技术领域
[0001] 该文件一般地但不限于
电压调节器，更具体地说，涉及开关电容器电压调节器功率节省技术。
背景技术
[0002] 降压调节器通常用于依赖有限
能源(如
电池或电容器)的应用中，但其他应用也使用降压调节器。超低功率(ULP)系统通常包括降压调节器，因为降压调节器比例如线性调节器更有效。一些ULP系统可以比待机模式显着更多地处于待机模式，因此具有可以在待机模式下支持几微安的负载的高效功率转换器可以大大增加电池寿命。
附图说明
[0003] 在不一定按比例绘制的附图中，相同的数字可以描述不同视图中的类似组件。具有不同字母后缀的相同数字可表示类似组件的不同实例。附图通过示例而非通过限制的方式示出了本文件中讨论的各种实施方案。
[0004] 图1总体上描述用于在向负载供电时提高开关电容器调节器的效率的示例性
电路。
[0005] 图2总体上描述用于操作开关电容器电压调节器以节省
能量的示例性方法的
流程图。
[0006] 图3总体上描述操作开关电容器调节器以节省能量的示例性方法的流程图。
[0007] 图4A和4B根据本公开主旨的各个方面分别以图形方式描述开关电容器电压调节器的
输出电压和输出
电流。
[0008] 图5A-5B根据本公开主旨的各个方面总体上描述开关电容器电压转换器的开关电容器网络的示例性配置。
[0009] 图6依照一些例子是表示图5A-5B的转换器的等效电路的示意图。
具体实施方式
[0010] 现有的ULP调节器可以变化很大。开关电容器调节器似乎是最常见的架构，其中电池供电的设备被设计为与主动操作相比产生大量的待机操作。开关电容器调节器的控制也可以变化。更常见的控制
风味可包括滞后控制或输出电压控制。当输出电压达到下限时，通常启用对开关电容器调节器的
迟滞控制，然后在输出电压达到上限时禁用。这种控制确保输出电压与上限和下限相关。在某些设计中，具有滞后控制的调节器可以包括电池监视器，以在电池电压改变时允许增益调节。如果增益选择受限，则效率可能会在可能的电池电压范围内发生显着变化。此外，迟滞控制的调节器通常不监控负载电流，导致轻负载时的显着功率损耗。
[0011] 采用输出电压控制的ULP调节器可以根据输出电压调整调节器的增益。这种控制允许间接考虑电池电压和负载电流的增益选择。这样的
控制器通常提供更多的增益来选择，从而有助于在宽范围的输出电压或电池电压上提高效率。
[0012] 本
发明人已经认识到一种改进的控制方法，其允许提高开关电容器降压调节器的效率。通常，发明人已经认识到，当使用开关电容器降压调节器时由电池提供的功率可以使用以下三个因素来最小化：
[0013] (1)为给定的电池电压和负载电流选择多个线性分布增益的最小增益，其可以在所需的上限和下限电压之间产生恒定的输出电压。这样的电压限制可以恰好在最大电压和最小电压内，这允许包括调节器的装置的稳健和可预测的操作。
[0014] (2)保持调节器的输出电压接近电压下限，并且
[0015] (3)减少调节器的损耗，例如仅在必要时切换调节器。
[0016] 滞后控制方案可以满足第三因素但不能满足第一和第二因素。基于输出电压的控制可以满足第一个因素。在某些版本中，通过足够的增益选择，使用输出电压控制的开关电容器调节器可能能够满足第二个因素。然而，开关电容器，输出电压控制的调节器不满足第三因素，因为这种控制方案连续地切换调节器。
[0017] On可以数学模拟电池供电的降压调节器，例如，
[0018] VOUT＝A·VBAT, (等式1)
[0019] IBAT＝A·I负载, (等式2)
[0020] 其中A是调节器的增益并且<1，VOUT是调节器的输出电压，VBAT是提供给调节器的电池电压，IBAT是电池提供的电流，I负载是连接到调节器输出的负载消耗的电流。
[0021] 如果包含调节器的阻抗(Z0)，则等式1变为
[0022] VOUT＝A·VBAT-I负载·Z0 (等式3)
[0023] 从电池(PBAT)获取的功率可表示为，
[0024] PBAT＝VBAT·IBAT＝(VOUT+I负载·Z0)·I负载 (等式4)
[0025] PBAT＝VOUT·I负载+（A·VBAT-VOUT)·I负载 (等式5)
[0026] PBAT＝A·VBAT·I负载 (等式6)
[0027] 负载电流(I负载)可表示为，
[0028]
[0029] 其中，对于动态电流，α＝1，对于
泄漏，α＝1。因此，从电池使用的功率的一部分取决于调节器的输出电压。在更精确的模型中，从电池汲取的总功率还可以包括调节器(P损耗)中的损耗，例如，由于寄生电容切换或非重叠时钟产生方案的连续操作。编辑上面的等式，电池功率(PBAT)可表示为，
[0030]
[0031] 发明人已经认识到，与等式8中的 项相关联的
开关损耗可以形成在调节器中实现增加的功率节省改进的
基础。新的控制方案使用基于改进输出电压的控制来利用由均匀或线性散布的增益设置和适应最小增益的能
力产生的基本恒定的输出阻抗特性。该
修改允许控制电路在选择调节器的最小增益之后建立比增益选择上限电压限制更低的电压上限。该修改允许调节器提供输出电压，该输出电压平均低于与以所选增益连续操作的调节器相关联的缩放电压。以较低的电压操作调节器并降低电流会降低电池的功耗。在某些示例中，可以实现更接近下限的输出电压范围的控制，而不必增加现有基于输出电压的控制器的增益
分辨率。通过使用迟滞控制将输出电压调节到更接近电压下限，可以实现额外的功率节省，例如，通过更低的开关损耗。
[0032] 此外，滞后控制还可以通过增加时钟
频率来支持更高的负载，而不会在较轻的负载下产生更多的损耗。采用接近下限
阈值(L)的新“较低”上限电压阈值或低功率阈值(H')也可以确保调节器的开关时间比率较低，从而进一步降低损耗。例如，一旦在调节器放电到下限阈值(L)后将时钟切换为“接通”，系统的等效RC网络的充电时间(例如，Z0C负载)随着输出电压的上升呈指数增长(因此与标定电压相比保持H'低)，然而一旦调节器达到新的下限上限(H')并切换到“关闭”，电压放电是负载电流和负载电容的函数(C负载)因此与时间成线性关系。因此，通过将上电压阈值(H)降低到低功率阈值(H')，可以显着降低调节器的“接通”时间。
[0033] 图1总体上示出了示例性开关电容器调节器100，其在向负载102供电时具有比传统开关电容器调节器更高的效率。在示例中，电路100可包括开关电容器网络103或阵列、时钟电路104和控制器105。在某些示例中，控制器105可以包括反馈电路或网络内的动态
分压器107，以及电压监控器108。时钟电路可以包括
振荡器106、比较器109和非重叠时钟发生器110。开关电容器网络103可以耦合到电池电压(Vbatt)并且可以具有多种配置。每个配置可以与增益相关联，使得控制器105可以选择特定增益以利用连续电流和在预定电压范围内的缩放电压(Vout)向负载102供电。时钟104电路可以将开关电容器网络103的电容器在充电状态和放电状态之间的切换定时，以提供缩放的输出电压和负载电流。控制器105经由电压监控器108可以接收开关电容器网络103的电池电压(Vbatt)和输出电压(Vout)，并且可以选择与特定增益相关联的电容器配置以在所需的或预定输出电压范围内提供缩放的输出电压(Vout)，同时时钟电路104在充电状态和放电状态之间连续地切换开关电容器网络
103的电容器。
[0034] 在某些示例中，控制器105可以使用动态分压器107来禁用时钟104或以其他方式中断开关电容器网络103的电容器配置的切换以允许输出电压(Vout)降至缩放的输出电压以下，但要保持在所需的输出电压范围的下限之上。在某些例子中，比较器109可以基于动态分压器107的输出与参考电压(Vref)的比较来启用和禁用电容器网络103的时钟。中断开关电容器网络103的电容器的切换而不允许输出电压(Vout)下降到所需的或预定输出电压范围的下阈值以下可以减少调节器100的开关损耗，同时还提供接近允许负载正常运行所需的最小功率。
[0035] 在某些示例中，控制器105可以禁用时钟电路104以中断开关电容器网络103的电容器配置的切换。在这样的示例中，控制器105可以在输出电压满足或超过低功率阈值(H')时中断时钟。低功率阈值(H')可以显着低于所需或预定输出电压范围的缩放的输出电压或电压上限(H)。如果负载电流保持稳定，通常是设备处于低功耗模式或睡眠模式时的情况，与开关电容器网络103保持在恒定切换模式时相比，负载102消耗的功率通常将在较
低电压和较低电流消耗下消耗。在某些示例中，可以通过修改反馈电路来建立低功率阈值(H')，例如通过动态地重新配置动态分压器107。在某些示例中，动态分压器107可以被修改为低-功率阈值(H')使得在比较器109处，当实际输出电压(Vout)处于低电压阈值(H')时，反馈电压看起来处于所需的或预定输出电压范围的上限(H)。
[0036] 在输出电压(Vout)处于低功率阈值(H')时中断时钟电路104之后，当输出电压(Vout)电平达到或低于所需的或预定的输出电压范围的下限(L)时，控制器105可以启用时钟电路104。在某些示例中，如果电流消耗改变，例如增加，则调节器100的现有增益可能不允许输出电压(Vout)爬升到低功率阈值(H')或者可能花费延长的时间量来实现低功率阈值(H')。控制器105可以包括
定时器或计数器，以在时钟电路104被启用之后使预期间隔超时，输出电压(Vout)应该返回到低功率阈值(H')。当输出电压(Vout)达到低功率阈值(H')时，可以复位定时器或计数器。如果定时器或计数器达到超时值，则它可以是增益不匹配问题的指示并且可以启动调节器100的增益改变。在这种情况下，控制器105可以改变动态分压器107的增益或配置中的一个或多个，以确保调节器100在所需或预定输出电压范围内的电压下提供足够的功率。在某些示例中，当电压通过具有低于所需的或预定输出电压范围的下限(L)的值的最小低电压极限时，可以检测到增益失配问题。
[0037] 图2总体上描述用于操作开关电容器电压调节器的示例性方法200的流程图。在201处，可以选择增益或电容器网络配置以向负载提供缩放的输出电压。当调节器在充电状态和放电状态之间连续地切换给定电容器网络配置时，可以确定增益或配置，可以在所需的输出电压范围内提供缩放的输出电压。在某些示例中，开关电容器调节器的控制器可以
迭代地尝试不同的增益或电容器网络配置，直到调节器的输出电压稳定在所需的输出电压范围内。例如，通常，导致增益太高的配置试图提供超过所需的输出电压范围的高电压限制或阈值的缩放的输出电压。同样地，通常导致增益太低的配置不能将输出电压维持在所需的输出电压范围的低电压限制或阈值之上。在203处，一旦确定了增益，就可以建立低于所需的输出电压范围的高电压限制的功率高效高电压限制。当缩放的输出电压高于功率有效的高电压限制时，可以中断或禁用调节器的电容器网络的切换。当禁用调节器的电容器网络的切换时，负载的电流消耗可以放电并且系统的存储能量和输出电压可以降低到所需的输出电压范围的低电压限制。当调节器的输出电压下降到低电压限制时，可以启用调节器的电容器网络的切换以升高调节器的输出电压。
[0038] 图3总体上描述操作开关电容器调节器以节省能量的示例性方法300的流程图。在301处，可以确定开关电容器电压调节器的比例因子或增益。在某些示例中，可以基于第一高电压限制、低电压限制和时钟来确定比例因子。第一高电压限制和低电压限制可以定义用于操作负载的所需的输出电压范围。在303处，可以对开关电容器电压调节器进行时钟控制以向负载提供输出电压。输出电压可以在所需的输出电压范围内。在305处，可以建立第二高电压限制。第二高电压限制可以低于第一高电压限制。在307处，当调节器的输出电压处于或高于第二高电压限制时，可以禁用开关电容器电压调节器的电容器网络的切换，例如通过禁用驱动电容器网络的时钟或时钟电路。当禁用调节器的电容器网络的切换时，负载的电流消耗可以放电并且系统的存储能量和输出电压可以降低到所需的输出电压范围的低电压限制。在309处，当电压降至低电压限制时，可以启用电容器网络的切换。与传统的开关电容器电压调节器的连续开关操作相比，建立第二高电压限制和中断电容器网络的开关可以通过第二高电压限制、通过负载的较低电压和电流操作节省功率，并且由于调节器不连续切换，因此降低了开关损耗。
[0039] 图4A和4B根据本公开主旨的各个方面分别地以图形的方式描述示例性开关电容器电压调节器的输出电压和输出电流。在间隔401处，开关电容器电压调节器的控制器或控制逻辑可迭代地应用不同的电容器网络配置或增益或比例因子，以将缩放的输出电压提供到由第一高电压限制(H)和低电压限制(L)定义的所需的输出电压范围内的负载。一旦确定了增益，开关电容器电压调节器就可以在缩放的输出电压下向负载供电，同时在充电状态和放电状态之间连续地切换给定的电容器网络配置。在稳定操作的预定间隔402之后，可以通过调节器的反馈路径中的动态分压器建立第二高电压限制(H')。第二高电压限制可以显着小于第一高电压限制(H)但仍高于低电压限制(L)。在403处，当输出电压处于或高于第二高电压限制时，可以中断或禁用开关电容器电压调节器的电容器网络的切换。当禁用调节器的开关时，没有电荷从电压源传递到调节器的输出端，因此负载的电流消耗可以降低调节器的输出电压。当调节器的输出处于或低于低电压限制时，可以启用调节器的开关，并且可以重复该周期以在降低的电压，减小的电流和减少的开关的情况下操作负载。
[0040] 如果负载的电流消耗例如在404处增加，则这种增加可以延迟或防止开关电容器调节器以与负载的电流消耗较低时相同的速率升高输出电压。调节器的控制逻辑可以监控启用调节器开关和输出电压达到第二高电压限制之间的延迟增加。如果延迟长于预定阈值，则调节器的控制逻辑可以尝试建立增益以支持增加的负载电流消耗，并且该过程可以例如在405处重复。
[0041] 图5A-5B依照一些实施方案总体上示出了在第一状态、充电阶段(图5A)和第二状态、放电阶段(图5B)期间耦合在电池电压和负载之间的开关电容器电压转换器的开关电容器的示例配置。图5A示出了充电配置中的开关电容器nC和mC，其中它们由电池电压VH充电。图5B示出了放电配置中的开关电容器nC和mC，其中它们的放电使储存电容器CL充电。转换器包括分配到第一组和第二组的多个电容器。根据一些
实施例，第一组可以是“n组”，第二组可以是“m组”。
[0042] 更具体地，根据一些实施例，转换器包括n+m个开关电容器。如下面更全面地解释的，包含n个开关电容器的n组以“n-
角色”起作用，并且包含m个开关电容器的m组以“m-角色”起作用。n组中的开关电容器的数量和m组中的开关电容器的数量是变化的，以改变转换器上的增益。参考图5A，在充电阶段期间，当m+n个开关电容器以充电配置耦合时，选择为n组的开关电容器和选择为m组的开关电容器
串联耦合在电池电压VBat和地之间。也就是说，n组中的开关电容器和m组中的开关电容器串联耦合在电池电压VBat和地之间。在充电阶段期间，使用储存电容器CRes将低功率电压电平和负载电流IL施加到负载，储存电容器CRes与负载并联连接。在充电阶段，n+m个开关电容器与CRes去耦。参考图5B，在放电阶段，当m+n个开关电容器以放电配置耦合时，被选择为n组的n个开关电容器彼此并联耦合并与CRes串联，并且选择在m组中的m个开关电容器彼此并联并与CRes耦合。在放电阶段，n组中的n个开关电容器和m组中的m个开关电容器上的电压的放电对CRes上的电压进行再充电。
[0043] 如本文所用，n-角色是指n个开关电容器的配置彼此并联并且在放电阶段与CRes串联。n组中的每个开关电容器通过一个或多个开关配置成彼此并联耦合，其中开关电容器在n组中起作用并且在充电阶段与CRes串联。如这里所使用的，m-角色指的是m个开关电容器的配置，其在放电阶段期间彼此并联耦合并且与CRes耦合。m组中的每个开关电容器通过一个或多个开关配置成与m组中的每个开关电容器并联耦合，并且在放电阶段与CRes并联。根据一些实施例，m组中的开关电容器在放电阶段期间耦合，其极性在充电阶段期间相对于它们的耦合反转。
[0044] 图6是表示根据一些实施例的图5A-5B的转换器的等效电路的说明图。电池侧包括电池电压VH和电池电流 负载侧包括电压 阻抗(Z0)、储存电容器(CL)和负载电流(IL)源。与储存电容CL并联耦合的阻抗(Z0)表示由开关电容器引起的阻抗。
[0045] n组中的开关电容器的数量和m组中的开关电容器的数量随着转换器上的所需的增益而选择性地变化。然而，根据一些实施例，相同的开关电容器总数m+n用于多个不同增益中的每一个。此外，根据一些实施例，当在放电阶段期间并联耦合时，被选择为m-角色的m个开关电容器的至少一些极性被反转。
[0046] 增益(A)表示如下，
[0047]
[0048] 注意，增益与n组中的开关电容器的数量基本上线性地变化。
[0049] 转换器的输出阻抗表示如下，
[0050]
[0051] 值(f)表示电容器切换的开关频率；值(C)是各个开关电容器的值。注意，输出阻抗与增益设置无关。因此，可以在确保转换器的电压降基本上不随增益变化的情况下改变增益，这有助于容易地调节输出电压Vout。
[0052] 应当理解，如上所述的n组开关电容器和m组开关电容器的配置成n个角色和m个角色的优点在于用于实现电容器的基本上所有集成电路(IC)区域，因为n个电容器和m个电容器的数量相加以达到输出阻抗Z0，所以有助于改善输出阻抗。根据一些实施例，一旦给定的芯片区域被用作开关电容器
块，在许多电容器装置中将其分开以产生许多不同的增益可能是有利的。通常，不同增益的数量越大，在输入电压供应范围内可实现的效率越高。然而，由于添加更多开关电容器需要更多开关来控制它们，因此产生了增益数量的限制。
[0053] 用于对开关电容器充电的电池电流表示如下，
[0054]
[0055] 值IL表示由转换器驱动的通过负载的电流。注意，Ibat比增益因子(A)小于IL。电池电流仅取决于负载电流，这意味着电容器之间不会发生电荷共享。
[0056] 由转换器产生的输出电压(Vout)驱动负载如下所示，
[0057]
[0058] 转换器的效率(ε)表示如下，
[0059]
[0060] 各种注释和例子
[0061] 以上详细描述包括对附图的参考，附图形成详细描述的一部分。附图通过图示的方式示出了可以实施本发明的具体实施例。这些实施例在本文中也称为“示例”。这些示例可以包括除了示出或描述的那些之外的元件。然而，本发明人还考虑了仅提供所示或所述的那些元件的实例。此外，本发明人还考虑使用所示或所述的那些元件(或其一个或多个方面)的任何组合或置换的示例、关于特定示例(或其一个或多个方面)，或关于本文示出或描述的其他示例(或其一个或多个方面)。
[0062] 如果本文档与通过引用并入的任何文档之间的使用不一致，则以本文档中的用法为准。
[0063] 在该文献中，术语“一”或“一个”在
专利文献中是常见的，包括一个或多于一个、独立于“至少一个”或“一个或多个”的任何其他实例或用法。在本文件中，术语“或”用于表示非排他性的，例如“A或B”包括“A但不是B”、“B但不是A”和“A和B”，除非另有说明表示。在本文件中，术语“包括”和“其中”用作相应术语“包括”和“其中”的等同词。此外，术语“包括”和“包含”是开放式的，也就是说，除了在该术语之后列出的元件之外的元件的系统、装置、物品、组合物、配方或工艺仍然被认为落入所讨论的主题的范围内。此外，例如可以在
权利要求中出现的术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标签，并不旨在对其对象施加数字要求。
[0064] 这里描述的方法示例可以至少部分地是机器或计算机实现的。一些示例可以包括编码有指令的计算机可读介质或机器可读介质，所述指令可操作以配置
电子设备以执行如以上示例中描述的方法。这种方法的实现可以包括代码，例如微代码、汇编
语言代码、更高级语言代码等。此类代码可包括用于执行各种方法的计算机可读指令。代码可以形成
计算机程序产品的一部分。此外，在例子中，代码可以有形地存储在一个或多个易失性、非暂时性或非易失性有形计算机可读介质上，例如在执行期间或在其他时间。这些有形计算机可读介质的示例可以包括但不限于
硬盘、可移动磁盘、可移动光盘(例如，光盘和数字视频盘)、磁带、存储卡或棒、随机存取
存储器(RAM)、
只读存储器(ROM)等。
[0065] 以上描述旨在是说明性的而非限制性的。例如，上述示例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。在阅读以上描述之后，例如本领域普通技术人员可以使用其他实施例。提供
摘要以符合37C.F.R.§1.72(b)，允许读者快速确定技术公开的性质。提交时的理解是，它不会用于解释或限制权利要求的范围或含义。而且，在以上详细描述中，可以将各种特征组合在一起以简化本公开。这不应被解释为意图无人认领的公开特征对于任何权利要求是必不可少的。相反，发明主题可以在于少于特定公开实施例的所有特征。以下方面作为示例或实施例结合到具体实施方式中，每个方面独立地作为单独的实施例，并且可以预期这些实施例可以以各种组合或排列彼此组合。
