用于可重配置的DICKSON STAR开关式电容器电压调节器的装置、系统和方法制造方法及图纸

本公开示出了可重配置的Dickson Star SC调节器，其可以通过在各种模式之间进行重新配置来支持多个转换比。可重配置的Dickson Star SC调节器被设计为通过跨多个操作模式(跨多个转换比)重用电容器和开关来减少冗余电容器的数量。本公开还示出了混合(例如，两级)电压调节器。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于可重配置的DICKSONSTAR开关式电容器电压调节器的装置、系统和方法相关申请的交叉引用此申请根据35U.S.C.§119(e)要求于2016年4月18日提交的题为“RECONFIGURABLEDICKSONSTARSWITCHEDCAPACITORVOLTAGEREGULATOR”的美国临时申请号62/324,091的较早提交日期的权益，所述申请通过引用以其整体而被并入本文。关于联邦政府资助的研究或开发的声明此专利技术是在国家科学基金会(NSF)授予的1353640和1519788的政府支持下完成的。政府拥有本专利技术中的某些权利。
本公开涉及用于提供可重配置的DicksonStar开关式电容器电压调节器和/或提供混合(例如，两级)电压调节器的装置、系统和方法。
技术介绍
存在对于减小电子系统的尺寸的强烈需求。尺寸减小在空间宝贵的电子产品中是特别期望的，而在被置于大数据中心中的服务器中也是期望的，因为在固定的空间资产中挤入尽可能多的服务器是重要的。电子系统中最大组件中的一个包括电压调节器(也称为功率调节器)。功率调节器通常包括用于将电压递送到集成芯片的大量庞大的片外组件，包括处理器、存储器设备(例如，动态读取存取存储器(DRAM))、射频(RF)芯片、WiFi组合芯片和功率放大器。因此，期望的是减小电子系统中的电压调节器的尺寸。功率调节器包括半导体芯片，诸如DC-DC调节器芯片，其将功率从功率源(例如，电池)递送到输出负载。输出负载可以包括电子设备中的各种集成芯片(例如，应用处理器、DRAM、NAND闪存)。为了高效地递送功率，电压调节器可以使用“降压(buck)”拓扑。这样的调节器被称为降压调节器。降压调节器使用电感器将电荷从功率源传递至输出负载。降压调节器可以使用功率开关以将电感器与多个电压中的一个连接/断开，从而提供作为多个电压的加权平均的输出电压。降压调节器可以通过控制电感器耦合到多个电压中的一个的时间量来调整输出电压。不幸地，降压调节器不适用于高度集成的电子系统。特别是在功率转换比高时并且在输出负载消耗的电流量高时，降压调节器的转换效率取决于电感器的尺寸。因为电感器可占据大面积且庞大而无法集成在芯片上或封装上，所以现有的降压调节器通常使用大量片外电感器组件。此策略通常需要印刷电路板上的大面积，这转而增加了电子设备的尺寸。随着移动片上系统(SoC)变得更加复杂并且需要由电压调节器递送越来越大量的电压域，挑战加剧。
技术实现思路
所公开主题的一些实施例包括电压调节器，用于将输入端子处的输入电压调节到输出端子处的输出电压。调节器包括电容器矩阵，其具有第一电容器子矩阵和第二电容器子矩阵。调节器还包括开关矩阵，其具有第一开关子矩阵、第二开关子矩阵、第三开关子矩阵、第四开关子矩阵和第五开关子矩阵。第一电容器子矩阵中的电容器通过第一开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到输出端子，并且还通过第二开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到接地端子。第二电容器子矩阵中的电容器通过第三开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到输出端子，并且还通过第四开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到接地端子。而且，第五开关子矩阵具有串联布置在输入端子和输出端子之间的N个开关，并且第五开关子矩阵中的每个开关被连接到第一电容器子矩阵中的相关联电容器和第二电容器子矩阵中的相关联电容器。接通第五开关子矩阵中最靠近输入端子的K个开关以重新配置电压调节器来提供(N-K)：1的转换比，其中K是小于N的非负值。在本文公开的一个或多个实施例中，开关矩阵被配置为在保持K个开关接通的同时以预定占空比在第一配置和第二配置之间交替，以便以(N-K)：1的转换比将输入电压调节为输出电压。在本文公开的一个或多个实施例中，K个开关中的一个被配置为使被连接到K个开关中的所述一个的第一电容器子矩阵中的一个电容器和第二电容器子矩阵中的一个电容器并联。在本文公开的一个或多个实施例中，第二开关矩阵中耦接到第一电容器子矩阵中的所述一个电容器的第一开关和第四开关矩阵中耦接到第二电容器子矩阵中的所述一个电容器的第二开关使用相同开关信号来控制。在本文公开的一个或多个实施例中，第一开关矩阵中耦合到第一电容器子矩阵中的所述一个电容器的第一开关和第三开关矩阵中耦合到第二电容器子矩阵中的所述一个电容器的第二开关使用相同开关信号来控制。在本文公开的一个或多个实施例中，K为零。在本文公开的一个或多个实施例中，K是N-1。在本文公开的一个或多个实施例中，K是0与N-1范围内的值。在本文公开的一个或多个实施例中，第五开关子矩阵中的开关数量是N。所公开主题的一些实施例包括电压调节器，用于将输入端子处的输入电压调节到输出端子处的输出电压。调节器包括电容器矩阵，其具有第一电容器子矩阵和第二电容器子矩阵。调节器还包括开关矩阵，其具有第一开关子矩阵、第二开关子矩阵和第三开关子矩阵。第一开关子矩阵中的一个开关被耦合到第一电容器子矩阵中的两个相关联电容器。第二开关子矩阵中的一个开关被耦合到第二电容器子矩阵中的两个相关联电容器。第三开关子矩阵具有串联布置在输入端子和输出端子之间的N个开关，并且第三开关子矩阵中的每个开关被连接到第一电容器子矩阵中的相关联电容器和第二电容子矩阵中的相关联电容器。第一开关子矩阵和第二开关子矩阵中最靠近输入端子的K个开关(不包括第一开关子矩阵中被连接到输入端子的顶部开关)被接通以重新配置电压调节器来提供(N-K)：1的转换比，其中K是小于N的非负值。在本文公开的一个或多个实施例中，第三开关子矩阵中的K个开关(不包括第三开关子矩阵中被连接到输入端子的顶部开关)被断开以重新配置电压调节器来提供(N-K)：1的转换比。在本文公开的一个或多个实施例中，开关矩阵被配置为在保持第三开关子矩阵中的K个开关接通的同时以预定占空比在第一配置和第二配置之间交替，以便以(N-K)：1的转换比将输入电压调节到输出电压。在本文公开的一个或多个实施例中，当K是奇数时，第三开关子矩阵中的顶部开关在第一配置和第二配置中均被断开，并且其中当K是偶数时，第一开关子矩阵中的顶部开关在第一配置和第二配置中均被断开。在本文公开的一个或多个实施例中，第一电容器子矩阵中的每个电容器通过第一开关而被耦合到接地端子，并且通过第二开关而被耦合到输出端子。在本文公开的一个或多个实施例中，第二电容器子矩阵中的每个电容器通过第三开关而被耦合到输出端子，并且通过第四开关而被耦合到接地端子。所公开主题的一些实施例包括一种设备。该设备包括用于重新配置电压调节器以将转换比从N：1修改为(N-K)：1的装置，其中K是小于N的非负值。在本文公开的一个或多个实施例中，电压调节器是DicksonStar电压调节器。所公开主题的一些实施例包括电压调节器，其被配置为接收第一电压信号并至少部分地基于第一电压信号提供最终电压信号。电压调节器包括由电感器组成的开关式电感器调节器，其中电感器的第一端子包括该开关式电感器调节器的被配置为接收第一电压信号的输入端子，并且电感器的第二端子包括该开关式电感器调节器的被配置为提供中间电压信号的输出端子。电压调节器包括降压调节器，该降压调节器包括：输入端子，被配置为从开关式电感器调节器的输出端子接收中间电压信号；开关矩阵；多个电容器；以及输本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于将输入端子处的输入电压调节到输出端子处的输出电压的电压调节器，所述调节器包括：电容器矩阵，其包括第一电容器子矩阵和第二电容器子矩阵；开关矩阵，其包括第一开关子矩阵、第二开关子矩阵、第三开关子矩阵、第四开关子矩阵和第五开关子矩阵，其中：所述第一电容器子矩阵中的电容器通过所述第一开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到所述输出端子，并且还通过所述第二开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到接地端子；所述第二电容器子矩阵中的电容器通过所述第三开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到所述输出端子，并且还通过所述第四开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到所述接地端子；以及所述第五开关子矩阵包括被串联布置在所述输入端子和所述输出端子之间的N个开关，并且所述第五开关子矩阵中的每个开关被连接到所述第一电容器子矩阵中的相关联电容器和所述第二电容器子矩阵中的相关联电容器；并且其中，所述第五开关子矩阵中的最靠近所述输入端子的K个开关被接通以重新配置所述电压调节器来提供(N‑K)：1的转换比，其中K是小于N的非负值。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2016.04.18 US 62/324,0911.一种用于将输入端子处的输入电压调节到输出端子处的输出电压的电压调节器，所述调节器包括：电容器矩阵，其包括第一电容器子矩阵和第二电容器子矩阵；开关矩阵，其包括第一开关子矩阵、第二开关子矩阵、第三开关子矩阵、第四开关子矩阵和第五开关子矩阵，其中：所述第一电容器子矩阵中的电容器通过所述第一开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到所述输出端子，并且还通过所述第二开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到接地端子；所述第二电容器子矩阵中的电容器通过所述第三开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到所述输出端子，并且还通过所述第四开关子矩阵中的相关联开关而被耦合到所述接地端子；以及所述第五开关子矩阵包括被串联布置在所述输入端子和所述输出端子之间的N个开关，并且所述第五开关子矩阵中的每个开关被连接到所述第一电容器子矩阵中的相关联电容器和所述第二电容器子矩阵中的相关联电容器；并且其中，所述第五开关子矩阵中的最靠近所述输入端子的K个开关被接通以重新配置所述电压调节器来提供(N-K)：1的转换比，其中K是小于N的非负值。2.根据权利要求1所述的电压调节器，其中，所述开关矩阵被配置为在保持所述K个开关接通的同时以预定占空比在第一配置和第二配置之间交替，以便以所述(N-K)：1的转换比将所述输入电压调节到所述输出电压。3.根据权利要求1-2中的一项所述的电压调节器，其中，所述K个开关中的一个开关被配置为使被连接到所述K个开关中的所述一个开关的所述第一电容器子矩阵中的一个电容器和所述第二电容器子矩阵中的一个电容器并联。4.根据权利要求3所述的电压调节器，其中，所述第二开关矩阵中的被耦合到所述第一电容器子矩阵中的所述一个电容器的第一开关、和所述第四开关矩阵中的被耦合到所述第二电容器子矩阵中的所述一个电容器的第二开关使用相同开关信号来控制。5.根据权利要求3所述的电压调节器，其中，所述第一开关矩阵中的被耦合到所述第一电容器子矩阵中的所述一个电容器的第一开关、和所述第三开关矩阵中的被耦合到所述第二电容器子矩阵中的所述一个电容器的第二开关使用相同开关信号来控制。6.根据权利要求1-5中的一项所述的电压调节器，其中，K是0和N-1范围内的值。7.根据权利要求1-6中的一项所述的电压调节器，其中，所述第五开关子矩阵中的开关的数量是N。8.一种用于将输入端子处的输入电压调节到输出端子处的输出电压的电压调节器，所述调节器包括：电容器矩阵，其包括第一电容器子矩阵和第二电容器子矩阵；开关矩阵，其包括第一开关子矩阵、第二开关子矩阵和第三开关子矩阵，其中：所述第一开关子矩阵中的一个开关被耦合到所述第一电容器子矩阵中的两个相关联电容器；所述第二开关子矩阵中的一个开关被耦合到所述第二电容器子矩阵中的两个相关联电容器；以及所述第三开关子矩阵包括被串联布置在所述输入端子和所述输出端子之间的N个开关，并且所述第三开关子矩阵中的每个开关被连接到所述第一电容器子矩阵中的相关联电容器和所述第二电容器子矩阵中的相关联电容器；并且其中，除所述第一开关子矩阵中的被连接到所述输入端子的顶部开关之外，所述第一开关子矩阵和所述第二开关子矩阵中的最靠近所述输入端子的K个开关被接通以重新配置所述电压调节器来提供(N-K)：1的转换比，其中K是小于N的非负值。9.根据权利要求8所述的电压调节器，其中，除所述第三开关子矩阵中的被连接到所述输入端子的顶部开关之外，所述第三开关子矩阵中的K个开关被断开以重新配置所述电压调节器来提供所述(N-K)：1的转换比。10.根据权利要求8-9中的一项所述的电压调节器，其中，所述开关矩阵被配置为在保持所述第三开关子矩阵中的所述K个开关接通的同时以预定占空比在第一配置和第二配置之间交替，以便以所述(N-K)：1的转换比将所述输入电压调节到所述输出电压。11.根据权利要求10所述的电压调节器，其中，当K为奇数时，所述第三开关子矩阵中的顶部开关在所述第一配置和所述第二配置两者中都被断开，并且其中，当K为偶数时，所述第一开关子矩阵中的顶部开关在所述第一配置和所述第二配置两者中都被断开。12.根据权利要求8-11所述的电压调节器，其中，所述第一电容器子矩阵中的每个电容器通过第一开关而被耦合到所述接地端子，并且通过第二开关而被耦合到所述输出端子。13.根据权利要求8-12中的一项所述的电压调节器，其中，所述第二电容器子矩阵中的每个电容器通过第三开关而被耦合到所述输出端子，并且通过第四开关而被耦合到所述接地端子。14.一种设备，包括：用于重新配置电压调节器以将转换比从N：1修改为(N-K)：1的装置，其中K是小于N的非负值。15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述电压调节器是DicksonStar电压调节器。16.一种电子系统，包括：根据权利要求1-15中的一项所述的电压调节器；和被耦合到所述电压调节器的目标负载系统，其中，所述电压调节器中的降压调节器的输出端子被耦合到所述目标负载系统。17.根据权利要求16所述的电子系统，其中，所述目标负载系统包括电池，并且所述电压调节器被配置为从通用串行总线的电源线接收第一电压信号，并且将最终电压信号提供给所述电池。18.一种电子系统，包括：根据权利要求1-15中的一项所述的电压调节器，其中，所述电压调节器被配置为以反方向操作，在所述反方向下，所述电压调节器中的降压调节器的输出端子被耦合到输入电压源，并且所述开关式电感器调节器的第一输入端子被耦合到所述电压调节器的目标负载。19.根据权利要求18所述的电子系统，其中，以反方向操作所述电压调节器的所述电子系统被配置为将所述电压调节器作为升压调节器来操作。20.根据权利要求19所述的电子系统，其中，所述降压调节器的输出端子被耦合到电池，并且...

【专利技术属性】
技术研发人员：阿尔贝托·亚历山德罗·安吉洛·普杰利，托马斯·李，金元英，约翰·克罗斯利，汉福·勒，
申请(专利权)人：莱恩半导体股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US