用于提供混合式電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)備、系統(tǒng)和方法
【專利說明】
[0001] 相關(guān)申請的交叉引用
[0002] 本申請基于35U.S.C.§119(e)要求于2013年4月11日提交的題為"SYSTEMS AND MET冊DS FOR providing A HYBRID VOLTAGE REGULATO護的美國臨時申請No.61/810,998的 較早申請日的權(quán)益，通過引用方式將其全部內(nèi)容并入本文。 陶]關(guān)于聯(lián)邦政府資助的研究或開發(fā)的聲明
[0004] 本發(fā)明利用基于由國家科學(xué)基金會(NSF)批準(zhǔn)的1248828的政府支持進行。政府具 有本發(fā)明的某些權(quán)利。
技術(shù)領(lǐng)域
[0005] 本公開設(shè)及用于提供混合式電壓調(diào)節(jié)器的設(shè)備、系統(tǒng)和方法。
【背景技術(shù)】
[0006] 存在減小電子系統(tǒng)的尺寸的強烈需求。尺寸減小在空間寶貴的移動電子設(shè)備中尤 其是期望的，但是在被放置在大數(shù)據(jù)中屯、中的服務(wù)器中也是期望的，因為在固定房產(chǎn)中塞 進盡可能多的服務(wù)器是重要的。
[0007] 電子系統(tǒng)中的最大部件之一包括電壓調(diào)節(jié)器(有時還被稱為功率調(diào)節(jié)器）。電壓 (或功率)調(diào)節(jié)器被設(shè)計用于將源電壓信號的源電壓轉(zhuǎn)換為目標(biāo)電壓，使得目標(biāo)電壓能夠服 務(wù)電壓/功率調(diào)節(jié)器的輸出負載。功率調(diào)節(jié)器常常包括大量笨重的片外部件W將電壓遞送 到集成忍片，包括處理器、存儲裝置（例如，動態(tài)讀取存取存儲器(DRAM)、射頻(RF)忍片、 WiFi復(fù)合忍片和功率放大器。因此，期望減小電子系統(tǒng)中的電壓調(diào)節(jié)器的尺寸。
[000引功率調(diào)節(jié)器包括諸如DC-DC調(diào)節(jié)器忍片的半導(dǎo)體忍片，其將來自電源（例如電池） 的功率遞送到輸出負載。輸出負載能夠包括電子設(shè)備中的各種集成忍片（例如，應(yīng)用處理 器、DRAM、NAND閃速存儲器）。為了高效遞送功率，電壓調(diào)節(jié)器能夠使用"buck"拓撲結(jié)構(gòu)。運 樣的調(diào)節(jié)器被稱為buck調(diào)節(jié)器。Buck調(diào)節(jié)器使用電感器將電荷從電源轉(zhuǎn)移到輸出負載。 buck調(diào)節(jié)器能夠使用功率開關(guān)來將電感器連接到多個電壓中一個/與多個電壓中的一個斷 開連接，由此提供為多個電壓的加權(quán)平均的輸出電壓。Buck調(diào)節(jié)器能夠通過控制電感器禪 合到多個電壓中的一個的時間量來調(diào)節(jié)輸出電壓。
[0009] 遺憾的是，buck調(diào)節(jié)器不適合于高度集成的電子系統(tǒng)。buck調(diào)節(jié)器的轉(zhuǎn)換效率取 決于電感器的尺寸，尤其是當(dāng)功率轉(zhuǎn)換比率很高時并且當(dāng)由輸出負載消耗的電流量很高 時。因為電感器能夠占據(jù)很大面積并且對于集成在管忍上或封裝上而言是笨重的，所W現(xiàn) 有的buck調(diào)節(jié)器常常使用大量片外電感器部件。該策略常常需要印刷電路板上的很大面 積，運轉(zhuǎn)而增大了電子設(shè)備的尺寸。隨著移動片上系統(tǒng)(SoC)變得越來越復(fù)雜并且需要越來 越多數(shù)量的電壓域要由電壓調(diào)節(jié)器遞送，該挑戰(zhàn)被加重。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 所公開的主題的一些實施例包括一種電壓調(diào)節(jié)器。所述電壓調(diào)節(jié)器被配置為接收 第一電壓信號并且至少部分基于所述第一電壓信號來提供最終電壓信號。所述電壓調(diào)節(jié)器 包括:快速開關(guān)電感型調(diào)節(jié)器，其具有被配置為接收第一電壓信號的第一輸入端、被配置為 接收第二電壓信號的第二輸入端W及被配置為至少部分基于所述第一電壓信號和所述第 二電壓信號來提供中間電壓信號的輸出端；降壓調(diào)節(jié)器，其包括禪合到所述快速開關(guān)電感 型調(diào)節(jié)器的所述輸出端的輸入端、輸出端W及多個電容器，其中，所述降壓調(diào)節(jié)器被配置為 在所述降壓調(diào)節(jié)器的所述輸入端處接收來自所述快速開關(guān)電感型調(diào)節(jié)器的所述輸出端的 所述中間電壓信號并且使用所述多個電容器的預(yù)定配置來向所述降壓調(diào)節(jié)器的所述輸出 端提供所述最終電壓信號；W及電平移位調(diào)節(jié)器，其包括輸入端、輸出端、快速電容器W及 多個開關(guān)，其中，所述電平移位調(diào)節(jié)器被配置為在所述電平移位調(diào)節(jié)器的所述輸入端處接 收所述降壓調(diào)節(jié)器的所述最終電壓信號并且在所述電平移位調(diào)節(jié)器的所述輸出端處提供 所述第二電壓信號，所述第二電壓信號是基于所述降壓調(diào)節(jié)器的所述最終電壓信號的。
[0011] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述電平移位調(diào)節(jié)器能夠被配置為改 變所述多個開關(guān)的配置W設(shè)置所述快速電容器與所述快速開關(guān)電感型調(diào)節(jié)器的所述第一 輸入端和所述第二輸入端并聯(lián)。
[0012] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述電平移位調(diào)節(jié)器能夠被配置為改 變所述多個開關(guān)的配置W設(shè)置所述快速電容器與所述降壓調(diào)節(jié)器的所述輸出端和接地點 并聯(lián)。
[0013] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述快速開關(guān)電感型調(diào)節(jié)器能夠包括 具有在100皮亨利和1微亨利的范圍內(nèi)的電感的電感器。
[0014] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述降壓調(diào)節(jié)器中的所述多個電感器 中的至少一個能夠使用動態(tài)隨機存取存儲器(DRAM)制造工藝來制造。
[0015] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述快速開關(guān)電感型調(diào)節(jié)器能夠包括 被配置為W時間交錯的方式并行操作的多個調(diào)節(jié)器。
[0016] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述快速開關(guān)電感型調(diào)節(jié)器能夠被配 置為W第一切換頻率操作，并且所述降壓調(diào)節(jié)器能夠被配置為W第二切換頻率操作。
[0017] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述電壓調(diào)節(jié)器還能夠包括被配置為 調(diào)節(jié)所述降壓調(diào)節(jié)器的所述最終電壓信號的第一控制回路和被配置為調(diào)節(jié)所述快速開關(guān) 電感型調(diào)節(jié)器的所述中間電壓信號的第二控制回路。
[0018] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述第一控制回路能夠被配置為操作 所述降壓調(diào)節(jié)器W在輸出節(jié)點處提供所述中間電壓信號的分?jǐn)?shù)，使得所述降壓調(diào)節(jié)器W提 供高轉(zhuǎn)換效率的配置操作。
[0019] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述第一控制回路能夠被配置為操作 所述降壓調(diào)節(jié)器W使所述降壓調(diào)節(jié)器的所述最終電壓信號處在目標(biāo)輸出電壓的預(yù)定誤差 范圍內(nèi)。
[0020] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述快速開關(guān)電感型調(diào)節(jié)器和所述降 壓調(diào)節(jié)器，不包括所述快速開關(guān)電感型調(diào)節(jié)器，能夠被設(shè)置在單個管忍中。
[0021] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述電感器能夠被設(shè)置作為封裝上或 板上的分立部件。
[0022] 所公開的主題的一些實施例包括一種電子系統(tǒng)。所述電子系統(tǒng)能夠包括本文公開 的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例。所述電子系統(tǒng)還能夠包括目標(biāo)負載系統(tǒng)，所述目標(biāo)負載系統(tǒng) 禪合到所述電壓調(diào)節(jié)器，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器中的所述降壓調(diào)節(jié)器的所述輸出端禪合到 所述目標(biāo)負載系統(tǒng)。
[0023] 在本文公開的電子系統(tǒng)的一些實施例中，所述目標(biāo)負載系統(tǒng)能夠包括電池，并且 所述電壓調(diào)節(jié)器被配置為接收來自通用串行總線的電力線的所述第一電壓信號并將所述 最終電壓信號提供到所述電池。
[0024] 在本文公開的電子系統(tǒng)的一些實施例中，所述目標(biāo)負載系統(tǒng)能夠包括片上系統(tǒng) (SoC)，并且所述SoC和所述電壓調(diào)節(jié)器能夠被封裝在單個SoC封裝中。
[0025] 在本文公開的電子系統(tǒng)的一些實施例中，所述目標(biāo)負載系統(tǒng)能夠包括片上系統(tǒng) (SoC),并且所述SoC和所述電壓調(diào)節(jié)器能夠被設(shè)置在印刷電路板(PCB)中。
[0026] 所公開的主題的一些實施例包括一種電子系統(tǒng)。所述電子系統(tǒng)能夠包括本文公開 的電壓調(diào)節(jié)器的實施例，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器被配置為W反向方向操作，在所述反向方向 中，所述電壓調(diào)節(jié)器中的所述降壓調(diào)節(jié)器的所述輸出端禪合到輸入電壓源，并且所述快速 開關(guān)電感型調(diào)節(jié)器的所述第一輸入端禪合到所述電壓調(diào)節(jié)器的目標(biāo)負載。
[0027] 在本文公開的電子系統(tǒng)的一些實施例中，W反向方向操作所述電壓調(diào)節(jié)器的所述 電子系統(tǒng)能夠被配置為將所述電壓調(diào)節(jié)器操作為升壓調(diào)節(jié)器。
[0028] 在本文公開的電子系統(tǒng)的一些實施例中，所述降壓調(diào)節(jié)器的所述輸出端能夠禪合 到電池，并且所述快速開關(guān)電感型調(diào)節(jié)器的所述第一輸入端能夠禪合到通用串行總線的電 力線。
[0029] 所公開的主題的一些實施例包括一種使用包括快速開關(guān)電感型調(diào)節(jié)器和降壓調(diào) 節(jié)器的電壓調(diào)節(jié)器來將第一電壓信號轉(zhuǎn)換為最終電壓信號的方法。所述方法能夠包括:在 所述快速開關(guān)電感型調(diào)節(jié)器的第一輸入端處接收所述第一電壓信號，并且在所述快速開關(guān) 電感型調(diào)節(jié)器的第二輸入端處接收第二電壓信號;至少部分基于所述第一電壓信號和所述 第二電壓信號在所述快速開關(guān)電感型調(diào)節(jié)器的輸出端處提供中間電壓信號;基于所述中間 電壓信號使用降壓調(diào)節(jié)器中的多個電容器的預(yù)定配置來向所述降壓調(diào)節(jié)器的輸出端提供 所述最終電壓信號；并且在電平移位調(diào)節(jié)器的輸入端處接收所述最終電壓信號，并且使用 所述電平移位調(diào)節(jié)器來向所述快速開關(guān)電感型調(diào)節(jié)器的所述第二輸入端提供基于所述最 終電壓信號確定的所述第二電壓信號，形成在所述降壓調(diào)節(jié)器的所述輸出端和所述快速開 關(guān)電感型調(diào)節(jié)器的所述第二輸入端之間的反饋路徑。
[0030] 在本文公開的方法的一些實施例中，所述電平移位調(diào)節(jié)器能夠包括快速電容器和 多個開關(guān)，并且所述方法能夠包括通過修改所述多個開關(guān)的配置來設(shè)置所述快速電容器與 所述快速開關(guān)電感型調(diào)節(jié)器的所述第一輸入端和所述第二輸入端并聯(lián)。
[0031] 在本文公開的方法的一些實施例中，所述電平移位調(diào)節(jié)器能夠包括快速電容器和 多個開關(guān)，并且所述方法能夠還包括通過修改所述多個開關(guān)的配置來設(shè)置所述快速電容器 與所述降壓調(diào)節(jié)器的所述輸出端和接地點并聯(lián)。
[0032] 所公開的主題一些實施例包括一種電壓調(diào)節(jié)器，所述電壓調(diào)節(jié)器被配置為接收第 一電壓信號并至少部分基于所述第一電壓信號來提供第二電壓信號。所述電壓調(diào)節(jié)器能夠 包括:接收調(diào)節(jié)器，其包括電感器，其中，所述接收調(diào)節(jié)器被配置為在所述電感器的第一端 處接收所述第一電壓信號并至少部分基于所述第一電壓信號在所述電感器的第二端處提 供中間電壓信號；W及降壓調(diào)節(jié)器，其包括多個輸入端和輸出端，其中，所述降壓調(diào)節(jié)器被 配置為在所述多個輸入端中的一個處針對時間段的一部分接收來自所述電感器的所述第 二端的所述中間電壓信號，并且基于接收到的中間電壓信號在所述輸出端處提供所述第二 電壓信號。
[0033] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述電壓調(diào)節(jié)器還能夠包括多個開 關(guān)，所述多個開關(guān)被配置為將所述電感器的所述第二端禪合到所述多個輸入端中的至少一 個。
[0034] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述多個開關(guān)中的第一開關(guān)被配置為 將所述電感器的所述第二端禪合到所述多個輸入端中的第一輸入端，其中，所述多個開關(guān) 中的第二開關(guān)被配置為將所述電感器的所述第二端禪合到所述多個輸入端中的第二輸入 端，并且所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)W時分復(fù)用的方式被接通。
[0035] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述降壓調(diào)節(jié)器被配置為將在所述第 一輸入端處的電壓減少第一量并且將在所述第二輸入端處的電壓減少第二量，所述第二量 不同于所述第一量。
[0036] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述電壓調(diào)節(jié)器還包括控制器，所述 控制器被配置為控制所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)的占空比W控制所述電壓調(diào)節(jié)器的所 述第二電壓信號。
[0037] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述降壓調(diào)節(jié)器能夠包括多個開關(guān)電 容型調(diào)節(jié)器。
[0038] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述接收調(diào)節(jié)器和所述多個開關(guān)能夠 形成快速開關(guān)電感型調(diào)節(jié)器。
[0039] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述降壓調(diào)節(jié)器和所述多個開關(guān)能夠 形成開關(guān)電容型調(diào)節(jié)器。
[0040] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述接收調(diào)節(jié)器能夠包括并聯(lián)開關(guān)， 所述并聯(lián)開關(guān)被配置為在所述電壓調(diào)節(jié)器初始上電時使所述電感器短路W減少勵磁涌流。
[0041] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述接收調(diào)節(jié)器能夠包括與所述電感 器串聯(lián)的串聯(lián)開關(guān)，其中，所述串聯(lián)開關(guān)被配置為在所述電壓調(diào)節(jié)器初始上電時將所述電 感器與所述第一開關(guān)和所述第二開關(guān)解禪W減少勵磁涌流。
[0042] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述電壓調(diào)節(jié)器能夠包括并聯(lián)調(diào)節(jié) 器，所述并聯(lián)調(diào)節(jié)器被配置為在所述電壓調(diào)節(jié)器初始上電時增大在所述電感器的所述第二 端處的電壓W減少勵磁涌流。
[0043] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述電壓調(diào)節(jié)器能夠包括并聯(lián)調(diào)節(jié) 器，所述并聯(lián)調(diào)節(jié)器被配置為在所述電壓調(diào)節(jié)器初始上電時增大在所述降壓調(diào)節(jié)器內(nèi)的節(jié) 點中的一個處的電壓W減少勵磁涌流。
[0044] 在本文公開的電壓調(diào)節(jié)器的一些實施例中，所述降壓調(diào)節(jié)器包括至少一個電容 器，并且所述至少一個電容器使用隨機存取存儲器(DRAM)制造工藝來制造。
[0045] 所公開的主題的一些實施例包括一種電子系統(tǒng)。所述電子系統(tǒng)包括根據(jù)一些實施 例的電壓調(diào)節(jié)器和禪合到所述電壓調(diào)節(jié)器的目標(biāo)負載系統(tǒng)，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器中的所 述開關(guān)電容型調(diào)節(jié)器的所述輸出端禪合到所述目標(biāo)負載系統(tǒng)。
[0046] 在本文公開的電子系統(tǒng)的一些實施例中，所述目標(biāo)負載系統(tǒng)包括電池，并且所述 電壓調(diào)節(jié)器被配置為接收來自通用串行總線的電力線的所述第一電壓信號并且將所述第 二電壓信號提供到所述電池 W使用所述通用串行總線的所述電力線來對所述電池進行充 電。
[0047] 所公開的主題的一些實施例包括一種電子系統(tǒng)。所述電子系統(tǒng)能夠包括根據(jù)一些 實施例的電壓調(diào)節(jié)器，其中，所述電壓調(diào)節(jié)器被配置為W反向方向操作，在所述反向方向 中，所述電壓調(diào)節(jié)器中的所述開關(guān)電容型調(diào)節(jié)器的所述輸出端禪合到輸入電壓源，并且所 述接收調(diào)節(jié)器中的所述電感器的所述第一端禪合到所述電壓調(diào)節(jié)器的目標(biāo)負載。
[0048] 在本文公開的電子系統(tǒng)的一些實施例中，W反向方向操作所述電壓調(diào)節(jié)器的所述 電子系統(tǒng)被配置為將所述電壓調(diào)節(jié)器操作為升壓調(diào)節(jié)器。
[0049] 在本文公開的電子系統(tǒng)的一些實施例中，所述電壓調(diào)節(jié)器中的所述開關(guān)電容型調(diào) 節(jié)器的所述輸出端禪合到電池，并且所述接收調(diào)節(jié)器中的所述電感器的所述第一端禪合到 通用串行總線的電力線。
[0050] 所公開的主題的一些實施例包括一種使用包括接收調(diào)節(jié)器和開關(guān)電容型調(diào)節(jié)器 的電壓調(diào)節(jié)器來將第一電壓信號轉(zhuǎn)換為第二電壓信號的方法。所述方法能夠包括:在所述 接收調(diào)節(jié)器中的電感器的第一端處接收所述第一電壓信號;至少部分基于所述第一電壓信 號在所述電感器的第二端處提供中間電壓信號;將所述電感器的所述第二端禪合到所述降 壓調(diào)節(jié)器的多個輸入端中的一個W將所述中間電壓信號提供到所述多個輸入端中的所述 一個;并且使用所述降壓調(diào)節(jié)器來將在所述多個輸入端中的所述一個處的所述中間電壓信 號轉(zhuǎn)換成所述第二電壓信號。
[0051 ]在本文公開的方法的一些實施例中，所述多個輸入端中的一個禪合到接地點。
[0052] 在本文公開的方法的一些實施例中，所述方法能夠包括經(jīng)由第一開關(guān)針對第一持 續(xù)時間將所述電感器的所述第二端禪合到所述多個輸入端中的第一輸入端，并且經(jīng)由第二 開關(guān)針對第二持續(xù)時間將所述電感器的所述第二端禪合到所述多個輸入端中的第二輸入 JLjJU 乂而。
[0053] 在本文公開的方法的一些實施例中，所述方法能夠包括控制所述第一持續(xù)時間與 所述第二持續(xù)時間的比率W控制所述第二電壓信號。
[0054] 在本文公開的方法的一些實施例中，所述方法能夠包括在所述電壓調(diào)節(jié)器初始上 電時使用并聯(lián)開關(guān)拉來使所述電感器的所述第一端和所述第二端短路W減少勵磁涌流。
[0055] 在本文公開的方法的一些實施例中，所述方法能夠包括在所述電壓調(diào)節(jié)器初始上 電時使用并聯(lián)調(diào)節(jié)器來增大在所述電感器的所述第二端處的電壓W減少勵磁涌流。
[0056] 在本文公開的方法的一些實施例中，所述電壓調(diào)節(jié)器中的所述開關(guān)電容型調(diào)節(jié)器 的所述輸出端能夠禪合到輸入電壓源，并且所述接收調(diào)節(jié)器中的所述電感器的所述第一端 能夠禪合到所述電壓調(diào)節(jié)器的目標(biāo)負載從而W反向方向操作所述電壓調(diào)節(jié)器。
[0057] 已經(jīng)由此相當(dāng)寬泛地概述了所公開的主題的特征W便可W更好地理解下面的對 其的詳細描述并且W便可W更好地認(rèn)識到對本領(lǐng)域的當(dāng)前貢獻。當(dāng)然，還存在所公開的主 題的額外的特征，其將在下文進行描述并且