[发明专利]非对称切换电容器调节器

说明书

本公开提供了一种能够以高效率提供覆盖宽电压范围的输出电压的非对称切换电容器调节器。所公开的切换电容器调节器被配置为通过将切换电容器调节器中的一个或多个切换电容器两端的电压与其余切换电容器两端的电压差分来产生宽范围的输出电压。

相关申请的交叉引用

本发明基于35U.S.C.§119(e)要求2015年4月17日提交的题为“ASYMMETRICSWITCHING CAPACITOR REGULATOR”的美国临时申请No.62/148,901的最早申请日的权益，其整体通过引用合并于本文。

关于联邦资助的研究或发展的声明

本发明是在政府支持下基于由国家科学基金会(NSF)授予的1353640和1447003而做出的。政府对本发明享有一定权利。

技术领域

本公开涉及非对称切换电容器调节器。

背景技术

存在对减小电子系统尺寸的强烈需求。尺寸的减小在空间稀缺的移动电子器件中是尤为期望的，但在放置于大数据中心中的服务器中同样是期望的，因为在不动资产中尽可能多地压缩服务器很重要。

电子系统中的最大部件之一包括电压调节器(也被称为功率调节器)。功率调节器通常包括向集成芯片递送电压的大量的大体积片外部件，其包括处理器、存储器装置(例如动态读存取存储器(DRAM))、射频(RF)芯片、WiFi整合(combo)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。

功率调节器包括诸如DC-DC调节器芯片之类的将来自电源(例如电池)的电力递送给输出负载的半导体芯片。输出负载可以包括电子装置中的各种集成芯片(例如，应用处理器、DRAM、NAND闪速存储器)。为了有效递送电力，电压调节器可以使用“buck(降压型)”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来自电源的电荷转移至输出负载。降压调节器可以使用功率开关来将电感器与多个电压中的一个进行连接/断开连接，从而提供了作为所述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被耦接到所述多个电压中的一个的时间量来调整输出电压。

遗憾的是，降压调节器不适合高度集成的电子系统。降压调节器的转换效率取决于电感器的尺寸，尤其是当功率转换比率很高时以及当输出负载消耗的电流量很高时。因为电感器会占据很大面积并且体积大，从而无法片上集成或封装件上(on-package)集成，所以现有的降压调节器通常使用大量片外电感器部件。这一策略通常需要印刷电路板上的很大面积，这转而增大了电子装置的尺寸。该挑战随着移动片上系统(SoC)变得更复杂并且电压调节器要递送的电压域数量越来越多而加剧。

另一类型的功率调节器是切换电容器调节器，其中使用电容器替代电感器。遗憾的是，切换电容器仅在特定的输入-输出电压比率处有效，并在该比率偏离预定值时变得功率无效。

发明内容

所公开的主题的一些实施例包括一种电压调节器。所述电压调节器被配置为在输入节点接收输入电压并且在输出节点提供输出电压。所述电压调节器包括：电感器；第一电容器，其被配置为容纳第一电压；以及第二电容器，其被配置为容纳第二电压。所述电压调节器还包括开关矩阵，其被配置为在第一配置与第二配置之间交替，其中，在所述第一配置中，所述开关矩阵被配置为通过所述电感器以并联关系耦接所述第一电容器和所述第二电容器，并且其中，在所述第二配置中，所述开关矩阵被配置为以串联方式将所述第一电容器和所述第二电容器耦接在所述输入节点与地节点之间。所述电压调节器还包括多个功率开关，其被配置为在所述第一配置中通过所述电感器感生电流以提供所述第一电压与所述第二电压之间的电压差分。

在本文所公开的电压调节器的一些实施例中，在所述第一配置中，所述电感器和所述第一电容器为串联关系，并且所述电感器与所述第一电容器共同地与所述第二电容器为并联关系。