用于提供混合式电压调节器的设备、系统和方法
【专利说明】
[0001] 相关申请的交叉引用
[0002] 本申请基于35U.S.C.§119(e)要求于2013年4月11日提交的题为"SYSTEMS AND MET册DS FOR providing A HYBRID VOLTAGE REGULATO护的美国临时申请No.61/810,998的 较早申请日的权益，通过引用方式将其全部内容并入本文。 陶]关于联邦政府资助的研究或开发的声明
[0004] 本发明利用基于由国家科学基金会(NSF)批准的1248828的政府支持进行。政府具 有本发明的某些权利。
技术领域
[0005] 本公开设及用于提供混合式电压调节器的设备、系统和方法。
【背景技术】
[0006] 存在减小电子系统的尺寸的强烈需求。尺寸减小在空间宝贵的移动电子设备中尤 其是期望的，但是在被放置在大数据中屯、中的服务器中也是期望的，因为在固定房产中塞 进尽可能多的服务器是重要的。
[0007] 电子系统中的最大部件之一包括电压调节器(有时还被称为功率调节器）。电压 (或功率)调节器被设计用于将源电压信号的源电压转换为目标电压，使得目标电压能够服 务电压/功率调节器的输出负载。功率调节器常常包括大量笨重的片外部件W将电压递送 到集成忍片，包括处理器、存储装置（例如，动态读取存取存储器(DRAM)、射频(RF)忍片、 WiFi复合忍片和功率放大器。因此，期望减小电子系统中的电压调节器的尺寸。
[000引功率调节器包括诸如DC-DC调节器忍片的半导体忍片，其将来自电源（例如电池） 的功率递送到输出负载。输出负载能够包括电子设备中的各种集成忍片（例如，应用处理 器、DRAM、NAND闪速存储器）。为了高效递送功率，电压调节器能够使用"buck"拓扑结构。运 样的调节器被称为buck调节器。Buck调节器使用电感器将电荷从电源转移到输出负载。 buck调节器能够使用功率开关来将电感器连接到多个电压中一个/与多个电压中的一个断 开连接，由此提供为多个电压的加权平均的输出电压。Buck调节器能够通过控制电感器禪 合到多个电压中的一个的时间量来调节输出电压。
[0009] 遗憾的是，buck调节器不适合于高度集成的电子系统。buck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并且当由输出负载消耗的电流量很高 时。因为电感器能够占据很大面积并且对于集成在管忍上或封装上而言是笨重的，所W现 有的buck调节器常常使用大量片外电感器部件。该策略常常需要印刷电路板上的很大面 积，运转而增大了电子设备的尺寸。随着移动片上系统(SoC)变得越来越复杂并且需要越来 越多数量的电压域要由电压调节器递送，该挑战被加重。
【发明内容】
[0010] 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接收 第一电压信号并且至少部分基于所述第一电压信号来提供最终电压信号。所述电压调节器 包括:快速开关电感型调节器，其具有被配置为接收第一电压信号的第一输入端、被配置为 接收第二电压信号的第二输入端W及被配置为至少部分基于所述第一电压信号和所述第 二电压信号来提供中间电压信号的输出端；降压调节器，其包括禪合到所述快速开关电感 型调节器的所述输出端的输入端、输出端W及多个电容器，其中，所述降压调节器被配置为 在所述降压调节器的所述输入端处接收来自所述快速开关电感型调节器的所述输出端的 所述中间电压信号并且使用所述多个电容器的预定配置来向所述降压调节器的所述输出 端提供所述最终电压信号；W及电平移位调节器，其包括输入端、输出端、快速电容器W及 多个开关，其中，所述电平移位调节器被配置为在所述电平移位调节器的所述输入端处接 收所述降压调节器的所述最终电压信号并且在所述电平移位调节器的所述输出端处提供 所述第二电压信号，所述第二电压信号是基于所述降压调节器的所述最终电压信号的。
[0011] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述电平移位调节器能够被配置为改 变所述多个开关的配置W设置所述快速电容器与所述快速开关电感型调节器的所述第一 输入端和所述第二输入端并联。
[0012] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述电平移位调节器能够被配置为改 变所述多个开关的配置W设置所述快速电容器与所述降压调节器的所述输出端和接地点 并联。
[0013] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述快速开关电感型调节器能够包括 具有在100皮亨利和1微亨利的范围内的电感的电感器。
[0014] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述降压调节器中的所述多个电感器 中的至少一个能够使用动态随机存取存储器(DRAM)制造工艺来制造。
[0015] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述快速开关电感型调节器能够包括 被配置为W时间交错的方式并行操作的多个调节器。
[0016] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述快速开关电感型调节器能够被配 置为W第一切换频率操作，并且所述降压调节器能够被配置为W第二切换频率操作。
[0017] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述电压调节器还能够包括被配置为 调节所述降压调节器的所述最终电压信号的第一控制回路和被配置为调节所述快速开关 电感型调节器的所述中间电压信号的第二控制回路。
[0018] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述第一控制回路能够被配置为操作 所述降压调节器W在输出节点处提供所述中间电压信号的分数，使得所述降压调节器W提 供高转换效率的配置操作。
[0019] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述第一控制回路能够被配置为操作 所述降压调节器W使所述降压调节器的所述最终电压信号处在目标输出电压的预定误差 范围内。
[0020] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述快速开关电感型调节器和所述降 压调节器，不包括所述快速开关电感型调节器，能够被设置在单个管忍中。
[0021] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述电感器能够被设置作为封装上或 板上的分立部件。
[0022] 所公开的主题的一些实施例包括一种电子系统。所述电子系统能够包括本文公开 的电压调节器的一些实施例。所述电子系统还能够包括目标负载系统，所述目标负载系统 禪合到所述电压调节器，其中，所述电压调节器中的所述降压调节器的所述输出端禪合到 所述目标负载系统。
[0023] 在本文公开的电子系统的一些实施例中，所述目标负载系统能够包括电池，并且 所述电压调节器被配置为接收来自通用串行总线的电力线的所述第一电压信号并将所述 最终电压信号提供到所述电池。
[0024] 在本文公开的电子系统的一些实施例中，所述目标负载系统能够包括片上系统 (SoC)，并且所述SoC和所述电压调节器能够被封装在单个SoC封装中。
[0025] 在本文公开的电子系统的一些实施例中，所述目标负载系统能够包括片上系统 (SoC),并且所述SoC和所述电压调节器能够被设置在印刷电路板(PCB)中。
[0026] 所公开的主题的一些实施例包括一种电子系统。所述电子系统能够包括本文公开 的电压调节器的实施例，其中，所述电压调节器被配置为W反向方向操作，在所述反向方向 中，所述电压调节器中的所述降压调节器的所述输出端禪合到输入电压源，并且所述快速 开关电感型调节器的所述第一输入端禪合到所述电压调节器的目标负载。
[0027] 在本文公开的电子系统的一些实施例中，W反向方向操作所述电压调节器的所述 电子系统能够被配置为将所述电压调节器操作为升压调节器。
[0028] 在本文公开的电子系统的一些实施例中，所述降压调节器的所述输出端能够禪合 到电池，并且所述快速开关电感型调节器的所述第一输入端能够禪合到通用串行总线的电 力线。
[0029] 所公开的主题的一些实施例包括一种使用包括快速开关电感型调节器和降压调 节器的电压调节器来将第一电压信号转换为最终电压信号的方法。所述方法能够包括:在 所述快速开关电感型调节器的第一输入端处接收所述第一电压信号，并且在所述快速开关 电感型调节器的第二输入端处接收第二电压信号;至少部分基于所述第一电压信号和所述 第二电压信号在所述快速开关电感型调节器的输出端处提供中间电压信号;基于所述中间 电压信号使用降压调节器中的多个电容器的预定配置来向所述降压调节器的输出端提供 所述最终电压信号；并且在电平移位调节器的输入端处接收所述最终电压信号，并且使用 所述电平移位调节器来向所述快速开关电感型调节器的所述第二输入端提供基于所述最 终电压信号确定的所述第二电压信号，形成在所述降压调节器的所述输出端和所述快速开 关电感型调节器的所述第二输入端之间的反馈路径。
[0030] 在本文公开的方法的一些实施例中，所述电平移位调节器能够包括快速电容器和 多个开关，并且所述方法能够包括通过修改所述多个开关的配置来设置所述快速电容器与 所述快速开关电感型调节器的所述第一输入端和所述第二输入端并联。
[0031] 在本文公开的方法的一些实施例中，所述电平移位调节器能够包括快速电容器和 多个开关，并且所述方法能够还包括通过修改所述多个开关的配置来设置所述快速电容器 与所述降压调节器的所述输出端和接地点并联。
[0032] 所公开的主题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接收第 一电压信号并至少部分基于所述第一电压信号来提供第二电压信号。所述电压调节器能够 包括:接收调节器，其包括电感器，其中，所述接收调节器被配置为在所述电感器的第一端 处接收所述第一电压信号并至少部分基于所述第一电压信号在所述电感器的第二端处提 供中间电压信号；W及降压调节器，其包括多个输入端和输出端，其中，所述降压调节器被 配置为在所述多个输入端中的一个处针对时间段的一部分接收来自所述电感器的所述第 二端的所述中间电压信号，并且基于接收到的中间电压信号在所述输出端处提供所述第二 电压信号。
[0033] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述电压调节器还能够包括多个开 关，所述多个开关被配置为将所述电感器的所述第二端禪合到所述多个输入端中的至少一 个。
[0034] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述多个开关中的第一开关被配置为 将所述电感器的所述第二端禪合到所述多个输入端中的第一输入端，其中，所述多个开关 中的第二开关被配置为将所述电感器的所述第二端禪合到所述多个输入端中的第二输入 端，并且所述第一开关和所述第二开关W时分复用的方式被接通。
[0035] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述降压调节器被配置为将在所述第 一输入端处的电压减少第一量并且将在所述第二输入端处的电压减少第二量，所述第二量 不同于所述第一量。
[0036] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述电压调节器还包括控制器，所述 控制器被配置为控制所述第一开关和所述第二开关的占空比W控制所述电压调节器的所 述第二电压信号。
[0037] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述降压调节器能够包括多个开关电 容型调节器。
[0038] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述接收调节器和所述多个开关能够 形成快速开关电感型调节器。
[0039] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述降压调节器和所述多个开关能够 形成开关电容型调节器。
[0040] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述接收调节器能够包括并联开关， 所述并联开关被配置为在所述电压调节器初始上电时使所述电感器短路W减少励磁涌流。
[0041] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述接收调节器能够包括与所述电感 器串联的串联开关，其中，所述串联开关被配置为在所述电压调节器初始上电时将所述电 感器与所述第一开关和所述第二开关解禪W减少励磁涌流。
[0042] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述电压调节器能够包括并联调节 器，所述并联调节器被配置为在所述电压调节器初始上电时增大在所述电感器的所述第二 端处的电压W减少励磁涌流。
[0043] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述电压调节器能够包括并联调节 器，所述并联调节器被配置为在所述电压调节器初始上电时增大在所述降压调节器内的节 点中的一个处的电压W减少励磁涌流。
[0044] 在本文公开的电压调节器的一些实施例中，所述降压调节器包括至少一个电容 器，并且所述至少一个电容器使用随机存取存储器(DRAM)制造工艺来制造。
[0045] 所公开的主题的一些实施例包括一种电子系统。所述电子系统包括根据一些实施 例的电压调节器和禪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所 述开关电容型调节器的所述输出端禪合到所述目标负载系统。
[0046] 在本文公开的电子系统的一些实施例中，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接收来自通用串行总线的电力线的所述第一电压信号并且将所述第 二电压信号提供到所述电池 W使用所述通用串行总线的所述电力线来对所述电池进行充 电。
[0047] 所公开的主题的一些实施例包括一种电子系统。所述电子系统能够包括根据一些 实施例的电压调节器，其中，所述电压调节器被配置为W反向方向操作，在所述反向方向 中，所述电压调节器中的所述开关电容型调节器的所述输出端禪合到输入电压源，并且所 述接收调节器中的所述电感器的所述第一端禪合到所述电压调节器的目标负载。
[0048] 在本文公开的电子系统的一些实施例中，W反向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操作为升压调节器。
[0049] 在本文公开的电子系统的一些实施例中，所述电压调节器中的所述开关电容型调 节器的所述输出端禪合到电池，并且所述接收调节器中的所述电感器的所述第一端禪合到 通用串行总线的电力线。
[0050] 所公开的主题的一些实施例包括一种使用包括接收调节器和开关电容型调节器 的电压调节器来将第一电压信号转换为第二电压信号的方法。所述方法能够包括:在所述 接收调节器中的电感器的第一端处接收所述第一电压信号;至少部分基于所述第一电压信 号在所述电感器的第二端处提供中间电压信号;将所述电感器的所述第二端禪合到所述降 压调节器的多个输入端中的一个W将所述中间电压信号提供到所述多个输入端中的所述 一个;并且使用所述降压调节器来将在所述多个输入端中的所述一个处的所述中间电压信 号转换成所述第二电压信号。
[0051 ]在本文公开的方法的一些实施例中，所述多个输入端中的一个禪合到接地点。
[0052] 在本文公开的方法的一些实施例中，所述方法能够包括经由第一开关针对第一持 续时间将所述电感器的所述第二端禪合到所述多个输入端中的第一输入端，并且经由第二 开关针对第二持续时间将所述电感器的所述第二端禪合到所述多个输入端中的第二输入 JLjJU 乂而。
[0053] 在本文公开的方法的一些实施例中，所述方法能够包括控制所述第一持续时间与 所述第二持续时间的比率W控制所述第二电压信号。
[0054] 在本文公开的方法的一些实施例中，所述方法能够包括在所述电压调节器初始上 电时使用并联开关拉来使所述电感器的所述第一端和所述第二端短路W减少励磁涌流。
[0055] 在本文公开的方法的一些实施例中，所述方法能够包括在所述电压调节器初始上 电时使用并联调节器来增大在所述电感器的所述第二端处的电压W减少励磁涌流。
[0056] 在本文公开的方法的一些实施例中，所述电压调节器中的所述开关电容型调节器 的所述输出端能够禪合到输入电压源，并且所述接收调节器中的所述电感器的所述第一端 能够禪合到所述电压调节器的目标负载从而W反向方向操作所述电压调节器。
[0057] 已经由此相当宽泛地概述了所公开的主题的特征W便可W更好地理解下面的对 其的详细描述并且W便可W更好地认识到对本领域的当前贡献。当然，还存在所公开的主 题的额外的特征，其将在下文进行描述并且