(57)【要約】      （修正有）【課題】スイッチトキャパシタ電圧レギュレータの効率を改善するための技術を提供する。【解決手段】スイッチトキャパシタ電圧レギュレータ１００は、複数の利得構成を有するスイッチトキャパシタネットワーク１０３と、スイッチトキャパシタネットワークのキャパシタを充電状態と放電状態との間で切替えてスケーリングされた出力電圧を提供するように構成されたクロック１０４と、キャパシタ構成を連続的に切替えながら所望の出力電圧範囲内のスケーリングされた出力電圧を提供する複数の利得構成のうちの利得に関連づけられたキャパシタ構成を選択し、スイッチトキャパシタ電圧レギュレータの出力電圧がスケーリングされた出力電圧を下回ることを許容するが、切替えによる損失を低減することによって電力を節約するために所望の出力電圧範囲の下限を超えて維持するようにキャパシタ構成の切替えを中断するように構成されたコントローラ１０５と、を含む。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチトキャパシタ電圧レギュレータのキャパシタが入力ノードから電荷を受け取るときの入力キャパシタ構成と、前記キャパシタが出力ノードに電荷を提供するときの出力キャパシタ構成との間で、切替えキャパシタの再構成を可能にすることによって、前記入力ノードにおける入力電圧レベルを前記出力ノードにおける出力電圧に変換するための前記スイッチトキャパシタ電圧レギュレータを動作させる方法であって、前記方法は、
前記入力電圧レベルを受信することと、
各選択されたキャパシタ構成を連続的に切替えながら、所望の出力電圧範囲内のスケーリングされた出力電圧を提供するために、複数のキャパシタ構成設定のうちのキャパシタ構成の設定を反復的に選択することであって、前記キャパシタ構成設定を繰り返し選択することは、
新しいキャパシタ構成設定が前記所望の出力電圧範囲内で前記出力電圧を安定させることに失敗したとき、新しいキャパシタ構成設定を選択することと、および、
前記新しいキャパシタ構成設定のキャパシタ構成が前記所望の出力電圧範囲内に前記出力電圧を安定させるとき、キャパシタ構成設定を前記繰り返し選択することを終了することと、
を含む、キャパシタ構成の設定を反復的に選択することと、および
前記出力電圧がスケーリングされた前記出力電圧を下回ることを許容するが、前記切替えによる損失を減らすことによって電力を節約するために前記所望の出力電圧範囲の下限を超えて維持する前記キャパシタ構成の切替えの中断をすることと、
を含む、方法。
【請求項２】
前記中断することが、前記スケーリングされた出力電圧より低い第１の電圧閾値でトリガされる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記中断することが、前記第１の電圧閾値を提供するため前記スイッチトキャパシタ電圧レギュレータのフィードバック回路の分圧器を選択することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記キャパシタ構成を前記中断することが、前記出力電圧レベルが前記第１の電圧閾値を表す第１の値を満たすまたは超えるときに前記スイッチトキャパシタ電圧レギュレータのクロックを無効にすることを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記キャパシタ構成を前記中断することは、前記出力電圧レベルが前記下限を表す第２の値を満たすかまたは下回るときに前記スイッチトキャパシタ電圧レギュレータの前記クロックを有効にすることを含む、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
前記出力電圧レベルが、第１の間隔の後に前記第１の電圧閾値を表す第１の値を満たさないかまたは超えないときに、前記フィードバック回路の第２の分圧器を選択することを含み、前記スイッチトキャパシタ電圧レギュレータの切替え後に開始される前記第１の間隔は再度有効となる、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記スイッチトキャパシタ電圧レギュレータの前記クロックを有効にした後の第１の間隔の後に前記出力電圧レベルが前記第１の値を満たさないかまたは超えないとき、前記フィードバック回路の第２の分圧器を選択することを含み、前記第２の分圧器は、前記第１の電圧閾値よりも高い第２の電圧閾値を表す、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
前記クロックが有効にされたときに前記第１の間隔に対してタイマをリセットすることを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
タイマの満了に応答して第２のキャパシタ構成を繰り返し再選択することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記スイッチトキャパシタ電圧レギュレータの出力インピーダンスは、前記キャパシタ構成設定とは無関係である、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
前記複数のキャパシタ構成設定は、前記スイッチトキャパシタ電圧レギュレータへ複数の均等に分配された利得を提供する、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
レギュレータを動作させる方法であって、前記レギュレータは、入力電圧を受け取り、前記入力電圧のスケーリングされたバージョンとして出力電圧を供給するように構成されたスイッチトキャパシタアレイを有しており、前記方法は、
スケールファクタは、第１の高電圧制限と低電圧制限との間の公称出力電圧レベルを提供するように構成されており、前記第１の高電圧制限、前記低電圧制限、およびクロックを有効にしたときに前記スイッチトキャパシタアレイを切替えるように構成された前記クロックを使用して、前記レギュレータの複数の前記スケールファクタのうちの１つのスケールファクタを決定することと、
第２の高電圧制限は前記第１の高電圧制限より低く、前記スケールファクタが決定された後に前記第２の高電圧制限を確立することと、
前記出力電圧が前記第２の高電圧制限以上になると、前記クロックを無効にすることと、
前記出力電圧が前記低電圧制限以下になったときに前記クロックを有効にすることと、および、
タイマの満了に応答して第２のスケールファクタを繰り返し決定することと
を含む、方法。
【請求項１３】
前記スケールファクタを前記決定することは、前記出力電圧が前記第１の高電圧制限と前記第２の高電圧制限との間で安定するまで前記スイッチトキャパシタアレイを再配置することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記スケールファクタを前記決定することは、前記出力電圧が前記第１の高電圧制限と前記第２の高電圧制限との間に安定したときに前記クロックを無効にすることを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記レギュレータがバックレギュレータである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１６】
前記スイッチトキャパシタ電圧レギュレータの出力インピーダンスは、前記複数のスケールファクタの各スケールファクタに対して同じである、請求項１２に記載の方法。
【請求項１７】
前記複数のスケールファクタのうちの前記スケールファクタが均等に分配されている、請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
スイッチトキャパシタ電圧レギュレータであって、
複数の利得構成を有するスイッチトキャパシタネットワークと、
前記スイッチトキャパシタネットワークのキャパシタを充電状態と放電状態との間で切替えてスケーリングされた出力電圧を提供するように構成されたクロックと、および、
キャパシタ構成を連続的に切替えながら所望の出力電圧範囲内の前記スケーリングされた出力電圧を提供する前記複数の利得構成のうちの利得に関連づけられた前記キャパシタ構成を反復的に決定するように構成され、かつ、前記スイッチトキャパシタ電圧レギュレータの出力電圧が前記スケーリングされた出力電圧を下回ることを許容するために前記キャパシタ構成の切替えを中断するが、前記切替えによる損失を減らすことによって電力を節約するために、前記所望の出力電圧範囲の下限を超えて維持するように構成される、コントローラと、
を備える、スイッチトキャパシタ電圧レギュレータ。
【請求項１９】
前記スイッチキャパシタネットワークの前記出力インピーダンスは、前記複数の利得構成のうちの選択された利得構成とは無関係である、請求項１８に記載のスイッチトキャパシタ電圧レギュレータ。
【請求項２０】
前記複数の利得構成が均等に分配されている、請求項１８に記載のスイッチトキャパシタ電圧レギュレータ。
【請求項２１】
前記コントローラが、前記キャパシタ構成の切替えを中断するために前記クロックを無効にするように構成されている、請求項１８に記載のスイッチトキャパシタ電圧レギュレータ。
【請求項２２】
前記コントローラが、前記出力電圧が第１の電圧閾値を満たすかまたは超えるときに前記クロックを中断するように構成され、および、
前記第１の閾値が、前記スケーリングされた出力電圧よりも低い、請求項２１に記載のスイッチトキャパシタ電圧レギュレータ。
【請求項２３】
前記コントローラが、前記第１の電圧閾値を提供するために、前記スイッチトキャパシタ電圧レギュレータのフィードバックネットワークの分圧器を選択するように構成される、請求項２２に記載のスイッチトキャパシタ電圧レギュレータ。
【請求項２４】
前記コントローラが、前記出力電圧が前記下限を表す値を満たすかまたは下回るとき、前記クロックを有効にするように構成されている、請求項２３に記載のスイッチトキャパシタ電圧レギュレータ。
【請求項２５】
前記コントローラが、前記スイッチトキャパシタ電圧レギュレータの前記クロックを有効にした後の第１の間隔の後に前記出力電圧が前記第１の閾値を満たさないかまたは超えないときに前記フィードバックネットワークの第２の分圧器を選択するように構成され、前記第２の分圧器は、前記第１の電圧閾値よりも高い第２の電圧閾値を表す、請求項２４に記載のスイッチトキャパシタ電圧レギュレータ。
【請求項２６】
前記コントローラが、前のキャパシタ構成の決定後に開始されたタイマの満了に応答して、前記複数の利得構成のうちの第２の利得に関連づけられた第２のキャパシタ構成を繰り返し決定するように構成される、請求項１８に記載のスイッチトキャパシタ電圧レギュレータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書は、概して、限定ではなく、電圧レギュレータに関し、より具体的には、スイッチトキャパシタ電圧レギュレータの省電力技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
バックレギュレータは、バッテリやキャパシタなどの限られたエネルギー源に依存するアプリケーションで通常使用されているが、他のアプリケーションでもバックレギュレータを使用する。超低電力（ＵＬＰ）システムは、バックレギュレータが、例えばリニアレギュレータよりも効率的であるため、バックレギュレータを含むことが多い。いくつかのＵＬＰシステムは、アクティブモードよりもはるかに多くスタンバイモードになることができるので、スタンバイモードで数マイクロアンペアの負荷をサポートすることができる効率的な電力変換器を有することは、バッテリ寿命を大幅に延ばすことができる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
必ずしも一定の縮尺で描かれていない図面において、同様の数字は異なる図において同様の構成要素を説明することがある。異なる文字の接尾辞を有する類似の数字は、類似の構成要素の異なる事例を表し得る。図面は、概して、例として、しかし限定としてではなく、本明細書で論じられている様々な実施形態を示している。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】図１は、負荷に電力を供給する際のスイッチキャパシタレギュレータの効率を改善するための回路例を概略的に示す。
【図２】図２は、エネルギーを節約するためにスイッチトキャパシタ電圧レギュレータを動作させるための例示的な方法のフローチャートを概略的に示す。
【図３】図３は、エネルギーを節約するためにスイッチトキャパシタ電圧レギュレータを動作させる例示的な方法のフローチャートを概略的に示す。
【図４】図４Ａおよび４Ｂは、本主題の様々な態様による例示的なスイッチトキャパシタ電圧レギュレータの出力電圧および出力電流をそれぞれグラフ表示する。
【図５Ａ】図５Ａは、本主題の様々な態様によるスイッチトキャパシタ電圧レギュレータのスイッチトキャパシタネットワークの例示的な構成例を概略的に示す。
【図５Ｂ】５Ｂは、本主題の様々な態様によるスイッチトキャパシタ電圧レギュレータのスイッチトキャパシタネットワークの例示的な構成例を概略的に示す。
【図６】図６は、いくつかの実施形態による、図５Ａ〜５Ｂの変換器の等価回路を表す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
既存のＵＬＰレギュレータが、かなり大幅に変更される可能性がある。スイッチキャパシタレギュレータは、バッテリ駆動デバイスがアクティブ動作と比較してかなりの量のスタンバイ動作をするように設計されている最も一般的なアーキテクチャである。スイッチトキャパシタレギュレータの制御もさまざまである。より一般的な制御フレーバは、ヒステリシス制御または出力電圧制御を含み得る。スイッチキャパシタレギュレータのヒステリシス制御は通常、出力電圧が下限に達すると有効になり、出力電圧が上限に達すると無効になる。そのような制御は、出力電圧の上限および下限と関係していることを保証する。特定の設計では、ヒステリシス制御を有するレギュレータは、バッテリ電圧が変化するにつれて利得調整を可能にするためにバッテリモニタを含むことができる。利得選択が制限されると、可能なバッテリ電圧の範囲にわたって効率がかなり大幅に変更される可能性がある。また、ヒステリシス制御レギュレータは通常負荷電流をモニタしないため、軽負荷時に大きな電力損失が発生する。
【０００６】
出力電圧制御を採用するＵＬＰレギュレータは、出力電圧に基づいてレギュレータの利得を適応させることができる。このような制御により、バッテリ電圧と負荷電流を間接的に考慮した利得選択が可能になる。そのようなコントローラは通常、選択することからより多くの利得を提供し、広範囲の出力電圧またはバッテリ電圧にわたる効率の向上に役立つ。
【０００７】
本発明者らは、スイッチキャパシタバックレギュレータの効率を改善することを可能にする改善された制御方法を認識した。一般に、本発明者らは、スイッチキャパシタバックレギュレータを使用するときにバッテリによって提供される電力が、３つの要因を使用して最小化され得ることを認識した。
【０００８】
（１）所与のバッテリ電圧および負荷電流に対して複数の線形に分配された利得のうちの最小利得を選択し、所望の上限および下限電圧制限の間で一定の出力電圧を生じさせることができる。このような電圧制限は、レギュレータを含むデバイスの堅調で予測可能な動作を可能にする最大電圧と最小電圧のちょうど内側とすることができる。
（２）レギュレータの出力電圧を下限電圧近くに保ち、および、
（３）必要時にのみレギュレータを切替えるなどして、レギュレータ内の損失を低減する。
【０００９】
ヒステリシス制御スキームは第３の要因を満たすことができるが、第１および第２の要因を満たすことはできない。出力電圧ベースの制御は、第１の要因を満たすことができる。バージョンによっては、十分な利得を選択すると、出力電圧制御を使用するスイッチキャパシタレギュレータが第２の要因を満たすことができる場合がある。ただし、スイッチキャパシタ、出力電圧制御レギュレータにおいては、このような制御方式ではレギュレータが連続的に切り替わるため、第３の要因を満たしていない。
【００１０】
バッテリ供給のバックレギュレータは、数学的にモデル化することができ、
ＶＯＵＴ＝Ａ・ＶＢＡＴ        （式１）
ＩＢＡＴ＝Ａ・ＩＬＯＡＤ      （式２）
【００１１】
ここで、Ａは、レギュレータの利得であり、および＜１であり、ＶＯＵＴはレギュレータの出力電圧、ＶＢＡＴはレギュレータに供給されるバッテリ電圧、ＩＢＡＴはバッテリから供給される電流、ＩＬＯＡＤは、レギュレータ出力に接続されている負荷によって消費される電流である。
【００１２】
レギュレータのインピーダンス（Ｚ０）が含まれる場合、式１になる。
ＶＯＵＴ＝Ａ・ＶＢＡＴ−ＩＬＯＡＤ・Ｚ０      （式３）
【００１３】
バッテリから消費される電力（ＰＢＡＴ）は、次のように表すことができる。
ＰＢＡＴ＝ＶＢＡＴ・ＩＢＡＴ＝（ＶＯＵＴ＋ＩＬＯＡＤ・Ｚ０）・ＩＬＯＡＤ        （式４）
ＰＢＡＴ＝ＶＯＵＴ・ＩＬＯＡＤ＋（Ａ・ＶＢＡＴ−）・ＩＬＯＡＤ                （式５）
ＰＢＡＴ＝Ａ・ＶＢＡＴ・ＩＬＯＡＤ                                      （式６）
【００１４】
負荷電流（ＩＬＯＡＤ）は次のように表すことができる。
ＩＬＯＡＤ＝ＩＦＩＸＥＤ＋ｋ・ＶＯＵＴα                              （式７）
【００１５】
ここでのα＝１は、続流および漏電のための高次式である。その結果、レギュレータの出力電圧に依存する、バッテリから使用される電力の一部がある。より正確なモデルでは、バッテリから消費される総電力は、例えば、寄生容量スイッチング、または非重複クロック生成方式の連続動作によるレギュレータにおける損失（ＰＬＯＳＳ）も含むことができる。上記の式を編集すると、バッテリ電力（ＰＢＡＴ）は次のように表すことができる。
ＰＢＡＴ＝Ａ・ＶＢＡＴ・（ＩＦＩＸＥＤ＋ｋ・ＶＯＵＴα）＋ＰＬＯＳＳ      （式８）
【００１６】
本発明者らは、式８のｋ・ＶＯＵＴα項に関連付けられた切替え損失が、レギュレータにおいて増加する省電力改善を行うための基礎を形成し得ることを認識した。この新しい制御方式は、一様にまたは線形に散在した利得設定および最小利得に適応する能力から生じる実質的に一定の出力インピーダンス特性を利用するために修正した出力電圧に基づく制御を使用する。この修正により、レギュレータの最小利得が選択された後に、制御回路が利得選択上限電圧制限よりも低い上限電圧制限を確立することが可能になる。この修正により、レギュレータは、選択された利得で連続的に動作しているレギュレータに関連づけられたスケーリングされた電圧よりも平均して低い出力電圧を供給することができる。レギュレータを低電圧で動作させ、その結果として低電流で動作させると、バッテリからの電力消費が低減する。いくつかの例では、下限に近い出力電圧の範囲の制御は、既存の出力電圧ベースのコントローラの利得分解能を増加させる必要なしに達成することができる。たとえば、切替え損失の低減などによる追加の省電力は、ヒステリシス制御を使用して出力電圧を下限電圧制限に近づけることによって実現できる。
【００１７】
さらに、ヒステリシス制御により、より軽い負荷でより多くの損失を被ることなく、クロック周波数を上げることによってより高い負荷をサポートすることもできる。新しい「低い」上限電圧閾値または低電力閾値（Ｈ’）を下限閾値（Ｌ）に近づけることで、レギュレータのオンとオフの時間比を確実に低くして、損失をさらに低減することができる。例えば、レギュレータが下限閾値（Ｌ）まで放電した後にクロックがオンに切替えられると、システムの等価ＲＣネットワーク（Ｚ０Ｃｌｏａｄなど）の充電時間は出力電圧が上昇するにつれて指数関数的に増加する（したがって、スケーリングされた電圧と比較してＨ’を低く抑えることは役立つ）が、レギュレータが新しい下限上限閾値（Ｈ’）に達して「オフ」に切替えられると、電圧放電は負荷電流と負荷容量（Ｃｌｏａｄ）の関数であるため、時間と共に線形になる。したがって、上限電圧閾値（Ｈ）を低電力閾値（Ｈ’）に下げることによって、レギュレータの「オン」時間を大幅に低減することができる。
【００１８】
図１は、負荷１０２に電力を供給する際に従来のスイッチトキャパシタレギュレータよりも優れた効率を有するスイッチトキャパシタレギュレータ１００の一例を概略的に示す。一例では、回路１００は、スイッチトキャパシタネットワーク１０３またはアレイ、クロック回路１０４、およびコントローラ１０５を含むことができる。特定の例では、コントローラ１０５は、フィードバック回路またはネットワーク内の動的分圧器１０７、および電圧モニタ１０８を含み得る。クロック回路は、発振器１０６、比較器１０９、および非重複クロック発生器１１０を含むことができる。スイッチトキャパシタネットワーク１０３は、バッテリ電圧（Ｖｂａｔｔ）に連結することができ、複数の構成を有することができる。各構成は、コントローラ１０５が所定の電圧範囲内のスケーリングされた電圧（Ｖｏｕｔ）において、連続電流で負荷１０２に電力を供給するために特定の利得を選択することができるように利得に関連付けることができる。クロック１０４回路は、充電状態と放電状態との間でスイッチトキャパシタネットワーク１０３のキャパシタの切替えを計時して、スケーリングされた出力電圧および負荷電流を提供することができる。コントローラ１０５は、電圧モニタ１０８を介して、スイッチトキャパシタネットワーク１０３のバッテリ電圧（Ｖｂａｔｔ）および出力電圧（Ｖｏｕｔ）を受け取ることができ、クロック回路１０４が、スイッチトキャパシタネットワーク１０３のキャパシタを充電状態と放電状態との間で連続的に切替える間、スケーリングされた所望または所定の出力電圧範囲内の出力電圧（Ｖｏｕｔ）を提供するために特定の利得に関連付けられたキャパシタ構成を選択することができる。
【００１９】
特定の例では、コントローラ１０５は、動的分圧器１０７を使用してクロック１０４を無効にするか、そうでなければスイッチキャパシタネットワーク１０３のキャパシタ構成の切替えを中断して、出力電圧（Ｖｏｕｔ）がスケーリングされた出力電圧を下回ることを許容するが、必要な出力電圧範囲の下限は超えたままとする。特定の例では、比較器１０９は、動的分圧器１０７の出力と基準電圧（Ｖｒｅｆ）との比較に基づいて、キャパシタネットワーク１０３のクロッキングを有効および無効にすることができる。出力電圧（Ｖｏｕｔ）が所望のまたは所定の出力電圧範囲の下限閾値を下回らないように、レギュレータ１００の切替え損失を低減することができ、同時に負荷が適切に機能するのに必要な最小電力に近い電力を供給することができるようスイッチトキャパシタネットワーク１０３のキャパシタの切替えを中断する。
【００２０】
特定の例では、コントローラ１０５は、スイッチトキャパシタネットワーク１０３のキャパシタ構成の切替えを中断するためにクロック回路１０４を無効にすることができる。そのような例では、コントローラ１０５は、出力電圧が低電力閾値（Ｈ’）を満たすか超えるときにクロックを中断することができる。低電力閾値（Ｈ’）は、スケーリングされた出力電圧、または所望または所定の出力電圧範囲の上限電圧制限（Ｈ）よりも大幅に低くなることがある。デバイスが低電力モードまたはスリープモードにあるときに通常そうであるように、負荷電流が安定したままであれば、負荷１０２によって消費される電力は、一般に、スイッチトキャパシタネットワーク１０３が一定の切替えモードのままである場合よりも低い電圧および低い電流の流れで消費される。特定の例では、低電力閾値（Ｈ’）は、動的分圧器１０７を動的に再構成することなどによってフィードバック回路を修正することによって確立することができる。特定の例では、動的分圧器１０７は、比較器１０９において、実際の出力電圧（Ｖｏｕｔ）が低電圧閾値（Ｈ’）にあるとき、フィードバック電圧は所望のまたは所定の出力電圧範囲の上限（Ｈ）にあるように見えるよう低電力閾値（Ｈ’）に対して修正され得る。
【００２１】
出力電圧（Ｖｏｕｔ）が低電力閾値（Ｈ’）にあるときにクロック回路１０４が中断された後、出力電圧（Ｖｏｕｔ）レベルが所望のまたは所定の出力電圧範囲の下限（Ｌ）を満たすかまたは下回るとき、コントローラ１０５はクロック回路１０４を有効にすることができる。特定の例では、増加などで消費電流が変更された場合、レギュレータ１００の既存の利得は、出力電圧（Ｖｏｕｔ）が低電力閾値（Ｈ’）に上昇することを可能にしないか、または低電力閾値（Ｈ’）を達成するために長い時間を要してもよい。コントローラ１０５は、クロック回路１０４を有効にした後に、出力電圧（Ｖｏｕｔ）が低電力閾値（Ｈ’）に戻るべきであると予想される間隔をタイムアウトさせるためのタイマまたはカウンタを含むことができる。出力電圧（Ｖｏｕｔ）が低電力閾値（Ｈ’）に達すると、タイマまたはカウンタをリセットすることができる。タイマまたはカウンタがタイムアウト値に達すると、それは利得不一致の問題を示している可能性があり、レギュレータ１００の利得変更を開始する可能性がある。そのような状況では、コントローラ１０５は、レギュレータ１００が所望のまたは所定の出力電圧範囲内の電圧で適切な量の電力を確実に提供するように、動的分圧器１０７の利得または構成のうちの１つ以上を変更することができる。特定の例では、電圧が所望のまたは所定の出力電圧範囲の下限（Ｌ）より低い値で最小低電圧制限を通過するときに、利得不一致の問題が検出され得る。
【００２２】
図２は、スイッチトキャパシタ電圧レギュレータを動作させるための例示的な方法２００のフローチャートを概略的に示す。２０１において、利得またはキャパシタネットワーク構成は、スケーリングされた出力電圧を負荷に供給するように選択され得る。利得または構成は、レギュレータが、所定のキャパシタネットワーク構成を充電状態と放電状態との間で連続的に切替えながら、スケーリングされた出力電圧を所望の出力電圧範囲内で供給することができるときに決定することができる。特定の例では、スイッチキャパシタレギュレータのコントローラは、レギュレータの出力電圧が所望の出力電圧範囲内で安定するまで、異なる利得またはキャパシタネットワーク構成を繰り返し試すことができる。例えば、高すぎる利得をもたらす構成は、一般に、所望の出力電圧範囲の高電圧制限または閾値を超えるスケーリングされた出力電圧を提供しようと試みる。同様に、利得が低くなりすぎる構成は、一般に、所望の出力電圧範囲の低電圧制限または閾値を超えて出力電圧を維持することができない。２０３において、利得が決定されると、所望の出力電圧範囲の高電圧制限よりも低い電力効率の高い高電圧制限を確立することができる。スケーリングされた出力電圧が電力効率の高い高電圧制限を超えると、レギュレータのキャパシタネットワークの切替えを中断または無効にすることができる。レギュレータのキャパシタネットワークの切替えを無効にすると、負荷の消費電流によってシステムの蓄積されたエネルギーが放出され、出力電圧が所望の出力電圧範囲の低電圧制限に向かって低下する可能性がある。レギュレータの出力電圧が低電圧制限まで低下すると、レギュレータのキャパシタネットワークの切替えを有効にしてレギュレータの出力電圧を上げることができる。
【００２３】
図３は、エネルギーを節約するためにスイッチトキャパシタレギュレータを動作させる方法例３００のフローチャートを概略的に示す。３０１において、スイッチキャパシタ電圧レギュレータのスケールファクタまたは利得を決定することができる。特定の例では、スケールファクタは、第１の高電圧制限、低電圧制限、およびクロックに基づいて決定することができる。第１の高電圧制限および低電圧制限は、負荷を動作させるための所望の出力電圧範囲を規定することができる。３０３において、スイッチトキャパシタ電圧レギュレータは、負荷に出力電圧を供給するように記録され得る。出力電圧は、所望の出力電圧範囲内にあり得る。３０５において、第２の高電圧制限を確立することができる。第２の高電圧制限は、第１の高電圧制限よりも低くすることができる。３０７において、レギュレータの出力電圧が第２の高電圧制限以上であるとき、スイッチキャパシタ電圧レギュレータのキャパシタネットワークの切替えは、キャパシタネットワークを駆動するクロックまたはクロック回路を無効にすることなどによって無効にされ得る。レギュレータのキャパシタネットワークの切替えを無効にすると、負荷の消費電流によってシステムの蓄積されたエネルギーが放出され、出力電圧が所望の出力電圧範囲の低電圧制限に向かって低下する可能性がある。３０９において、電圧が低電圧制限まで低下すると、キャパシタネットワークの切替えを有効にすることができる。スイッチトキャパシタ電圧レギュレータの従来の連続切替え動作と比較して、第２の高電圧制限の確立およびキャパシタネットワークの切替えの中断は、レギュレータが連続的に切替えられないので、第２の高電圧制限を介した負荷のより低い電圧および電流動作、および低減された切替え損失によって電力を節約することができる。
【００２４】
図４Ａおよび４Ｂは、本主題の様々な態様による例示的なスイッチトキャパシタ電圧レギュレータのそれぞれ出力電圧および出力電流をグラフで示す。間隔４０１において、スイッチトキャパシタ電圧レギュレータのコントローラまたは制御ロジックは、第１の高電圧制限（Ｈ）および低電圧制限（Ｌ）によって規定される所望の出力電圧範囲内にあるスケーリングされた出力電圧を負荷に供給するために、異なるキャパシタネットワーク構成、または利得、またはスケールファクタの繰り返し適用が可能である。利得が決定されると、スイッチキャパシタ電圧レギュレータは、所与のキャパシタネットワーク構成を充電状態と放電状態との間で連続的に切替えながら、スケーリングされた出力電圧で負荷に電力を供給することができる。安定した動作の所定の期間４０２の後、例えば、レギュレータのフィードバック経路内の動的分圧器を介して、第２の高電圧制限（Ｈ’）を確立することができる。第２の高電圧制限は、第１の高電圧制限（Ｈ）よりもかなり低いが、依然として低電圧制限（Ｌ）を超えている可能性がある。４０３において、出力電圧が第２の高電圧制限以上になると、スイッチトキャパシタ電圧レギュレータのキャパシタネットワークの切替えが中断または無効にすることができる。レギュレータの切替えを無効にすると、電圧源からレギュレータの出力に電荷が転送されないため、負荷の消費電流によってレギュレータの出力電圧が消費低下する可能性がある。レギュレータの出力が低電圧制限以下になると、レギュレータの切替えを有効にし、サイクルを繰り返して低減電圧、低減電流、低減切替えで負荷を動作させることができる。
【００２５】
例えば、４０４で負荷の消費電流が変化すると、そのような増加は、負荷の消費電流が低いときと同じ速度でスイッチトキャパシタレギュレータが出力電圧を上昇させるのを遅らせるかまたは妨げる可能性がある。レギュレータの制御ロジックは、レギュレータの切替えを有効にしてから出力電圧が第２の高電圧制限に達するまでの間に増加する遅延をモニタできる。遅延が所定の閾値よりも長い場合、レギュレータの制御ロジックは、負荷の増加した消費電流をサポートするために利得を確立しようと試みることができ、４０５などでプロセスを繰り返すことができる。
【００２６】
図５Ａ〜５Ｂは、いくつかの実施形態による、第１の状態、充電段階（図５Ａ）、および第２の状態、放電段階（図５Ｂ）の間にバッテリ電圧と負荷との間に連結されたスイッチトキャパシタ電圧変換器のスイッチトキャパシタの一般的な構成例を示す。図５Ａは、バッテリ電圧ＶＨによって充電される充電構成におけるスイッチトキャパシタｎＣおよびｍＣを示す。図５Ｂは、放電構成におけるスイッチトキャパシタｎＣおよびｍＣを示し、それらの放電が蓄積キャパシタＣＬを充電する。変換器は、第１のセットと第２のセットに割り当てられる複数のキャパシタを含む。いくつかの実施形態によれば、第１のセットは「ｎ個のセット」であり得、第２のセットは「ｍ個のセット」であり得る。
【００２７】
より具体的には、いくつかの実施形態によれば、変換器はｎ＋ｍ個のスイッチトキャパシタを含む。以下でより十分に説明されるように、ｎ個のスイッチトキャパシタを含むｎ個のセットは「ｎロール」で動作し、ｍ個のスイッチトキャパシタを含むｍ個のセットは「ｍロール」で動作する。ｎ個のセット内のスイッチトキャパシタの数およびｍ個のセット内のスイッチトキャパシタの数は変換器全体の利得を変えるために変えられる。図５Ａを参照すると、ｍ＋ｎ個のスイッチトキャパシタが充電構成で連結されている充電段階中に、ｎ個のセット内にあるように選択されたスイッチトキャパシタとｍ個のセットにあるように選択されたスイッチトキャパシタの両方がバッテリ電圧、ＶＢａｔおよび接地間で直列に連結される。すなわち、ｎ個のセット内のスイッチトキャパシタとｍ個のセット内のスイッチトキャパシタの両方がバッテリ電圧、ＶＢａｔおよび接地間で直列に連結される。充電段階の間、負荷と並列に接続されている蓄積キャパシタＣＲｅｓを使用して、低電力電圧レベルおよび負荷電流ＩＬが負荷に印加される。図５Ｂを参照すると、充電段階では、ｎ＋ｍ個のスイッチトキャパシタはＣＲｅｓから切り離され、ｍ＋ｎ個のスイッチトキャパシタが放電構成で連結されている放電段階中に、ｎ個のセットになるように選択されたｎ個のスイッチトキャパシタは、互いに並列にかつＣＲｅｓと直列に連結され、そして、ｍ個のセットになるように選択されたｍ個のスイッチトキャパシタは、互いに並列にかつＣＲｅｓと連結される。放電段階中に、ｎ個のセット内のｎ個のスイッチトキャパシタおよびｍ個のセット内のｍ個のスイッチトキャパシタ上の電圧の放電は、ＣＲｅｓ上の電圧を再充電する。
【００２８】
本明細書で使用される場合、ｎロールは、放電段階中に互いに並列にかつＣＲｅｓと直列にｎ個のスイッチトキャパシタを構成することを指す。ｎ個のセット内の各スイッチトキャパシタは、充電段階中にｎ個のセット内でＣＲｅｓと直列に作用する他の各スイッチトキャパシタと並列に連結されるように１つ以上のスイッチを介して構成される。本明細書で使用される場合、ｍロールは、放電段階中に互いに並列にかつＣＲｅｓと連結されるｍ個のスイッチトキャパシタの構成を指す。ｍ個のセット内の各スイッチトキャパシタは、放電段階中にｍ個のセット内の他のスイッチトキャパシタとＣＲｅｓとに並列に連結されるように１つ以上のスイッチを介して構成される。いくつかの実施形態によれば、ｍ個のセットのスイッチトキャパシタは、放電段階中に、充電段階中のそれらの連結に対してそれらの極性が逆になるように連結される。
【００２９】
図６は、いくつかの実施形態による、図５Ａ〜５Ｂの変換器の等価回路を表す説明図である。バッテリ側は、バッテリ電圧ＶＨとバッテリ電流
【００３０】
【数１】
2019195259.tif 000003
【００３１】
とを含む。負荷側には、電圧、
【００３２】
【数２】
2019195259.tif 000004
【００３３】
、インピーダンス（Ｚ０）、蓄積キャパシタ（ＣＬ）、および負荷電流（ＩＬ）源が含まれる。リザーバキャパシタンスＣＬと並列に連結されたインピーダンスＺ０）は、スイッチトキャパシタによるインピーダンスを表す。
【００３４】
ｎ個のセット内のスイッチトキャパシタの数およびｍ個のセット内のスイッチトキャパシタの数は、変換器全体の所望の利得によって選択的に変更される。しかしながら、いくつかの実施形態によれば、同じ合計数のスイッチトキャパシタｍ＋ｎは複数の異なる利得のそれぞれに対して使用される。さらに、いくつかの実施形態によれば、ｍロールになるよう選択されたｍ個のスイッチキャパシタの極性のうちの少なくともいくつかは、放電段階中に並列に連結されるときに反転される。
【００３５】
利得（Ａ）は次のように表される。
【００３６】
【数３】
2019195259.tif 000005
【００３７】
利得は、ｎ個のセット内のスイッチトキャパシタの数と共に実質的に線形に変化することに留意されたい。
【００３８】
変換器の出力インピーダンスは次のように表される。
【００３９】
【数４】
2019195259.tif 000006
【００４０】
値（ｆ）は、キャパシタ切替えの切替え周波数を表し、値（Ｃ）は個々のスイッチトキャパシタの値である。出力インピーダンスは利得設定とは無関係であることに留意されたい。したがって、変換器の電圧降下が利得と共に実質的に変化しないという確信を持って利得を変えることが可能であり、それは出力電圧Ｖｏｕｔの調整を容易にする。
【００４１】
上述したようにｎ個のスイッチトキャパシタとｍ個のスイッチトキャパシタとをｎロールとｍロールとに構成することの利点は、ｎ個のキャパシタとｍ個のキャパシタの数が合計されて出力インピーダンスＺ０に達するので、キャパシタを実装するために使用される実質的に全ての集積回路（ＩＣ）領域が出力インピーダンスの改善に寄与することである。いくつかの実施形態によれば、所与のチップ領域がスイッチトキャパシタブロックとして機能することが約束されると、多くの異なる利得を生成するように多くのキャパシタデバイスに分割することが有利であり得る。一般に、異なる利得の数が多いほど、入力電圧供給範囲にわたって達成可能な効率が高くなる。しかしながら、より多くのスイッチトキャパシタを追加することはそれらを制御するためにより多くのスイッチを必要とするという事実のために、利得の数に対する制限が生じる。
【００４２】
スイッチキャパシタの充電に使用されるバッテリ電流は次のように表される。
【００４３】
【数５】
2019195259.tif 000007
【００４４】
値ＩＬは、変換器によって駆動される負荷を流れる電流を表す。Ｉｂａｔは利得係数（Ａ）だけＩＬよりも低いことに留意されたい。バッテリ電流は負荷電流にのみ依存するため、キャパシタ間で電荷の共有は行われない。
【００４５】
負荷を駆動するために変換器によって生成される出力電圧（Ｖｏｕｔ）は、次のように表され、
【００４６】
【数６】
2019195259.tif 000008
【００４７】
変換器の効率（ε）は次のように表される。
【００４８】
【数７】
2019195259.tif 000009
【００４９】
種々の留意点および事例
上記の詳細な説明は、詳細な説明の一部を形成する添付の図面への参照を含む。図面は、例示として、本発明を実施することができる具体的な実施形態について示している。これらの実施形態は、本明細書では「実施例」としても参照される。かかる実施例は、本明細書中に示され記載された要素に対する追加的な要素をも含み得る。しかしながら、本発明の発明者は本明細書中に示され記載されている要素のみに関して実施例を検討することもできる。さらに、本発明者はまた、本明細書において示され、または記載される、特定の例（または、その１つ以上の態様）に関して、または、複数の他の例（または、それらの１つ以上の態様）に関して、示され、または記載される要素の任意の組み合わせまたは置換（または、その１つ以上の態様）を用いる複数の例を意図する。
【００５０】
本明細書と参照により本文に組み込まれるあらゆる文献との間で矛盾した用法がある場合には、本明細書における用法が有効となる。
【００５１】
本明細書において、特許明細書においては共通なように、「１つの（「ａ」または「ａｎ」）」という用語が用いられ、「少なくとも１つ」または「１つ以上」のあらゆる他の例または使用とは独立した、１または１より多い、を含む。別段の指示がない限り、本明細書において、「または」という用語は、非排他的であることを指すべく、または、「ＡまたはＢ」が、「ＡであるがＢではない」、「ＢであるがＡではない」、および、「ＡおよびＢ」を含むように用いられる。本明細書において、「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」および「ここで（ｉｎ  ｗｈｉｃｈ）」という用語は、「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」および「ここで（ｗｈｅｒｅｉｎ）」の各用語の平素な英語による等価物として用いられる。また、用語「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」および「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」は無制限であり、つまり、かかる用語の後に列挙されるものに加えて、要素を含むシステム、デバイス、物品、組成物、配合物、またはプロセスは、依然として、論じられた主題の範囲内であると見なされる。その上、例えば、特許請求項に記載され得る、用語「ｆｉｒｓｔ（第１の）」、「ｓｅｃｏｎｄ（第２の）」、および「ｔｈｉｒｄ（第３の）」などは、単にラベルとして使用され、それらの対象に数値的必須条件を課すことを意図しない。
【００５２】
本明細書に記載する方法の例は、少なくとも部分的に機械またはコンピュータに実装することが可能である。いくつかの例は、上の例に記載したように、方法または方法のステップを実施するために電子機器を構成するように動作可能な命令でコード化されたコンピュータ可読媒体または機械可読媒体を含み得る。かかる方法または方法のステップの実装は、例えば、マイクロコード、アセンブリ言語コード、高水準言語コードなどのコードを含み得る。かかるコードは、様々な方法を実施するためのコンピュータ可読命令を含み得る。コードは、コンピュータプログラム製品の一部を形成し得る。さらに、一例において、コードは、実行中または他の時間などに、１つ以上の揮発性、固定、または不揮発性有形コンピュータ可読媒体上に有形に記憶され得る。これらの有形コンピュータ可読媒体の例は、ハードディスク、取り外し可能磁気ディスク、取り外し可能光ディスク（例えば、コンパクトディスクおよびデジタルビデオディスク）、磁気カセット、メモリカードもしくはスティック、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）などを含み得るが、これらに限定されない。
【００５３】
以上の記載は、例示を意図したものであり、限定を意図していない。例えば、上記の実施例（もしくはその１以上の態様）を互いに組み合わせて使用され得る。その他の実施形態も、例えば上記の説明を読んだ際、当業者によって使用され得る。要約は、読者が技術的開示の性質を迅速に確かめることができるように、米国特許法施行規則１．７２（ｂ）に準拠するように提供される。それが特許請求項の範囲または意味を、解釈または限定するために使用されないという理解の下で提出される。また、上記の発明を実施するための形態において、様々な特徴は共にグループ化されて、開示を簡素化し得る。これは、未請求の開示された特徴がいずれの特許請求項においても不可欠であるということを意図すると解釈されるべきではない。むしろ、発明の主題は、特定の開示された実施形態の全ての特徴よりも少ないところにあってよい。以下の態様はこれにより、各態様が別個の実施形態としてそれ自体で成立しつつ、例または実施形態として詳細な説明に組み込まれ、そのような実施形態は様々な組み合わせまたは置換で互いに組み合わされ得る。
【符号の説明】
【００５４】
１００  レギュレータ
１０２  負荷
１０３  キャパシタネットワーク
１０４  クロック回路
１０５  コントローラ
１０６  発振器
１０７  動的分圧器
１０８  電圧モニタ
１０９  比較器
１１０  非重複クロック発生器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【外国語明細書】
2019195259000001.pdf