SC調節器可經操作為一電壓調節器系統之一部分。電壓調節器系統可以多個交錯相位(例如，在一單一週期內以一時間交錯方式)操作，且可重新組態狄克生星形SC調節器可用於以交錯相位之一者提供一輸出電壓。舉例而言，一電壓調節器系統可包含各自分別以0度、120度、240度異相操作之三個可重新組態狄克生星形SC調節器。
在一些實施例中，可重新組態狄克生星形SC調節器可用於各種應 用，包含功率管理積體電路(PMIC)、電池充電器、LED驅動器、波峰追蹤功率放大器。
在一些實施例中，切換電容器(例如，C1FLY 204、C2FLY 206及C3FLY 802)之電容可經設定為與可重新組態狄克生星形SC調節器之一輸出電流成比例。舉例而言，切換電容器之電容可取決於目標功率效率而在0.1nF/mA與100nF/mA之範圍中。可重新組態狄克生星形SC調節器可藉由使用較大電容值而改良其效率。
在一些實施例中，一可重新組態狄克生星形SC調節器可以一反向組態操作(例如，切換可重新組態狄克生星形SC調節器之輸入節點及輸出節點)。可靈活地修改可重新組態狄克生星形SC調節器之操作方向以適應耦合至可重新組態狄克生星形SC調節器之輸入節點及輸出節點之各種類型之輸入電壓源及輸出負載。
在一些實施例中，可在一反向方向上操作一可重新組態狄克生星形SC調節器以將其操作為一步升調節器。舉例而言，可重新組態狄克生星形SC調節器之一輸入節點可耦合至一目標負載(例如，一晶片)且可重新組態狄克生星形SC調節器之一輸出節點可耦合至一輸入電壓源(例如，一電池)。
圖22至圖24繪示根據一些實施例之步升可重新組態狄克生星形SC調節器。調節器2200係一步升可重新組態1：3狄克生星形SC調節器；調節器2300係一步升可重新組態1：4狄克生星形SC調節器；且調節器2400係一步升可重新組態1：4狄克生星形SC調節器。圖22至圖24中之步升可重新組態狄克生星形SC調節器分別類似於圖6、圖10及圖16中之步降調節器，惟交換VIN 202及VOUT 208之位置且VIN 202低於VOUT 208除外。
在一些實施例中，可在一反向方向上操作一可重新組態狄克生星形SC調節器以將其操作為一電池充電器。舉例而言，可重新組態狄克生星形SC調節器之一輸入節點可耦合至一電源(例如，一通用串列匯流排(USB)之一電力線)，且可重新組態狄克生星形SC調節器之一輸出節點可耦合至一電池，使得可重新組態狄克生星形SC調節器之輸出電壓及輸出電流用於對電池充電。
在一些實施例中，可重新組態狄克生星形SC調節器尤其可用於對一手持式器件中之電池充電。一手持式器件(諸如一智慧型手機)可使用一鋰離子(Li離子)電池，其經組態以取決於電池是否經充電而提供在約2.8V至4.3V之範圍內之一電壓輸出(例如，在完全充電時為4.3V，在完全放電時為2.8V)。可使用一通用串列匯流排(USB)對手持式器件中之Li離子電池充電。USB電力線之當前版本使用5V(且USB之未來版本可使用更高電壓)，其高於Li離子電池之電壓輸出。因此，來自USB電力線之電壓應在其可用於對Li離子電池充電之前步降。為此，可重新組態狄克生星形SC調節器可經組態以接收來自USB之電力線電壓(及電流)且將電力線電壓(及電流)之一步降版本提供至Li離子電池，使得可基於來自USB之電壓及電流對Li離子電池充電。
在一些實施例中，上文識別之組態(其中使用一USB電力線對一電池充電)可反向用作一USB On-The-Go(OTG)，其中一第一器件中之電池可經由USB遞送功率至一第二器件以對第二器件充電。在此案例中，一第一器件中之一電池經組態以透過一USB遞送電流至一第二器件中之一電池。儘管第一器件中之電池之輸出電壓可低於USB電力線電壓，但可重新組態狄克生星形SC調節器可在一步升組態中操作以將電池之輸出電壓步升至 USB電力線之電壓。以此方式，第一器件中之電池可經由USB電力線對第二器件中之電池充電。
在一些實施例中，一SC調節器(諸如一可重新組態狄克生星形SC調節器)可結合另一電壓調節器操作以提供一兩級電壓調節。圖25繪示根據一些實施例之一兩級電壓調節系統，其中一SC調節器提供第一級電壓調節。圖25包含一調節器2502及一第二級電壓調節器2504。SC調節器2502可為任何類型之SC調節器，例如，包含本文中揭示之可重新組態狄克生星形SC調節器之一者。在一些實施例中，第二級電壓調節器2504可包含一降壓調節器、一SC調節器、一線性調節器及/或能夠提供電壓調節之任何類型之電壓調節器之一或多者。
在一些實施例中，SC調節器2502可經操作以提供一輸出電壓，SC調節器2502可在該輸出電壓下提供一高效率，且隨後使用第二級電壓調節器2504調節SC調節器2502之輸出電壓。
舉例而言，可重新組態狄克生星形SC調節器2502可將輸入電壓202轉換為VTMP 2506，其係輸入電壓202之一分數，可重新組態狄克生星形SC調節器2502可在VTMP 2506下提供高效率。舉例而言，VTMP 2506可為VIN/N，其中N係步降比。接著，第二級電壓調節器2504可接收VTMP 2506且調節其以提供VOUT 208。
圖26A繪示根據一些實施例之圖25之一實施例，其中第二級調節器係一降壓轉換器。此處，VTMP 2506藉由降壓轉換器100在精細步驟中使用多個電力開關114、116及一或多個電感器108進行調節。圖26B繪示調節器中之信號之時序圖。
在圖25至圖26中繪示之兩級調節器(亦稱為一混合調節器)取決於以 下事實：SC調節器擅長跨預定分數值來劃分電壓且第二級調節器(諸如降壓調節器)可擅長在精細步驟中跨廣泛範圍之輸出電壓調節。舉例而言，在一12V至1V步降調節器中，可重新組態狄克生星形SC調節器2502可在VIN 202處接收12V且提供一1/6步降，藉此在VTMP 2506處提供2V。隨後，降壓調節器100可提供一隨後調節以將2V調節至1V。由於此兩級調節器將降壓調節器100之內部節點Vx處之電壓擺動減少至可實質上小於VIN 202之VTMP 2506，故此拓撲可減少歸因於接點122處之寄生電容之降壓調節器100中之電容性功率損耗。
圖27繪示根據一些實施例之一兩級電壓調節系統，其中一SC調節器提供第二級電壓調節。圖27包含一第一級電壓調節器2702及一SC調節器2704。SC調節器2704可為任何類型之SC調節器，例如，包含本文中揭示之可重新組態狄克生星形SC調節器之一者。在一些實施例中，第一級電壓調節器2702可包含一降壓調節器、一SC調節器、一線性調節器及/或能夠提供電壓調節之任何類型之電壓調節器之一或多者。
在圖27中，第一級電壓調節器2702接收一輸入電壓VIN 202，且作為輸出VTMP 2706提供至SC調節器2704。SC調節器2704可在隨後將VTMP 2706步降至所要輸出電壓208。
當第一級電壓調節器2702係一切換電感式調節器時，圖27之兩級電壓調節系統可藉由按一高切換頻率操作切換電感式調節器且使少量電流流動通過電感器而減少切換電感式調節器之電感器電阻性損耗。即使在具有一低電感之一小電感器之情況下，此方法仍可減少切換電感式調節器之電阻性損耗。此外，此拓撲亦可藉由限制跨開關之電壓擺動而減少切換電感式調節器之電容性損耗(CV2f損耗)。
在一些實施例中，第一級電壓調節器2702可僅包含一電感器。圖28A繪示根據一些實施例之一兩級電壓調節器，其中第一級調節器僅由一電感器構成。圖28B繪示根據一些實施例之圖28A之兩級電壓調節器中之信號之一時序圖。此處，第一級調節器係一單一電感器2802。電感器2802之一個終端耦合至輸入電壓VIN 202，且電感器2802之另一終端耦合至SC調節器2704之一輸入。SC調節器2704之輸入電壓被稱為VTMP 2706。
在一些實施例中，SC調節器2704之輸入電壓VTMP 2706連接至SC調節器2704中之一切換電容器CFLY 2804之板之一者。隨著SC調節器2704在State0與State1之間切換(例如，見圖3A至圖3B)，切換電容器CFLY 2804之頂板上之電壓電位VTMP 2706在兩個電壓V1與V2之間切換。基於此操作，可導出以下關係：VIN 202=V1D+V2(1-D)
藉由SC調節器2704之轉換比及VOUT 208來設定V1及V2值。因此，可基於SC調節器2704之工作循環D及轉換比精細地控制VIN 202與VOUT 208之間的轉換比。圖28中之兩級調節器之優勢係可僅藉由添加一單一電感器2802而將一單級SC調節器2704(其可僅提供整數比轉換模式)轉換為能夠提供非整數比轉換模式之一兩級調節器。
在一些實施例中，兩級調節器可具有一旁通開關SWI 2806，其經組態以短接第一級調節器中之電感器2802。旁通開關SWI 2806允許第一級調節器在無需其操作時關閉。
圖29A至圖29B繪示根據一些實施例之圖28中之一兩級調節器之一操作，其中SC調節器2704係一4：1狄克生星形切換電容式(SC)調節器800。
在一些實施例中，第二級4：1調節器800在State0與State1之間工作循 環以提供電壓調節，如亦在圖9A至圖9B中繪示。假定切換電容器C1FLY 204、C2FLY 206及C3FLY 802以及解耦合電容器COUT 214為大，可針對兩個狀態導出以下關係：State0：VTMP 2706=VC3FLY+VOUT 208
State0：VC2FLY=VC1FLY+VOUT 208
State1：VOUT 208=VC1FLY
State1：VC3FLY=VOUT 208+VC2FLY其中VC1FLY係跨第一切換電容器C1FLY 204之一電壓，VC2FLY係跨第二切換電容器C2FLY 206之一電壓，且VC1FLY係跨第三切換電容器C3FLY 802之一電壓。此等關係可重新組織為如下：VC2FLY=2 x VOUT
VC3FLY=3 x VOUT
VOUT=(1/4)x VTMP因此，第二級SC調節器操作為一4：1步降調節器，且VTMP 2706在State0及State1中在3 x VOUT與4 x VOUT之間擺動。在圖30中繪示第二級調節器之工作循環以及VTMP 2706之電壓擺動。
由於VTMP 2706在3 x VOUT與4 x VOUT之間擺動，故由電感器2802調節此電壓擺動以提供以下關係：VIN 202=(3 x VOUT)D+(4 x VOUT)(1-D)=(4-D)x VOUT其中D係在0與1之間且較佳在0.25與0.75之間的一值。換言之，圖29中之兩級調節器允許以下電壓關係：VOUT=(1/(4-D))VIN因此，一電壓調節器控制系統可將工作循環D控制在0與1之間以精細調諧 VIN 202與VOUT 208之間的關係。在某種意義上，圖28中之第一級調節器及第二級調節器具有一相同工作循環D。
圖31繪示根據一些實施例之一兩級電壓調節系統，其中第二級調節器係一多相電壓調節器。第二級調節器中之多相電壓調節器允許第一級調節器及第二級調節器使用獨立工作循環。此在一些情況中可為有益的，因為一SC調節器之效率可在SC調節器之工作循環偏離0.5時降級。藉由允許第一級調節器及第二級調節器具有獨立工作循環，可按一高效率位準(例如，接近於0.5之一工作循環)操作第二級調節器，而無關於電壓調節系統之所要輸出電壓。
如在圖31中展示，在一些實施例中，第二級SC調節器具有兩個4：1 SC調節器模組SC_ph0 3102及SC_ph1 3104，其中SC_ph0 3102及SC_ph1 3104使用其等自身相位來操作。在一些實施例中，兩個SC調節器模組可為異相180度。根據一些實施例在圖32中繪示SC_ph0 3102與SC_ph1 3104之間的相位關係。在圖32中，兩個4：1 SC調節器模組按0.5之一工作循環操作，藉此達成高效率。
雖然兩個4：1 SC調節器模組按0.5之一工作循環操作，但可獨立控制第一級調節器中之切換電感式調節器之工作循環。特定言之，無關於兩個4：1 SC調節器模組之工作循環，切換電感式調節器可藉由按一工作循環D異相切換開關SW9 804及SW17 3126而具有其自身之工作循環D。
舉例而言，當兩個模組SC_ph0 3102及SC_ph1 3104按0.5之一工作循環操作時，C3FLY 802及C6FLY 3110之頂板處之電壓V1 3130及V2 3132按0.5之一工作循環在3 x VOUT 208與4 x VOUT 208之間擺動，如在圖32之波形中繪示。由於C3FLY 802及C6FLY 3110之頂板處之電壓V1 3130及V2 3132在任何給定時間在3 x VOUT 208與4 x VOUT 208之間擺動，故開關SW9 804及SW17 3126可按一工作循環D開啟及關閉(異相)以按一工作循環D將VTMP 2706連接至3 x VOUT 208或4 x VOUT 208，如在圖32中展示。此允許第一級調節器按一工作循環D操作，而第二級調節器(包含兩個4：1 SC調節器模組SC_ph0 3102及SC_ph1 3104)按0.5之一工作循環操作，藉此改良第二級調節器之操作效率。
當開關SW9 804及SW17 3126按一工作循環D工作循環時，使用一個特定SC模組之時間量可取決於工作循環D。舉例而言，在圖32中，工作循環D小於0.5。因此，使用第一SC模組3102達少於50%之時間而使用第二SC模組達多於50%之時間。在一極端情況中，可使用一個SC模組達100%之時間而使用另一SC模組達0%時間。為適應此等極端案例，兩個SC模組3102、3104中之所有開關及電容器可需定大小為足夠大，使得一單一SC模組可遞送最大所需輸出功率-猶如另一SC模組不存在。
在一些實施例中，可控制開關SW9 804及SW17 3126，使得各開關SW9 804及SW17 3126開啟達相同時間量，同時維持第一級調節器之工作循環。以此方式，使用多相調節器(第二級調節器)中之SC模組達相同時間量，而無關於第一級調節器之工作循環。相較於其中一單一SC模組需能夠遞送最大所需輸出功率之案例，此允許SC模組中之開關及電容器為約一半大小。
圖33繪示根據一些實施例之開關之控制序列，其允許各開關SW9 804及SW17 3126開啟達相同時間量，同時維持第一級調節器之工作循環。在一給定週期中，開啟第一開關SW9 804達50%之時間，同時保持第二開關SW17 3126關閉，且開啟第二開關SW17 3126達50%之時間，同時 保持第一開關SW9 804關閉。然而，判定週期開始之時間例項，使得電壓VTMP 2706按一工作循環D在3 x VOUT與4 x VOUT之間擺動。
舉例而言，當開啟SW9 804且關閉SW17時，電壓VTMP 2706耦合至V1 3130，且當關閉SW9 804且開啟SW17時，電壓VTMP 2706耦合至V2 3132。因此，藉由使時間例項3302偏移，可控制工作循環D(其間VTMP 2706處於4 x VOUT)。舉例而言，當時間例項3302偏移至右側時，工作循環D將成比例增大；當時間例項3302偏移至左側時，工作循環D將成比例減小。此組態之一個額外益處係VTMP 2706按切換電感式調節器及切換電容式調節器之頻率之兩倍切換。此特徵可能夠使用一更小電感器3302而不引發額外擺動損耗。
儘管使用一可重新組態狄克生星形調節器來繪示第二級調節器，但其他類型之SC調節器亦可用於圖27至圖29及圖31中之第二級調節器。舉例而言，第二級調節器可包含一梯形SC調節器、一可重新組態梯形SC調節器、一串聯至並聯SC調節器、一可重新組態串聯至並聯調節器及/或任何其他類型之SC調節器。
在一些實施例中，兩級調節器可用於各種應用，包含功率管理積體電路(PMIC)、電池充電器、LED驅動器、波峰追蹤功率放大器。
在一些實施例中，切換電容式調節器之電容可經設定為與兩級調節器之一輸出電流成比例。舉例而言，切換電容式調節器之電容可取決於目標功率效率而在0.1nF/mA與100nF/mA之範圍中。兩級調節器可藉由使用更大電容值而改良其效率。
在一些實施例中，可在一反向方向上操作一兩級調節器以將其操作為一步升調節器。舉例而言，兩級調節器之一輸入節點可耦合至一目標負 載(例如，一晶片)且兩級調節器之一輸出節點可耦合至一輸入電壓源(例如，一電池)。
在一些實施例中，可在一反向方向上操作一兩級調節器以將其操作為一電池充電器。舉例而言，兩級調節器之一輸入節點可耦合至一電源(例如，一通用串列匯流排(USB)之一電力線)且兩級調節器之一輸出節點可耦合至一電池。
所揭示兩級調節器之各種實施例可用作一電池操作器件中之一電池充電器。舉例而言，一兩級調節器之一輸出節點可耦合至一電池，使得兩級調節器之輸出電壓及輸出電流用於對電池充電。
兩級調節器尤其可用於對一手持式器件中之電池充電。一手持式器件(諸如一智慧型手機)可使用一鋰離子(Li離子)電池，其經組態以取決於電池是否經充電而提供在約2.8V至4.3V之範圍內之一電壓輸出(例如，在完全充電時為4.3V，在完全放電時為2.8V)。可使用一通用串列匯流排(USB)對手持式器件中之Li離子電池充電。USB電力線之當前版本使用5V(且USB之未來版本可使用更高電壓)，其高於Li離子電池之電壓輸出。因此，來自USB電力線之電壓應在其可用於對Li離子電池充電之前步降。為此，兩級調節器可經組態以接收來自USB之電力線電壓及電流且將之電力線電壓及電流之一步降版本提供至Li離子電池，使得可基於來自USB之電壓及電流對Li離子電池充電。
在一些實施例中，上文識別之組態(其中使用一USB電力線對一電池充電)可反向用作一USB On-The-Go(OTG)，其中一第一器件中之電池可經由USB遞送功率至一第二器件以對第二器件充電。在此案例中，一第一器件中之一電池經組態以透過一USB遞送電流至一第二器件中之一電池。 儘管第一器件中之電池之輸出電壓可低於USB電力線電壓，但兩級調節器可以一步升組態操作以將電池之輸出電壓步升至USB電力線之電壓。以此方式，第一器件中之電池可經由USB電力線對第二器件中之電池充電。
圖34係根據一些實施例之包含一電壓調節系統之一計算器件之一方塊圖。計算器件3400包含一處理器3402、記憶體3404、一或多個介面3406、一加速器3408及一電壓調節器系統3410。計算器件3400可包含額外模組、更少模組或實行任何合適操作或操作組合之模組之任何其他合適組合。
在一些實施例中，可使用一特定應用積體電路(ASIC)在硬體中實施加速器3408。加速器3408可為一系統單晶片(SOC)之一部分。在其他實施例中，可使用一邏輯電路、一可程式化邏輯陣列(PLA)、一數位信號處理器(DSP)、一場可程式化閘陣列(FPGA)或任何其他積體電路在硬體中實施加速器3408。在一些情況中，加速器3408可經封裝在相同於其他積體電路之封裝中。
在一些實施例中，電壓調節器系統3410可經組態以提供一供應電壓至處理器3402、記憶體3404及/或一加速器3408之一或多者。電壓調節器系統3410可包含一或多個電壓調節器(VR)模組3412-1、...、3412-N。在一些實施例中，VR模組3412-1、...、3412-N之一或多者可為一可重新組態狄克生星形SC調節器，例如，如在圖4、圖10及圖16中揭示。在一些實施例中，VR模組3412-1、...、3412-N之一或多者可為一兩級調節器，例如，如在圖27至圖29、圖31中揭示。一或多個VR模組3412-1、...、3412-N可以多個交錯相位操作。
在一些實施例中，電壓調節器系統3410可包含一開關控制模組，其 經組態以控制一或多個VR模組3412-1、...、3412-N中之開關組態。舉例而言，當開關控制模組接收在一3：1轉換模式中操作一3：1可重新組態狄克生星形SC調節器之一指令時，開關控制模組可經組態以控制開關矩陣216至228及模式開關SW8 402以在一3：1轉換模式中操作可重新組態狄克生星形SC調節器，如在圖5A至圖5C中展示。作為另一實例，當開關控制模組接收在一2：1轉換模式中操作3：1可重新組態狄克生星形SC調節器之一指令時，開關控制模組可經組態以控制開關矩陣216至228及模式開關SW8 402以在一2：1轉換模式中操作可重新組態狄克生星形SC調節器，如在圖6A至圖6C中展示。在一些實施例中，可使用硬體程式設計語言合成開關控制模組。硬體程式設計語言可包含Verilog、VHDL、Bluespec或任何其他合適硬體程式設計語言。在其他實施例中，開關控制模組可經手動設計且可經手動佈置在一晶片上。
計算器件3400可經由介面3406與其他計算器件(未展示)通信。介面3406可在硬體中實施而以各種媒體(諸如光學、銅及無線)及數個不同協定(其等之一些可為非暫時性)發送及接收信號。
在一些實施例中，計算器件3400可包含使用者設備。使用者設備可與一或多個無線電存取網路及有線通信網路通信。使用者設備可為具有電話通信能力之一蜂巢式手機。使用者設備亦可為提供諸如文字處理、網頁瀏覽、遊戲、電子書能力之服務之一智慧型手機、一作業系統及一全鍵盤。使用者設備亦可為提供網路存取及由一智慧型手機提供之大部分服務之一平板電腦。使用者設備使用一作業系統來操作，諸如Symbian OS、iPhone OS,RIM’s Blackberry、Windows Mobile、Linux、HP WebOS、Tizen、Android或任何其他合適作業系統。螢幕可為用於輸入資料至行動 器件之一觸控螢幕，在此情況中，可使用螢幕代替全鍵盤。使用者設備亦可保持全球定位座標、設定檔資訊或其他位置資訊。使用者設備亦可為一穿戴式電子器件。
計算器件3400亦可包含能夠計算及通信之任何平台。非限制性實例包含電視機(TV)、視訊投影機、機上盒或機上單元、數位視訊記錄器(DVR)、電腦、小筆電、膝上型電腦及具有計算能力之任何其他音訊/視覺設備。計算器件3400可經組態有一或多個處理器，其等處理指令且運行可儲存在記憶體中之軟體。處理器亦與記憶體及介面通信以與其他器件通信。處理器可為任何可應用處理器，諸如組合一CPU、一應用處理器及快閃記憶體之一系統單晶片。計算器件3400亦可提供各種使用者介面，諸如鍵盤、觸控螢幕、軌跡球、觸控墊及/或滑鼠。在一些實施例中，計算器件3400亦可包含揚聲器及一顯示器件。計算器件3400亦可包含一生物醫學電子器件。
應理解，所揭示標的物在其應用方面不限於下列描述中闡述或圖式中繪示之組件之構造及配置之細節。所揭示標的物具有其他實施例且可以各種方式實踐及執行。又，應理解，本文中採用之語法及術語係出於描述之目的且不應被視為限制性。
因而，熟習此項技術者將瞭解，本發明所基於之概念可容易地用作用於設計其他結構、裝置、系統及方法以執行所揭示標的物之若干目的之一基礎。因此，重要的係在不脫離所揭示標的物之精神及範圍之情況下將發明申請專利範圍視為包含此等等效構造。
儘管已在前述例示性實施例中描述及繪示所揭示標的物，但應理解，僅藉由實例製成本發明，且可在不脫離僅受限於隨附發明申請專利範 圍之所揭示標的物之精神及範圍之情況下做出所揭示標的物之實施方案之細節之數種改變。
202:輸入電壓/輸入電壓節點VIN
204:切換電容器C1FLY
206:切換電容器C2FLY
208:輸出電壓/輸出電壓節點VOUT
210:接地節點GND
212:輸出負載IOUT
214:解耦合電容器COUT
216:開關
218:開關
220:開關
222:開關
224:開關
226:開關
228:開關
400:可重新組態狄克生星形SC調節器
402:模式開關SW8
404:狄克生星形切換電容器(SC)調節器
406:模式開關矩陣

Claims (19)

  1. 一種用於控制一混合電壓調節器之電路，其包括：一第一開關矩陣，其經組態以將複數個電容器在一步降調節器(step-down regulator)之一第一切換電容式組態與一第二切換電容式組態之間切換，其中該第一開關矩陣之一第一開關連接至提供該步降調節器之一輸出電壓之一第一節點；一第二開關矩陣，其經組態以將一電感器在一第一切換電感式組態與一第二切換電感式組態之間切換，其中該第二開關矩陣之一第一開關連接於該第一節點及該電感器之一第一側之間；一控制模組，其經組態以：致使該第一開關矩陣將該複數個電容器在該第一切換電容式組態與該第二電容式組態之間切換；及使得該第二開關矩陣以一預定工作循環將該電感器在該第一切換電感式組態與該第二切換電感式組態之間切換。
  2. 如請求項1之電路，其進一步包括該複數個電容器。
  3. 如請求項2之電路，其進一步包括該電感器。
  4. 如請求項1之電路，其進一步包括該電感器。
  5. 如請求項1之電路，其中該第二開端矩陣包括該第二開關矩陣之該第一開關及該第二開關矩陣之一第二開關。
  6. 如請求項5之電路，其中該第二開關矩陣之該第二開關連接於該電感器之該第一側及一電壓位準之間。
  7. 如請求項1之電路，其中該第一切換電容式組態及該第二切換電容式組態各自為一狄克生星形切換電容式調節器(Dickson Star switch-capacitor regulator)之一組態。
  8. 如請求項1之電路，其中該第一切換電感式組態及該第二切換電感式組態各自為一降壓轉換器(buck converter)組態。
  9. 如請求項1之電路，其中該控制模組係一硬體處理器，該硬體處理器利用一硬體程式設計語言編程。
  10. 一種用於控制一混合電壓調節器之方法，其包括：致使一第一開關矩陣將複數個電容器在一步降調節器之一第一切換電容式組態與一第二切換電容式組態之間切換；及致使一第二開關矩陣以一預定工作循環將一電感器在一第一切換電感式組態與一第二切換電感式組態之間切換，其中：該第一開關矩陣經組態以將該複數個電容器在該第一切換電容式組態與一第二切換電容式組態之間切換，其中該第一開關矩陣之一第一開關連接至提供該步降調節器之一輸出電壓之一第一節點；及 該第二開關矩陣經組態以將該電感器在該第一切換電感式組態與該第二切換電感式組態之間切換，其中該第二開關矩陣之一第一開關連接於該第一節點及該電感器之一第一側之間。
  11. 如請求項10之方法，其中該第二開關矩陣包括該第二開關矩陣之該第一開關及該第二開關矩陣之一第二開關。
  12. 如請求項11之方法，其中該第二開關矩陣之該第二開關連接於該電感器之該第一側及一電壓位準之間。
  13. 如請求項10之方法，其中該第一切換電容式組態及該第二切換電容式組態各自為一狄克生星形切換電容式調節器之一組態。
  14. 如請求項10之方法，其中該第一切換電感式組態及該第二切換電感式組態各自為一降壓轉換器組態。
  15. 如請求項10之方法，其中該致使該第一開關矩陣將該複數個電容器在一步降調節器之該第一切換電容式組態與該第二切換電容式組態之間切換係以利用一硬體程式設計語言編程之一硬體處理器執行。
  16. 如請求項10之方法，其中該致使該第二開關矩陣以該預定工作循環將該電感器在該第一切換電感式組態與該第二切換電感式組態之間切換係以利用一硬體程式設計語言編程之一硬體處理器執行。
  17. 一種非暫態性電腦可讀媒體，其包含電腦可執行指令，在其藉由一處理器執行時致使該處理器執行一種方法，該方法包括：致使一第一開關矩陣將複數個電容器在一步降調節器之一第一切換電容式組態與一第二切換電容式組態之間切換；及致使一第二開關矩陣以一預定工作循環將一電感器在一第一切換電感式組態與一第二切換電感式組態之間切換，其中：該第一開關矩陣經組態以將該複數個電容器在該第一切換電容式組態與一第二切換電容式組態之間切換，其中該第一開關矩陣之一第一開關連接至提供該步降調節器之一輸出電壓之一第一節點；及該第二開關矩陣經組態以將該電感器在該第一切換電感式組態與該第二切換電感式組態之間切換，其中該第二開關矩陣之一第一開關連接於該第一節點及該電感器之一第一側之間。
  18. 如請求項17之非暫態性電腦可讀媒體，其中該第一切換電容式組態及該第二切換電容式組態各自為一狄克生星形切換電容式調節器之一組態。
  19. 如請求項17之非暫態性電腦可讀媒體，其中該第一切換電感式組態及該第二切換電感式組態各自為一降壓轉換器組態。
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