电容器交叉耦合的2相降压转换器的制作方法

文档序号:25543265发布日期:2021-06-18 20:40
电容器交叉耦合的2相降压转换器的制作方法



背景技术:

本发明大体上涉及电压调节器,且更特定来说,涉及具有电容器交叉耦合的多相降压转换器。

降压转换器是用于向例如一或多个处理器的负载提供电流的降压型电压调节器。例如图1中所说明的降压转换器的基本拓扑包括高侧开关111(通常是pmos)及低侧开关113(通常是nmos),其在供应器与接地之间切换电感器115的输入端以将输出电压调节到预定值。随着电感器将电流供应到负载117,解耦电容器119cout与负载并联使用以便维持大体上恒定电压。多个降压转换器可并联使用且共享同一输出。通常,不同降压转换器的开关在不同相位下操作,且转换器被认为是多相转换器。图2展示2相位降压转换器的实例,其中使用了两个功率级(高侧开关111a、111b及低侧开关113a、113b)及电感器115a、115b。开关的门在180度相移下计时,此通常会减少输出处的纹波。使用多个相位还会提高整体效率,这是由于每相位使用了较少电流。

针对降压转换器,以下几点通常是优选的:a)针对高降压的高效率,这是由于目标soc供应电压非常低;b)较少的面积消耗,此可通过跨电感器的较少电压应力来实现,使得可使用小型电感器;及c)更少的开关,其用于降低面积消耗并允许快速切换。

对高集成密度的追求导致了例如多输出开关电容器的混合转换器的解决方案,所述多输出开关电容器具有使用开关电容器与级联的降压转换器以及基于开关电容器调节器的三电平降压转换器的拓扑。

具有使用开关电容器与级联的降压转换器的拓扑的多输出开关电容器可减小跨电感器的电压应力,从而允许使用较小电感器,且还可通过优先化在低频率下运行的非常高效的开关电容器来提供整体高效率。由于电容器具有较高集成密度,所以其可适合于减小总使用面积。尽管此类型的转换器可为高降压及快速切换提供高效率,但其使用了许多开关,从而增加的总裸片面积,且即使可使用较小电感器,通常也需要将大型电容器用于前端开关电容器。

基于开关电容器调节器的三电平降压转换器可随着工作循环接近50%而提供高效率,但在整个输入电压范围内仍可能对电容器施加应力。



技术实现要素:

一些实施例提供了一种电容器交叉耦合的2相降压转换器。所述转换器可具有2个相同相位,其中每一相位由高侧开关hs、低侧开关ls及交叉侧开关cs组成。拓扑可跨每一飞跨电容器(cfly0、cfly1)维持恒定电压vin/2,从而将到电感器的输入电压限制到vin/2。针对每一相位,电感器可能会从每一非跨电容器的不同极板取得特定电荷量在vin与接地之间切换,cfly0及cfly1可将恒定vin/2保持为其极板之间的电压。

一些实施例提供一种多相降压转换器,其包括:多个电力转换相位,每一电力转换相位包括串联耦合于输入电压与较低电压之间的高侧开关及低侧开关、耦合于所述高侧开关与所述低侧开关之间的飞跨电容器、及具有耦合到所述低侧开关与所述飞跨电容器之间的节点的第一端的电感器,其中所述电感器的第二端耦合到并联的负载及输出电容器;及多个交叉耦合开关,每一交叉耦合开关将一个相位的所述高侧开关与所述飞跨电容器之间的节点耦合到另一相位的所述低侧开关与所述飞跨电容器之间的所述节点。

一些实施例提供一种操作多相降压转换器的方法,所述多相降压转换器具有多个电力转换相位,所述电力转换相位中的每一者具有串联于高侧开关与低侧开关之间的飞跨电容器,以及具有耦合到所述飞跨电容器与所述低侧开关之间的节点的第一端且具有耦合到与输出电容器并联的负载的第二端的电感器,所述方法包括:在一时间段期间,耦合一个相位的所述电感器的所述第一端与另一相位的所述高侧开关与所述飞跨电容器之间的节点;及在另一时间段期间,不耦合一个相位的所述电感器的所述第一端与所述另一相位的所述高侧开关与所述飞跨电容器之间的所述节点。一些此类实施例进一步提供,在所述另一时间段期间,耦合所述另一相位的所述电感器的所述第一端与所述第一相位的所述高侧开关与所述飞跨电容器之间的节点。在一些此类实施例中,所述第一相位的所述高侧开关在所述一时间段期间闭合,且所述另一相位的所述高侧开关在所述一时间段期间断开。在一些此类实施例中,所述第一相位的所述低侧开关在所述一时间段期间断开,且所述另一相位的所述低侧开关在所述一时间段期间闭合。在一些此类实施例中,所述另一相位的所述高侧开关在所述另一时间段期间闭合,且所述第一相位的所述高侧开关在所述一时间段期间断开。在一些此类实施例中,所述另一相位的所述低侧开关在所述一时间段期间断开,且所述第一相位的所述低侧开关在所述一时间段期间闭合。一些此类实施例进一步提供,在又一时间段期间,不耦合一个相位的所述电感器的所述第一端与所述另一相位的所述高侧开关与所述飞跨电容器之间的所述节点且不耦合所述另一相位的所述电感器的所述第一端与所述一个相位的所述高侧开关与所述飞跨电容器之间的所述节点。在一些此类实施例中,所述一个相位及所述另一相位的所述低侧开关在所述又一时间段期间闭合。在一些此类实施例中,所述一个相位及所述另一相位的所述高侧开关在所述又一时间段期间断开。

在审阅了本发明之后,就能更完全地理解本发明的这些及其它方面。

附图说明

图1展示降压转换器的基本结构。

图2展示典型的2相降压转换器的基本配置。

图3呈现根据本发明的方面的电容器交叉耦合的降压转换器的实例。

图4呈现图3的转换器的电荷传送机构。

图5、6及7强调图3的转换器的每一状态的电流路径。

图8展示图3的转换器的切换节点处的电压应力。

图9展示用由图3的转换器中的两者组成的4相转换器的设计实例获得的效率,在输出处调节高达0.75v,其中高达10a的电流从典型的电池输入电压vin=3.6v到负载

图10展示3.6v输入下的图9的实例的切换节点。

具体实施方式

在图3中展示根据本发明的方面的电容器交叉耦合的2相降压转换器的实例拓扑。转换器具有2个相同相位311a、311b。每一相位包含串联耦合于vin与接地(或vss)之间的高侧开关hs313-0、313-1及低侧开关ls315-0、315-1。针对每一相位,反激电容器317-0、317-1在高侧开关与低侧开关之间,其中电感器319-0、319-1的第一端耦合到飞跨电容器与低侧开关之间的节点。电感器319-0、319-1的第一端可被认为是电感器的输入端。电感器中的每一者的第二端耦合到并联的输出电容器321及负载323。另外,针对每一相位,电感器的第一端还通过可称为交叉侧开关cs的开关325-1、325-0耦合到另一相位的高侧开关与反激电容器之间的节点。在操作期间,在一些实施例中,一个相位的高侧开关接通(或闭合),而另一相位的低侧开关及交叉开关闭合,且反之亦然。根据图3,在相位0的“高”部分期间,开关hs(0)313-0、ls(1)315-1及cs(0)325-0闭合,且开关hs(1)313-1、ls(0)315-0及cs(1)325-1断开,而在相位1的“高”部分中,发生相反情况。在两个相位的“低”部分期间,高侧开关及交叉开关全都断开,而低侧开关闭合。

图5展示相位0的“高”部分的开关状态。如图5中可见,飞跨电容器cfly0317-0的正极板通过高侧开关hs(0)313-0耦合到vin。飞跨电容器cfly0317-0的负极板通过交叉侧开关cs(0)325-0耦合到(另一相位的)飞跨电容器cfly1317-1的正极板、耦合到电感器319-0的第一端、且通过(另一相位的)低侧开关ls(1)315-1耦合到接地。图6展示相位1的“高”部分的开关状态。如图6中可见,飞跨电容器cfly0317-0的正极板通过高侧开关hs(0)313-0耦合到vin。飞跨电容器cfly0317-0的负极板通过交叉侧开关cs(0)325-0耦合到(另一相位的)飞跨电容器cfly1317-1的正极板、耦合到电感器319-0的第一端、且通过(另一相位的)低侧开关ls(1)315-1耦合到接地。图7展示两个相位的“低”部分的开关状态。如图7中可见,电感器319-0、319-1中的每一者的第一端分别通过低侧开关315-0、315-1耦合到接地。

拓扑可被认为是基于跨每一飞跨电容器(cfly0、cfly1)维持恒定电压vin/2,且从而将到电感器的输入电压限制到vin/2。针对每一相位,电感器从每一飞跨电容器的不同极板取得特定电荷量例如图4中所展示。在vin与接地之间切换,cfly0及cfly1将恒定vin/2保持为其极板之间的电压。

在一些实施例中,根据本发明的方面的例如图3的降压转换器的降压转换器具有相位0的“高”状态、相位1的“高”状态、及两个相位的“低”状态。相位0的“高”状态例如在图5中说明。在此状态期间,hs(0)及cs(0)“接通”,且电感器lph0以跨其的进行充电。供应到lph0的电流来自如图4的相位1中展示那样串联的cfly0及cfly1两者。同时,ls(1)“接通”,且电感器lph1的电流通过负载放电。

相位1的“高”状态例如在图6中进行说明。在此状态期间,hs(1)及cs(1)“接通”,且电感器lph1以跨其的进行充电。供应到lph1的电流来自如图4的相位2中展示那样串联的cfly0及cfly1两者。同时,ls(0)“接通”,且电感器lph1的电流通过负载放电。

两个相位的“低”状态例如在图7中进行说明。在低侧中,ls(0)及ls(1)两者都“接通”,且电感器lph0及lph1通过负载放电。

在一些实施例中,此转换器的工作循环存在限制,这是因为电容器cfly0及cfly1被两个电感器共享;其中限制是50%。在一些实施例中,考虑到跨飞跨电容器的电压是vin/2,voutmax=vin/4是可在电容交叉耦合配置中获得的最大输出电压。然而,在一些实施例中,如果输出电压优选地高于vin/4,那么此拓扑可通过使高侧及交叉侧同时接通而切换到基本2相降压转换器。在那种情况中,vin直接经施加到电感器,且输出电压可高达vin/2。

拓扑可与针对降压转换器的各种现存控制一起工作,例如这是由于其等效于基本2相降压转换器,其经历vin/2电压输入而非vin。图8展示电容交叉耦合的降压转换器的每一节点处的电压摆动。高侧hs(0)、hs(1)及低侧ls(0)、ls(1)在稳态期间将跨其具有vin/2的漏极到源极应力,此允许低电压装置使用。cs(0)及cs(1)当其关断时将跨其漏极到源极具有应力vin。其同样也可用低电压装置实施,但在那种情况中,在一些实施例中,两个(或多于两个)此类装置可串联使用。

图9展示在使用1.8v额定装置的tsmc28nm中的实现实例的效率。在此实现中,模拟了4相位降压转换器。4相位降压转换器由图3的转换器中的两者组成,其中电感器耦合到共同负载输出电容器。由于仅存在最大vin/2的电感器应力,所以可使用相较于基本2相位降压更小的电感器;或针对用典型的降压实现的同一电感器电流纹波,提出的拓扑的切换可慢两倍。所使用的飞跨电容器相较于用于多电平转换器(先前论述)的电容器可非常低。例如,在图9中,展示了1uf的每一飞跨电容器的效率。但即使使用了例如100nf的值,在10a负载下也仅会影响0.4%的效率。这是因为降压转换器以比典型的开关电容器更高的频率进行切换。

在3.6v输入下的实施实例强调了转换器的切换节点(图10)。可有效地看到,lx<0>及lx<1>上的最大电压(到电感器的输入)是3.6v/2=1.8v,且输出电压在最小纹波下经调节到0.55v目标电压。节点hx<0>及hx<1>(在高侧开关、交叉开关与飞跨电容器之间)同样展示为具有3.6v的最大电压及1.8v的最小电压。

如与现存拓扑相比,电容交叉耦合的转换器可允许减小跨电感器及切换装置的电压应力,此导致相较于典型降压转换器的高效率及较小电感器。电容交叉耦合的转换器还可使用相较于多电平转换器较少的开关(数目与典型的降压相同),从而减小用于效率的相同增加的裸片面积。在一些实施例中,可由于降压转换器中的快速切换使用较小飞跨电容器,使得总面积相较于多电平转换器(大型飞跨电容器)及典型的降压转换器(更大电感器要求)两者非常小。

尽管已经关于各种实施例论述了本发明,但应认识到,本发明包括受本发明支持的新颖且非显而易见的权利要求。

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