具有电解电容器的低频转换器的制造方法

具有电解电容器的低频转换器的制造方法
【专利摘要】在本发明的一个实施例中，描述了低频转换器，其包括充电到输入电压的第一电解电容器和耦合到第一电解电容器的第二电解电容器。第二电解电容器与低频转换器的输出电压相关联。每个电解电容器均可以具有至少一毫法拉（mF）的电容和小于一千赫兹的开关频率。
【专利说明】具有电解电容器的低频转换器

【技术领域】
[0001]本发明所公开的实施例总体上涉及具有电解电容器的低频转换器，并且更具体地涉及具有固定比率的低频转换器。

【背景技术】
[0002]现代社会依靠能量的随时可用性。随着对能量的需求增加，能够高效地存储能量的装置变得越来越重要。结果，在电子学领域中及其外正在广泛地使用包括电池、电容器、电解电容器(EC)(包括准电容器和双电层电容器(EDLC)—亦称为超级电容器等其他名称)、混合EC等等的能量储存装置。具体地，电容器广泛地用于范围从电气电路和功率输送到电压调节和电池置换的应用。电解电容器的特征在于高能量存储容量以及包括高功率密度、小尺寸和低重量的其他所希望的特性，并且因此已经变为用于在若干能量存储应用中使用的有远景的候选。
[0003]对在处理器设计中使用多于一个的电压来减少功率消耗和引脚数继续存在相当大的兴趣。高性能电路能够使用与用于低性能路径的低电压比较的较高的电压。然而，电压调节器(VR)在非常轻的负载条件期间贡献显著的功率损耗(20?50%)。

【专利附图】

【附图说明】
[0004]根据对结合图中的附图所进行的以下详细描述的阅读，将更好地理解所公开的实施例，在附图中:
图1-2是根据本发明的实施例的能量存储装置的横截面侧视图图示；
图3是根据本发明的实施例的能量存储装置的多孔结构内的双电层的横截面侧视图图示；
图4A-4B是根据本发明的实施例的一片多孔硅的横截面侧视图扫描电子显微镜图像；图5是根据本发明的实施例的在电解质和能量存储装置的多孔结构之间的层的横截面侧视图图示；
图6图示出根据本发明的实施例的开关电容器电路的电路图；
图7图示出根据本发明的实施例的开关电容器电路的电路图；
图8和9图示出根据本发明的实施例的示出操作模式的开关电容器电路的等效电路图；
图10和11图示出根据本发明的其他实施例的开关电容器电路的输入和输出波形；
图12图示出根据本发明的其他实施例的分压器电路的电路图；
图13图示出根据本发明的一个实施例的降压转换器电路的电路图；
图14图示出根据本发明的另一个实施例的降压转换器电路的电路图；
图15图示出根据本发明的一个实施例的倍压器电路的电路图；
图16图示出根据本发明的一个实施例的电压反相器电路的电路图；
图17是图示出根据本发明的实施例的、操作开关电容器电路的方法的流程图； 图18是根据本发明的实施例的移动电子装置的框图图示；和图19是根据本发明的实施例的微电子装置的框图图示。
[0005]为了图示的简单和清楚起见，绘制的图图示出构造的通用方式，并且可以省略公知的特征和技术的描述和细节，以避免不必要地使所描述的本发明的实施例的讨论模糊。另外，对绘制的图中的要素不一定按比例进行绘制。例如，可以相对于其他要素扩大图中的一些要素的尺寸，以帮助改善对本发明的实施例的理解。可以以理想化方式示出某些图，以便帮助理解，诸如在真实世界条件下本来将可能相当地更不对称和整齐的结构被示出为具有直线、锐角和/或平行平面等等的情况。不同的图中的相同的附图标记表示相同的要素，而类似的附图标记可以表示但是不一定表示类似的要素。
[0006]如果有的话，在描述中和在权利要求中的术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等等用于区分类似的要素，而不一定用于描述特定连续的或按时间的顺序。应当理解，在适当的情况下，这样使用的术语是可互换的，使得在本文描述的本发明的实施例例如能够按照并非所图示出的那些或另外在本文描述的那些的顺序操作。类似地，如果方法在本文被描述为包括一系列步骤，则在本文呈现的这样的步骤的次序不一定是可以执行这样的步骤的仅有的次序，并且可以可能地省略某些所陈述的步骤，和/或可以可能地将没有在本文描述的某些其他步骤添加到方法。此外，术语“包括”、“包括”、“具有”和其任何变体意图覆盖非排它性包括，使得包括一系列要素的过程、方法、产品或设备不一定限于那些要素，而是可以包括没有明确地列出的或者对于这样的过程、方法、产品或设备来说固有的其他要素。
[0007]如果有的话，在描述中和在权利要求中的术语“左”、“右”、“前”、“后”、“顶部”、“底部”、“之上”、“之下”等等用于描述的目的，而非一定用于描述永久的相对位置，除非另外特别地或者通过上下文指出。应当理解，在适当的情况下，这样使用的术语是可互换的，以使得本文中描述的本发明的实施例例如能够按照并非所图示出的或另外在本文描述那些的其他方位操作。如在本文所使用的术语“耦合”被定义为以电气或非电气方式直接地或间接地连接。视使用措词“靠近”的上下文的情况，在本文被描述为彼此“靠近”的对象可以彼此物理接触、非常接近于彼此，彼此处于相同的通用区域或范围。本文中措词“在一个实施例中”的出现不一定都指的是相同的实施例。

【具体实施方式】
[0008]电压调节器(VR)在非常轻的负载条件期间贡献显著的功率损耗(2(Γ50%)。需要开发在极其轻的负载条件之下能够非常高效地操作的VR解决方案。本发明的实施例提供使用具有极其低的开关频率的独特的电解电容器的独特的开关电容器VR，以实现在轻负载条件之下降低损耗的目标。能够利用电解电容器来制造并且利用小于或等于I千赫兹(例如，小于100Hz、小于1Hz)的开关频率来设计功率转换器电路。这能够降低由于对电容器进行充电和放电所造成的损耗。由于与电容*电压2*开关频率成比例的开关损耗，通常在非常轻的负载(例如，典型的备用条件)下由电压调节器消耗总平台功率的50%以上。以非常低的开关频率(例如，小于100Hz)工作的本公开的转换器能够将备用损耗降低到非常小的值(例如，小于转换器的备用损耗的10%)，从而导致用于移动和手持平台的非常长的电池寿命。能够通过使用多孔硅电解电容器来实现单片集成。电解电容器中的固态的或凝胶电解质使集成简化。能够通过设计具有平面的且浅的孔(例如，I至25微米)的多孔硅电解电容器来实现超低有效串联电阻(ESR)。例如，ESR能够具有0.0Ol至I ohm的范围。另外，该转换器电路与降压转换器的组合能够被用于提高效率并且由此降低降压转换器所需要的电感器的尺寸。替代地，也能够使用电解电容器来制备低频开关电容器倍压器或电压反相器。
[0009]本设计不同于用于转换器的先前的方式，因为本设计包括具有高电容(例如，毫法拉至法拉)的电解电容器。与先前的方式的数百kHz至几MHz相比，本设计的开关频率相当低(例如，小于1kHz)。与经历诸如电磁干扰(EMI)或射频干扰之类的噪音问题的高频转换器对比，低频转换器不具有噪音问题。本设计能够应用于平台级别的电压调节器以及完全集成的管芯上硅级别的实施方式两者。
[0010]在一个方面中，通用技术使能量存储装置到封装上或者电子装置的主体中的集成简化。这样的技术可以用于将导电性多孔结构应用到各个衬底和表面，并且制造用于需要薄的形状因数的应用的薄能量存储装置。例如，在一个实施例中，能量存储装置被集成在移动电子装置的壳体中。
[0011]能够将能量存储装置直接地形成到或传递到衬底上，该衬底用于使用诸如多孔硅、石墨烯、碳纳米管、纳米线之类的材料或其他多孔材料将微电子器件与其他微晶片封装。能量存储装置能够用于在微处理器中为诸如加速模式(turbo mode)的电路功能提供功率，这是因为与诸如电路板电容器之类的其他能量源相比他们将被定位成与微处理器更接近。能量存储装置还可以是硅桥衬底的一部分。常规的硅桥可以是具有连接两个管芯的导电接线的无源衬底。能量存储装置可以被形成在连接两个管芯的硅桥上。以这样的方式，将能量存储装置定位成非常接近于微处理器以便例如在加速模式期间向微处理器快速提供功率可以是可能的。
[0012]尽管在本文的大部分讨论将集中于电解电容器(包括准电容器和双电层电容器)，但除EC、混合EC以及电池之外，“能量存储装置”的命名明确地包括燃料电池和存储能量的类似装置。根据本发明的实施例的能量存储装置能够被用于广泛的各种的应用，包括在汽车、公共汽车、火车、飞机、其他交通车辆、家庭能量存储装置、由太阳能或风能发电机(尤其是能量采收装置)生成的能量的储存装置、微电子学装置、移动电子装置和许多其他装置中。
[0013]电解电容器根据与支配常规平行板电容器的原理类似的原理进行操作，但是某些重要区别的确适用。一个显著区别涉及电荷分离机构。对于EC的一个重要类别，这通常采取所谓的双电层或EDL而不是常规电容器的电介质的形式。在高表面面积的电极和电解质之间的界面由离子的电化学行为产生EDL，并且不管这些层是如此靠近在一起的事实，EDL导致电荷的有效分离(物理分离距离是单个纳米数量级)。因此，典型的EDL电容器可以被认为在其EDL中存储电荷。EDL的每个层是导电性的，但是双层属性阻止电流流经它们之间的边界。(以下与图4结合进一步讨论EDL)。
[0014]如在常规的电容器中真实的，EDL电容器中的电容与电极的表面面积成比例，并且与电荷分离距离成反比。在EDL电容器中可实现的非常高的电容部分地由于可归因于多孔结构的非常高的表面面积和可归因于EDL的纳米标度电荷分离距离，其由于电解质的存在而发生，如以上解释的。
[0015]另一个类别的电解电容器是准电容器，其中代替EDL电容，不同种类的电容——其从本源上是感应电流的而非静电的一能够以某些类型的电极出现。该不同种类的电容被称作“准电容”。准电容器是像电容器一样动作但是也显示出导致电荷存储的反应的能量存储装置。通常，准电容器的电极之一涂覆有诸如Mn02、RuO2, N1x, Nb2O5, V2O5等等的过渡金属氧化物或涂覆有其他材料，包括Mo2N、VN、W2N、W2C (碳化钨)、Mo2C、VC、适当的导电聚合物或类似的材料。能够与诸如氢氧化钾(KOH)之类的电解质一起使用这些材料；当装置被充电时，电解质将在允许以类似于电池的能量存储的方式存储能量的反应中与所述材料反应。更具体地，这些材料通过高度可逆的表面和表面下的氧化还原(感应电流)反应来存储能量，但是同时双电层能量存储机构保持就位并且提供用于高功率的电势。
[0016]混合电解电容器是将EC和电池的属性组合的能量存储装置。在一个示例中，涂覆有锂离子材料的电极与电解电容器组合，以便产生具有EC的快速充电和放电特性以及电池的高能量密度的装置。在另一方面，像电池一样，混合EC与电解电容器相比具有较短的预期寿命。
[0017]图1-2是根据本发明的实施例的能量存储装置100的横截面视图。如图1和2中所图示的，能量存储装置100包括导电性结构110和导电性结构120。导电性结构110和120中的至少一个包括多孔结构。在图1-2中所图示的实施例中，两个导电性结构都包括导电性多孔结构。在所图示出的特定实施例中，多孔结构包含多个沟道，每一个沟道具有到多孔结构的表面的开口。该特征可以是用于形成多孔结构的以下描述的电化学蚀刻过程的结果。举例来说，多孔结构可以被形成在诸如导电材料或半导电的材料之类的导电性材料内。替代地，多孔结构可以被形成在已经涂覆有导电膜(例如，诸如氮化钛(TiN)之类的ALD导电薄膜)的绝缘材料(例如矾土)内。在这点上，具有更高的导电性的材料是有利的，这是因为它们使有效串联电阻降低。在所图示的实施例中，导电性结构110和导电性结构120两者都包括这样的多孔结构。相应地，在一些实施例中，导电性结构110包括具有到对应的多孔结构的表面115的开口 112的沟道111，并且导电性结构120包括具有到对应的多孔结构的表面125的开口 122的沟道121。在仅仅导电性结构110和120之一包括具有多个沟道的多孔结构的实施例中，另一个导电性结构能够例如是金属电极或多晶硅结构。在其他的实施例中，多孔结构与图1-2中图示的形态相比具有不同的形态，这可以是例如气凝胶或电纺技术的结果。
[0018]如刚刚描述的，在实施例中，通过电化学蚀刻，导电性多孔结构被形成在导电性结构内。在导电性衬底是硅的情况下，电化学蚀刻电解液例如可以包括氢氟酸(HF)或HF乙醇溶液。在利用电化学蚀刻来形成导电性结构的多孔结构的情况下，能够通过各种方式来提供导电性结构。例如，导电性结构能够是硅晶圆的一部分，或者是沉积在衬底上的硅层。能够使用诸如外延沉积和化学气相淀积(CVD)之类的技术来生长硅。在实施例中，可以采用较不昂贵的方法，该方法中能够在各种衬底和表面上沉积硅层。在实施例中，能够利用硅颗粒的热喷涂(例如等离子喷涂)来形成硅层。在实施例中，硅颗粒是多晶硅。在另一个实施例中，能够利用铸造技术来形成硅颗粒的硅层。除硅之外，也可以使用诸如多孔锗和多孔锡之类的其他材料。使用多孔硅的可能的优点包括其与现存硅技术的兼容性。作为针对该材料的现存技术的结果，多孔锗享有类似的优点，并且与硅相比，享有另外的可能的优点——其自然氧化物(氧化锗)是水溶性的，并且因此容易去除。(形成在硅的表面上的自然氧化物可以捕获电荷——这是不合需要的结果。)多孔锗也与硅技术高度地兼容。使用多孔锡(其是零带隙材料)的可能的优点包括其相对于某些其他导电和半导电材料的增强的导电率。也可以对于多孔结构使用其他材料，包括碳化硅、诸如硅和锗的合金之类的合金，和诸如铜、铝、镍、钙、钨、钥和锰之类的金属。
[0019]在实施例中，利用气凝胶技术来形成导电性多孔结构。例如，能够将凝胶沉积在衬底上，并且然后经由诸如超临界干燥和冷冻干燥之类的过程从凝胶中提取液体组分。能够通过使用衬底表面的受控纹理来实现对衬底的气凝胶粘合。可能适合于利用气凝胶技术形成导电性多孔结构的材料包括硅、碳、钒、钥、钌和锰。使用这样的干燥过程的可能的优点是低温处理的使用可能与在微电子器件封装中使用的聚合体兼容。在实施例中，使用厚的光刻胶和电纺导电纳米结构(例如碳纳米管)把导电性多孔结构形成到衬底上。
[0020]能量存储装置100的各种配置是可能的。在图1的实施例中，例如，能量存储装置100包括两个不同的导电性多孔结构(S卩，导电性结构110和导电性结构120)，在这些结构之间已经利用分离物130将两个不同的导电性多孔结构面对面结合在一起。作为另一个示例，在图2的实施例中，能量存储装置100包括单平面导电性多孔结构，其中通过包含分离物130的沟槽231把第一区段(导电性结构110)与第二区段(导电性结构120)分离。导电性结构之一将是正侧，并且另一个导电性结构将是负侧。
[0021]图2示出连接导电性结构110和导电性结构120的小材料桥。如果置之不理(leftunaddressed)，该桥可以充当两个导电性结构之间的电短路。然而，存在若干可能的解决方案。例如，可以使用抛光操作来去除该桥。根据本发明的实施例，然后可以通过一些其他手段或通过分离物130将导电结构保持分开。替代地，导电性结构可以被形成在晶片的重掺杂顶层或区域中，而沟槽向下延伸至下层轻掺杂衬底，该衬底不是很好的导体。替代地，可以对桥执行诸如氧化步骤之类的另外的处理以使其较不导电，或者可以使用绝缘体上硅结构。
[0022]还应注意，对图1-2中的多孔结构的描绘是高度理想化的，仅仅提出一个示例，如所有沟道111和121被示出为仅仅垂直地扩展。实际上，沟道会在多个方向上分叉以产生可以看起来像图4B中示出的多孔结构的缠结的、混乱的图案。
[0023]图4B是多孔硅层的横截面侧视图扫描电子显微镜(SEM)图像400。用电化学方式蚀刻硅层以形成根据本发明的实施例的多孔硅结构。在图4B中图示的实施例中，未蚀刻的硅的层402保留在蚀刻的多孔硅结构411的下面。在一个实施例中，未蚀刻层402充当多孔结构411 (和对应的能量存储装置，未示出)的支撑结构。图4A是在图4B中示出的多孔硅结构411的顶视图SEM图像400。
[0024]再次参考图1-2，分离物130阻止阳极和阴极的物理接触(这将将造成装置中的电气故障)，同时允许离子电荷载体的传递。例如，分离物130能够是渗透膜或其他多孔聚合体分离物。除聚合体分离物之外，若干其他分离物类型也是可能的。这些包括非纺织纤维片、液体膜、聚合体电解质、固体离子导体，等等。分离物130可以是向能量存储装置100提供结构刚度的固体或半固体(例如，凝胶)材料。在实施例中，分离物130是固体或半固体电解质，两者都允许离子电荷载体的传递并且阻止两个导电结构的物理接触。在实施例中，固体或半固体电解质分离物130渗透到如图1-2中所图示的并且在以下段落中更详细地被描述的导电性结构110、120中的至少一个的多孔结构中。以这样的方式，除提供间隔体的角色之外，分离物130还可以借助于与电解质150混合或化学结合和/或与多孔结构进行附加的机械联锁或化学结合来向能量存储装置100提供附加负载承载结构稳定性。在实施例中，固体或半固体电解质包括提供结构刚度的聚合物基体。为了提供附加的离子传递，离子液体能够与分离物130中的聚合物基体混合。聚合物基体也可以包括共聚合体。例如，共聚合体能够包括提供聚合物基体的结构支柱的第一聚合体，以及提供增加的离子导电率的第二聚合体。举例来说，共聚合体能够包括聚酰亚胺支柱和用于离子导电率的聚环氧乙烷。在实施例中，聚酰亚胺的分子量高于聚环氧乙烷的分子量。
[0025]图1-2中还图示出电解质150，电解质150引起EDL。在一些实施例中，电解质150是有机的。根据本发明的实施例可以使用的一种类型的电解质是离子溶液(液体或固体)。另一种是包括含离子溶剂的电解质(例如，Li2S04、LiPF6X作为一个示例，电解质能够是诸如乙腈中的四乙铵四氟硼酸盐之类的有机材料的液体或固体溶液。其他示例包括基于硼酸、硼酸钠或弱有机酸的溶液。有机电解质和固态的电解质也是可能的。在特定实施例中，电解质150是液体电解质溶液，并且分离物130是固体或半固体电解质。然而，电解质150也可以是用于形成分离物130的相同的材料。使用圆圈和点的随机排列在附图中表示电解质150和固体或半固体电解质分离物130,其中用未填充的圆圈来表不电解质150,并且用点来表示固体或半固体电解质分离物130。该表示意图传达如下思想:电解质130、150是包含自由离子的物质(液体或固体，包括胶状的材料)。为了方便起见而选择圆圈和点，并且圆圈和点不意图暗示关于成份或质量的任何限制，包括关于离子的尺寸、形状或数量的任何限制。也选择圆圈和点来清楚地图示出固体或半固体电解质分离物130到导电性结构110、120的多孔结构中的渗透以及电解质150到固体或半固体电解质分离物130中的渗透的可能性。在图1-2中图示的特定实施例中，电解质130、150被图示为在沟道111、121 (或孔)的表面115、125处的区域中混合。根据本发明的实施例，能够控制电解质130、150的混合的量。例如，在另一个实施例中，电解质130 (由点表示)渗透沟道111、121 (或其他多孔结构)的大部分，并且甚至可以完全地渗透沟道111、121 (或其他多孔结构)。同样地，能够控制电解质150 (由未填充的圆圈表示的)到电解质150中的渗透。
[0026]图3示意地描绘形成在具有电解质150的沟道111之一内的双电层(EDL)330。将理解的是，尽管在沟道111内仅仅示出电解质150，但电解质130也可以存在于沟道111内，并且取决于渗透的量而贡献EDL。EDL330由两个电荷层组成，其之一是沟道111的侧壁的电荷(在图3中被描绘为正的，但其也能够是负的)，并且其另一个由电解质中的自由离子形成。EDL330使表面以电气方式绝缘，因此提供电容器起作用所需的电荷分离。由于电解质离子和电极表面电荷之间的小的(大致Inm)的分离，EDLC的大电容以及因此的能量存储电势出现。
[0027]再次参考图1-2，能量存储装置100还可以在多孔结构的至少一部分上以及沟道111和/或沟道121中的至少一些中包括导电性涂层140。这样的导电性涂层可能是必要的，以便维持或增强多孔结构的导电率，或者其在降低ESR从而提高性能方面可以是有帮助的。例如，具有较低ESR的装置能够递送较高功率(这在更大的加速度、更多马力等等方面可以是明显的)。相比之下，至少部分地由于大部分能量作为热量被浪费的事实，较高的ESR(在典型的电池内部普遍的条件)限制可用能量的量。举例来说，导电性涂层140可以是硅化物。作为另一个示例，导电性涂层140可以是诸如像铝、铜和钨的金属涂层，或诸如氮化钨、氮化钛、氮化钽，和氮化钒之类的其他电导体。每一个所列出的材料具有在现存CMOS技术中被使用的优点。也可以使用诸如镍和钙之类的其他金属作为导电性涂层140。可以使用诸如电镀、化学气相淀积(CVD)和/或原子层沉积(ALD)之类的过程来应用这些材料。
[0028]在一些实施例中，可以在电解质150和多孔结构110的沟道111之间放置介电层515，如图5所图示的。在图5中未示出EDL，以避免不必要地使该图复杂。可以引入介电层515以进一步增强能量存储装置的电容，或者为了其他理由，诸如但不限于表面钝化和润湿性增强。
[0029]在一些实施例中，可以在电解质和至少一些沟道之间放置介电层和导电涂层两者。通过使用两个层，允许针对特定参数独立地优化每个层。例如，可以优化介电层以提供好的表面钝化，而可以优化导电层以提供低ESR。
[0030]如先前描述的，本发明的实施例提供使能量存储装置例如到电子装置的封装和壳体中的集成简化的通用方法。例如，能量存储装置可以被集成到移动电话、膝上计算机或平板的壳体中，或被集成到移动电话、膝上计算机或平板的结构中。例如，可以通过在壳体上形成能量存储装置或者在能量存储装置之上层压壳体来完成这一点。
[0031]图6图示出根据本发明的实施例的开关电容器电路的电路图。开关电容器电路600包括输入电压602 (例如，5伏特);时钟信号604 (例如，Vl=O伏特、V2=5伏特、TD=O,Trise=I纳秒、Tfal 1=1纳秒、脉冲宽度=100毫秒，并且PER=200毫秒);反相器606，用于反转时钟信号；电阻器Rl (例如，I毫欧)；R3 (例如，100毫欧)；R4 (例如，2欧姆)；R6 (例如，50毫欧);R7 (例如，10千欧);R8 (例如，10千欧)和R9 (例如，I千欧)。通用开关S1-S4 (例如，晶体管、二极管、M0SFET，等等)允许电路在用于电解电容器C3 (例如，2法拉)和Cl (例如，I法拉)的充电和放电模式之间进行切换。开关可以具有假定的5毫欧RDSm。在一个实施例中，负载610包括C1、R3、R9和R4。R9表示恒定负载，而R4表示取决于开关608的位置的瞬态负载。Cl和C3的电容可以非常高(例如，至少I毫法拉)并且在长时段内保持充电。如果期望，人们能够添加与Cl和C3并联的常规多层片式陶瓷电容器(例如，20微法)。
[0032]图7图示出根据本发明的实施例的分压器电路的电路图。分压器电路700是电路600的简化版本。电解电容器Cf对应于图6的C3并且电解电容器Cb对应于图6的Cl。在一个实施例中，输出电压Vw大致等于2:1分压器电路700的输入电压Vin的一半。当时钟信号712为高(逻辑“I”)时，SI和S3闭合，并且当时钟信号712为低(逻辑“O”)时，SI和S3开路。当时钟信号714为高(逻辑I)时，S2和S4闭合，并且当时钟信号714为低(逻辑O)时，S2和S4开路。分压器电路可以具有50%的占空比。
[0033]图8和9图示出根据本发明的实施例的示出操作模式的分压器电路的等效电路图。电路800示出电路700的充电模式，其中基于时钟信号812和814，开关SI和S3处于闭合位置中，并且开关S2和S4处于开路位置中。电路900示出电路700的放电模式，其中基于时钟信号，开关S2和S4处于闭合位置中，并且开关SI和S3处于开路位置中。在一个实施例中，输出电压Vra大致等于2:1分压器电路800和900的输入电压Vin的一半。
[0034]在具有100毫秒RC时间常数、具有I法拉的一个浮动电解电容器C3和I法拉的输出电容器Cl的情况下，使用5Hz的开关频率对电路600执行仿真。仿真使用1.2Α/微秒的负载di/dt，并且是使用行为模型的离散实施方式。通用开关具有假定5毫欧姆的RDSm。如果需要，人们能够在输出处添加常规多层片式陶瓷电容器以处理di/dt事件。事实上，开关电容器VR应当具有高的di/dt，这是因为不存在电感器来限制电流的上升。
[0035]图10和11图示出根据本发明的实施例的开关电容器电路的输入和输出波形。通过电路600的仿真来生成输入和输出波形。图10图示出输入电压信号1010大致为5伏特并且输出电压信号1020大致为2.5伏特，其中基于图6的开关608的闭合(这降低负载电阻并且增加输出电流)，输出电流1030在4秒的时间从2.5mA上升到1.2A。
[0036]图11图示出对于大致2.5mA的输出电流，输出电压信号1110大致为2.5伏特，并且对于波动电压1120，在基于图6的开关608的闭合(这降低负载电阻并且增加输出电流)在4秒的时间输出电流为1.2A的情况下,输出电压信号大致为2.4伏特，。
[0037]在一个实施例中，诸如在本文描述的电路之类的电路包括第一电解电容器和耦合到第一电解电容器的第二电解电容器，当利用开关把第一电解电容器耦合到输入电压源时，第一电解电容器充电到输入电压。第二电解电容器可以是与电路的输出电压相关联的输出电容器。每个电解电容器可以具有至少一毫法拉(HiF)的电容和小于一千赫兹或小于一百赫兹的开关频率。每个电解电容器可以包括一对多孔半导体结构和将该一对多孔半导体结构分离并且渗透该一对多孔半导体结构的固体或半固体电解质层，其中每个多孔半导体结构包含载入到多个孔中的电解质。替代地，能够用活性碳或其他多孔材料来替换多孔半导体结构。每个电解电容器可以具有基于形成在具有浅孔或沟道(例如，I至25微米)的平面结构中的孔或沟道的超低有效串联电阻。浅孔或沟道降低离子电荷载体需要行进的距离，从而导致超低有效串联电阻(例如，0.001至I欧姆)。每个电解电容器可以与电路单片地集成或者位于电路外部。电路的输出电压大致等于输入电压乘以固定比率，该固定比率可以从以下比率中选择:1 / 2、2 / 3和I / 3。
[0038]在实施例中，电路包括多相式转换器。在另一个实施例中，电路包括多相式升压转换器。基于电路的要求来设计每个电解电容器的参数，其中可设计参数包括电压、有效串联电阻、品质因数和尺寸。例如，如果设计仅仅需要具有100微法拉电容的电容器，那么电容器可以被设计为多孔半导体结构是平面的并且具有浅孔或沟道。这将把有效串联电阻降低到超低值。转换器电路能够切换到激活状态中，以解决电路需要，诸如解决电压或电源下降。
[0039]图12图示出根据本发明的其他实施例的分压器电路的电路图。分压器电路1200是电路700的修改版本。电解电容器Cfi和Cf2替换图7的CF，并且电解电容器CA、Cb和Cc替换了图7的CB。在一个实施例中,输出电压V121tl大致等于输入电压Vin的三分之二,并且输出电压V122tl大致等于分压器电路1200的输入电压Vin的三分之一。当时钟信号1212为高(逻辑I)时，开关S1、S3和S5可以是闭合的，并且当时钟信号1212为低(逻辑O)时，开关S1、S3和S5可以是开路的。当时钟信号1214为高(逻辑I)时，开关S2、S4和S6可以是闭合的，并且当时钟信号1214为低(逻辑O)时，开关S2、S4和S6可以是开路的。分压器电路可以具有大致33%的占空比。
[0040]图13图示出根据本发明的一个实施例的降压转换器电路的电路图。降压转换器电路1300包括输入电压源1302、开关1304 (例如，晶体管开关)、换向二极管1306、电感器1310、电阻器1312，和电解电容器1320。换向指的是电压极性或电流方向的反转。换向二极管1306的目的是每当电压反转极性时进行动作。降压转换器是递降DC至DC转换器。两个开关1304和1306控制电感器1310。电路1300在当开关1304闭合并且开关1306开路时将电感器1310连接到输入源电压以在电感器中存储能量与当开关1304开路并且开关1306闭合时将电感器放电到包括电容器1320和电阻器1312的负载1330中之间交替。
[0041]图14图示出根据本发明的另一个实施例的降压转换器电路的电路图。降压转换器电路1400包括输入电压源1402、开关1404(例如，晶体管开关)、开关1406 (例如，晶体管开关)、电感器1410、电阻器1412、电解电容器1420，和电容器1422。两个开关1404和1406控制电感器1410。电路1400在当开关1404闭合并且开关1406开路时将电感器1410连接到输入源电压以在电感器中存储能量与当开关1404开路并且开关1406闭合时将电感器放电到包括电容器和电阻器1412的负载1430中之间交替。
[0042]在一个实施例中，功率转换器电路(例如，降压转换器电路)包括:电感器，用于在第一状态期间被耦合到输入电压时进行充电以及用于在第二状态期间进行放电。负载耦合到电感器。负载包括与电阻器并联耦合的至少一个电解电容器。功率转换器电路的输出电压小于输入电压。至少一个电解电容器具有至少一毫法拉(HiF)的电容和小于一千赫兹的开关频率。至少一个电解电容器可以与功率转换器电路单片地集成。负载可以包括与电容器并联耦合的电解电容器。电解电容器可以被设计用于低频性能(例如，小于I千赫兹)，并且电容器可以被设计用于高频性能。
[0043]图15图示出根据本发明的一个实施例的倍压器电路的电路图。倍压器电路1500是电路700的修改版本。电路1500包括输入电解电容器C1、在开关S2和S3两端的电解电容器Cf,和输出电解电容器Co。在一个实施例中,输出电压V。大致等于输入电压Vin的两倍。当时钟信号1512为高(逻辑I)时，开关SI和S3可以是闭合的，并且当时钟信号1512为低(逻辑O)时，开关SI和S3可以是开路的。当时钟信号1514为高(逻辑I)时，开关S2和S4可以是闭合的，并且当时钟信号1514为低(逻辑O)时，开关S2和S4可以是开路的。倍压器电路可以具有大致50%的占空比。
[0044]图16图示出根据本发明的一个实施例的电压反相器电路的电路图。电压反相器电路1600是电路700的修改版本。电路1600包括电解电容器Cf和输出电解电容器CB。在一个实施例中，输出电压V。大致等于反转的输入电压Vin (即，Vtj=-VinX当时钟信号1612为高(逻辑I)时，开关SI和S3可以是闭合的，并且当时钟信号1612为低(逻辑O)时，开关SI和S3可以是开路的。当时钟信号1614为高(逻辑I)时，开关S2和S4可以是闭合的，并且当时钟信号1614为低(逻辑O)时，开关S2和S4可以是开路的。电压反相器电路可以具有大致50%的占空比。
[0045]图17是图示出根据本发明的实施例的、操作开关电容器电路的方法的流程图。由处理逻辑来执行方法1700，处理逻辑可以包括硬件(电路、专用逻辑，等等)、软件(诸如在通用计算机系统或专用机器或装置上运行的)或两者的组合。在一个实施例中，由与在本文讨论的电路(例如，电路700)、装置或系统相关联的处理逻辑来执行方法1700。
[0046]在框1702，当第二电解电容器与第一电解电容器串联耦合时，向电路提供输入电压以对第一电解电容器和第二电解电容器充电。在框1704，当第二电解电容器与第一电解电容器并联耦合时，将电路的第一和第二电解电容器放电。每个电解电容器可以具有至少一毫法拉(mF)的电容和小于一千赫兹的开关频率。每个电解电容器可以具有小于一百赫兹的或替代地小于十赫兹的开关频率。在一个实施例中，电路的输出电压大致等于输入电压乘以从以下比率中选择的固定比率:1 / 2、2 / 3和I / 3。
[0047]图18是根据本发明的实施例的表示移动电子装置1800的框图。如图18中所图示的，移动电子装置1800包括衬底1810，在其上设置微处理器1820和具有与微处理器1820相关联的能量存储装置1831的转换器1830(例如，转换器电路、开关电容器电路、电路600、电路700、电路800、电路900、电路1200、电路1300、电路1400、电路1500、电路1600等等)。转换器1830和能量存储装置1831能够远离微处理器1820位于衬底1810上，如以实线所图示的。具有能量存储装置的转换器也能够位于微处理器1820本身上或在微处理器1820本身的下面，如以虚线所图示的。在一个实施例中，能量存储装置1831包括通过固体或半固体电解质层彼此分离的第一和第二导电性结构。在实施例中，固体或半固体电解质层渗透第一和第二导电性结构中的任一个或两个的多孔结构。在实施例中，第一和第二导电性结构之一包括包含多沟道的多孔结构。举例来说，该实施例能够类似于在图1-5中示出且在随附的文本中描述的实施例中的一个或多个。
[0048]在至少一些实施例中，能量存储装置1831是包含在移动电子装置1800内的多个能量存储装置(其所有在图18中由块1831来表示)之一。在一个或多个那些实施例中，移动电子装置1800进一步包括与能量存储装置相关联的开关网络1840。当电容器放电时，其不维持恒定电压，而是改为以指数方式衰减(与在放电期间电压保持相对恒定的电池不同)。开关网络1840包括将各个电容器接通和断开以使得维持相对恒定的电压的电路或一些其他机构。例如，能量存储装置最初能够彼此并联连接，并且然后，在一定量的电压衰减之后，能量存储装置的子集能够被开关网络改变成串联连接，以使得他们的个体电压贡献能够使下降的总体电压升高。在一个实施例中，能够使用现有技术中使用的现存硅装置技术(例如，晶体管、可控硅整流器(SCR)等等)来实施开关网络1840，而在其他的实施例中，能够使用微机电系统(MEMS)继电器或开关(可以注意，其趋向于具有非常低的电阻)来实施开关网络1840。
[0049]在一些实施例中，移动电子装置1800进一步包括与能量存储装置1831相关联的传感器网络1850。在至少一些实施例中，能量存储装置中的每一个将具有指示能量存储装置的某些行为参数的其自己的传感器。例如，传感器可以指示现存的电压电平以及进行中的放电响应，两者都是可以由开关网络使用的参数——尤其是在被使用的介电材料(或其他电绝缘体)不是线性的而是具有随电压而变化的介电常数的情况下。在那些情况下，可能有利的是与传感器网络一起包括有限状态机，诸如知道电介质的行为是什么并且相应地进行响应的电压控制单元I860。知道电介质如何动作的电压控制单元能够补偿任何非线性。也可以包括与能量存储装置1831相关联的温度传感器1870，以便感测温度(或其他安全相关的参数)。在本发明的某些实施例中，移动电子装置1800进一步包括以下中一个或多个:显示器1881、天线/ RF元件1882、网络接口 1883、数据录入装置1884(例如，小键盘或触摸屏)、麦克风1885、照相机1886、视频投影仪1887、全球定位系统(GPS)接收机1888，等等。
[0050]图19是表示根据本发明的实施例的微电子装置1900的框图。如图19所图示的，微电子装置1900包括衬底1910、衬底1910上方的微处理器1920，和与微处理器1920相关联的转换器1930。转换器1930 (例如，转换器电路、开关电容器电路、电路600、电路700、电路800、电路900、电路1200、电路1300、电路1400、电路1500、电路1600，等等)包括能量存储装置1931。转换器和能量存储装置能够远离微处理器1920位于衬底1910上(例如，管芯侧电容器，或者在硅桥上)，如以实线所图示的，或者其能够位于微处理器1920本身上或者在微处理器1920本身的下面(例如，微处理器上方的建立层中)，如以虚线所图示的。能量存储装置也能够被集成到微电子装置的壳体中。
[0051]在一个实施例中，处理器(例如，微处理器1920)包括向处理器提供电源的转换器电路1930。转换器电路包括第一电解电容器和耦合到第一电解电容器的第二电解电容器，当利用处于闭合位置中的开关被耦合到输入电压源时，第一电解电容器充电到输入电压。第二电解电容器提供要被用作电源的输出电压。每个电解电容器可以具有至少一毫法拉(mF)的电容。每个电解电容器可以具有小于一千赫兹的开关频率。每个电解电容器可以与处理器单片地集成，如图示的，其中转换器1930和能量存储装置(一个或多个电解电容器1931)位于微处理器1920内。
[0052]在一些实施例中，在这里公开的能量存储装置可以被用作微电子装置1900内的去耦电容器，与现存去耦电容器相比，该去耦电容器较小并且出于在本文在别处描述的理由，提供高得多的电容和低得多的阻抗。如已经提到的，能量存储装置1930能够是支撑集成电路(IC)或芯片的部分，或者其能够位于微处理器管芯本身上或者在微处理器管芯本身的下面。举例来说，根据本发明的实施例，其可能能够形成微处理器管芯上的多孔硅的区域(或如上所述的类似物)并且然后产生正好在微处理器管芯的衬底上的高表面面积嵌入式去耦电容器。由于硅的多孔性，嵌入式电容器将具有非常高的表面面积。所公开的能量存储装置的其他可能的使用包括用作存储器存储元件(其中可以通过大大地增加每单位面积的法拉数来解决嵌入式DRAM方式的Z方向尺寸问题)或用作可能用于与电路块、个体微处理器核等等一起使用的电压升压电路中的电压转换器的组件。
[0053]举例来说，在该上下文中较高的电容值能够是有利的，这是因为电路的各部分然后能够以某一(相对低的)电压标称地运行，但是然后在需要较高电压以便提高速度的地方(例如，高速缓存存储器、输入/输出(I/o)应用)，电压能够被升高到较高的值。与其中到处使用较高电压的操作方案相比，该类别的操作方案将可能是优选的；即，在仅仅少量电路要求较高电压的情况下，可能优选的将是，对于该小部分的电路从较低的基准电压升高电压，而不是对于大多数电路从较高的基准值降低电压。未来的微处理器生成也可以利用在本文描述的类型的电压转换器。使更多电容可用于在封装周围或在微处理器管芯周围被部署可以帮助解决在电路周围传递电压的晶体管之间的过度高的电感的现存问题。
[0054]尽管已经参考特定实施例描述了本发明，但本领域技术人员将理解，在不背离本发明的精神或范围的情况下可以进行各种改变。因此，本发明的实施例的公开意图说明本发明的范围并且不意图进行限制。本发明的范围意图应当仅被限制到由所附权利要求所要求的范围。例如，对于本领域普通技术人员，将很明显的是，可以在各种实施例中实施在本文讨论的能量存储装置以及相关的结构和方法，并且，以上对这些实施例中的某些的讨论不一定表不对所有可能的实施例的完整的描述。
[0055]另外地，已经关于特定实施例描述了益处、其他优点和问题的解决方案。然而，将不把益处、优点、问题的解决方案以及可以使任何益处、优点，或解决方案出现或变得更显著的任何一个或多个要素解释为任何或所有权利要求的关键性的、要求的或必要的特征或要素。
[0056]此外，如果实施例和/或限制:(I)没有在权利要求中被明确地主张；和(2)在等同物的原则之下是或潜在地是权利要求中的表示要素和/或限制的等同物，则在专用的原则之下，在这里公开的实施例和限制不献给公众。
【权利要求】
1.一种电路,包括: 第一电解电容器，当利用开关被耦合到输入电压源时，充电到输入电压；和 第二电解电容器，稱合到第一电解电容器，第二电解电容器与电路的输出电压相关联。
2.根据权利要求1所述的电路，其中，每个电解电容器均具有至少一毫法拉(mF)的电容。
3.根据权利要求1所述的电路，其中，每个电解电容器均具有小于一千赫兹的开关频率。
4.根据权利要求1所述的电路，其中，每个电解电容器均具有小于一百赫兹的开关频率。
5.根据权利要求1所述的电路，其中，每个电解电容器均包括一对多孔半导体结构，每个多孔半导体结构包含载入到多个孔中的电解质；和 固体或半固体电解质层，将所述一对多孔半导体结构分离并且渗透所述一对多孔半导体结构，其中，每个电解电容器均具有基于平面且浅的孔的超低有效串联电阻。
6.根据权利要求1所述的电路，其中，每个电解电容器均与所述电路单片地集成。
7.根据权利要求1所述的电路，其中，所述输出电压大致等于输入电压乘以固定比率。
8.根据权利要求7所述的电路，其中，所述固定比率是从以下比率中选择的:1/ 2、2 / 3和 I / 3。
9.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电路包括多相式转换器。
10.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电路包括多相式升压转换器。
11.根据权利要求1所述的电路，其中，基于所述电路的要求来设计每个电解电容器的参数，其中所述参数包括电压、有效串联电阻、品质因数和尺寸。
12.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电路包括倍压器电路。
13.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电路被合并在电子装置内，所述电路与微处理器和硅衬底相关联。
14.根据权利要求1所述的电路，其中，所述电路包括电压反相器电路。
15.—种操作开关电容器电路的方法,包括: 当第二电解电容器与第一电解电容器串联稱合时，提供输入电压来对第一电解电容器和第二电解电容器进行充电；以及 当第二电解电容器与第一电解电容器并联耦合时，对第一和第二电解电容器进行放电。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，每个电解电容器均具有至少一毫法拉(mF)的电容。
17.根据权利要求15所述的方法，其中，每个电解电容器均具有小于一千赫兹的开关频率。
18.根据权利要求15所述的方法，其中，每个电解电容器均具有小于一百赫兹的开关频率。
19.根据权利要求15所述的方法，其中，每个电解电容器均与硅衬底相关联。
20.根据权利要求15所述的方法，其中，输出电压大致等于输入电压乘以从以下比率中选择的固定比率:1 / 2、2 / 3和I / 3。
21.—种功率转换器电路，包括: 电感器，当在第一状态期间被耦合到输入电压时进行充电，并且在第二状态期间进行放电；和 耦合到电感器的负载，负载包括与电阻器并联耦合的至少一个电解电容器。
22.根据权利要求21所述的功率转换器电容器电路，其中，所述至少一个电解电容器具有至少一毫法拉(mF)的电容。
23.根据权利要求21所述的功率转换器电路，其中，所述至少一个电解电容器具有小于一千赫兹的开关频率。
24.根据权利要求21所述的功率转换器电路，其中，所述至少一个电解电容器与功率转换器电路单片地集成。
25.根据权利要求21所述的功率转换器电路，其中，功率转换器电路包括降压转换器。
26.根据权利要求21所述的功率转换器电路，其中，所述至少一个电解电容器包括与第二电解电容器并联耦合的第一电解电容器，其中第一电解电容器被设计用于低频性能并且第二电解电容器被设计用于高频性能。
27.一种处理器，包括: 转换器电路，向处理器提供电源，所述转换器电路包括: 第一电解电容器，当被耦合到输入电压源时，充电到输入电压；和耦合到第一电解电容器的第二电解电容器，第二电解电容器与所述转换器电路的输出电压相关联。
28.根据权利要求27所述的处理器，其中，每个电解电容器均具有至少一毫法拉(mF)的电容。
29.根据权利要求27所述的处理器，其中，每个电解电容器均具有小于一千赫兹的开关频率。
30.根据权利要求27所述的处理器，其中，每个电解电容器均与所述处理器单片地集成。
【文档编号】H02M3/06GK104205624SQ201280072112
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2012年3月30日 优先权日:2012年3月30日
【发明者】D.S.加纳, P.库马 申请人:英特尔公司