(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
回路であって、
３レベル降圧コンバータを備え、前記３レベル降圧コンバータは、
入力電圧と接地との間に接続された複数の入力スイッチと、
前記複数の入力スイッチに接続された第１のキャパシタと、前記第１のキャパシタは、前記複数の入力スイッチの開閉に従って充電及び放電される、
前記第１のキャパシタ及び前記複数の入力スイッチから電圧を受けるように前記複数の入力スイッチに接続されたインダクタと、
前記３レベル降圧コンバータの出力ノードに接続された第２のキャパシタと、
前記インダクタの入力ノードでのリップルを減少するために前記インダクタの入力ノードに接続されるスイッチキャパシタと、ここにおいて、前記スイッチキャパシタは、前記第１のキャパシタ又は前記第２のキャパシタのどちらよりも小さい、
を有する、
を備える回路。
【請求項２】
前記第１のキャパシタは、前記第２のキャパシタと実質的に同じキャパシタンスを有する、請求項１に記載の回路。
【請求項３】
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタは各々、ファラッドで測定されるとき、前記スイッチキャパシタよりも少なくとも一桁大きい、請求項１に記載の回路。
【請求項４】
前記スイッチキャパシタは、前記インダクタの前記入力ノードと接地との間に配設される、請求項１に記載の回路。
【請求項５】
前記スイッチキャパシタと通信状態にあるトランジスタを更に備え、前記トランジスタは、前記インダクタの前記入力ノードと接地との間の導通経路を開閉するように構成される、請求項１に記載の回路。
【請求項６】
前記３レベル降圧コンバータは、システムオンチップの一部であり、処理コアに電力供給するように構成される、請求項１に記載の回路。
【請求項７】
複数の入力スイッチは、ＶＤＤ及び接地に接続され、更に、前記複数の入力スイッチからの前記電圧は、ゼロとＶＤＤ／２との間又はＶＤＤ／２とＶＤＤとの間のどちらかで変動する、請求項１に記載の回路。
【請求項８】
前記スイッチキャパシタと通信状態にあるスイッチと、前記スイッチは、前記インダクタの前記入力ノードと接地との間の導通経路を開閉するように構成される、
前記複数の入力スイッチに制御信号を供給するように構成され、前記スイッチキャパシタと通信状態にある前記スイッチを制御するように構成されたパルス幅変調コントローラと
を更に備える、請求項１に記載の回路。
【請求項９】
前記３レベル降圧コンバータの出力電圧を受けるように及び前記出力電圧を受けることに応答して前記入力スイッチへの制御信号のデューティサイクルを変動するように構成されたパルス幅変調コントローラを更に備える、請求項１に記載の回路。
【請求項１０】
方法であって、
３レベル降圧コンバータの入力スイッチにおいて複数のパルス幅変調制御信号を受けることと、前記入力スイッチは、入力電圧と接地との間に接続されると共に第１のキャパシタと接続され、前記複数のパルス幅変調制御信号に応答して、前記第１のキャパシタを充電及び放電するように構成される、
前記３レベル降圧コンバータのインダクタの入力ノードにおいて電圧を生じさせることと、前記インダクタの前記入力ノードは前記入力スイッチに接続され、前記インダクタの前記入力ノードにおける前記電圧は、前記パルス幅変調制御信号によって制御され、前記３レベル降圧コンバータは、前記インダクタの出力ノードに接続される第２のキャパシタを更に含む、
前記インダクタの前記入力ノードにおける前記電圧に応答して、前記３レベル降圧コンバータの出力ノードにおいて出力電圧を生じさせることと、
前記インダクタの前記入力ノードでのリップルを減少するために前記インダクタの前記入力ノードに接続されるスイッチキャパシタを充電及び放電することと
を備える方法。
【請求項１１】
負荷に応答して、前記スイッチキャパシタにおけるスイッチを開けること
を更に備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
負荷に応答して前記スイッチキャパシタのおけるスイッチを閉じること
を更に備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタは、実質的に同様の値を有する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタは、前記スイッチキャパシタよりも少なくとも一桁大きい、請求項１０に記載の方法。
【請求項１５】
前記スイッチキャパシタを放電することは、前記インダクタの前記入力ノードでの前記電圧におけるリップルにあるよりも少ないエネルギを放電することを備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１６】
前記スイッチキャパシタを前記充電及び放電することは、前記インダクタの前記入力ノードでの前記電圧におけるリップルを低減することを備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項１７】
前記３レベル降圧コンバータは、４つの入力スイッチを含み、前記入力スイッチのうちの第１の組の２つは、前記パルス幅変調制御信号のうちの第１のパルス幅変調制御信号を受け、前記入力スイッチのうちの第２の組の２つは、前記パルス幅変調制御信号のうちの第２のパルス幅変調制御信号を受け、前記第１のパルス幅変調制御信号及び前記第２のパルス幅変調制御信号は、１８０度位相シフトされている、請求項１０に記載の方法。
【請求項１８】
回路であって、
３レベル降圧コンバータ
を備え、前記３レベル降圧コンバータは、
第１及び第２のパルス幅変調信号によって制御されるように構成される一組の入力トランジスタと、
前記一組の入力トランジスタに接続される第１のキャパシタと、ここにおいて前記一組の入力トランジスタは前記一組の入力トランジスタと通信状態にある前記第１のキャパシタを充電及び放電するように構成される、
前記一組の入力トランジスタと接続され、前記第１のキャパシタの前記充電及び放電によって生じた電圧を受けるように構成されたインダクタと、
前記３レベル降圧コンバータの出力ノードに接続され、前記インダクタと通信状態にある第２のキャパシタと、
前記インダクタの入力ノードでのリップルを減少するために前記インダクタの入力ノードに配設された第３のキャパシタと、前記第３のキャパシタは、前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタの両方よりも少なくとも一桁小さい、
を有する、回路。
【請求項１９】
前記３レベル降圧コンバータと通信状態にあり、基準信号と、前記３レベル降圧コンバータの前記出力ノードからのフィードバック信号とに応答して、前記第１及び第２のパルス幅変調信号を供給するように構成されたパルス幅変調コントローラ
を更に備える、請求項１８に記載の回路。
【請求項２０】
接地への導通経路を開閉するように構成されたトランジスタを更に備え、前記導通経路は、前記第３のキャパシタを備える、
請求項１８に記載の回路。
【請求項２１】
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタは、ファラッドで測定されるとき、実質的に同じ値を有する、請求項１８に記載の回路。
【請求項２２】
前記一組の入力トランジスタは、ＶＤＤと接地との間に配設された４つのトランジスタを備える、請求項１８に記載の回路。
【請求項２３】
前記一組の入力トランジスタは、ＶＤＤと接地との間に配設された４つのトランジスタを備え、更に、前記第１のキャパシタは、前記トランジスタのうちの第１のトランジスタがオンであるときに接地に接続され、前記トランジスタのうちの第２のトランジスタがオンであるときにＶＤＤに接続される、請求項１８に記載の回路。
【請求項２４】
前記一組の入力トランジスタは、ＶＤＤと接地との間に配設された２つのｐ型トランジスタ及び２つのｎ型トランジスタを備える、請求項１８に記載の回路。
【請求項２５】
前記一組の入力トランジスタは、ＶＤＤと接地との間に配設された２つのｐ型トランジスタ及び２つのｎ型トランジスタを備え、更に、前記第１のキャパシタは、第１のｎ型トランジスタと第２のｎ型トランジスタとの間のノードに接続され、第１のｐ型トランジスタと第２のｐ型トランジスタとの間の別のノードに接続される、請求項１８に記載の回路。
【請求項２６】
前記３レベル降圧コンバータの出力電圧を受ける処理コア
を更に備える、請求項１８に記載の回路。
【請求項２７】
前記３レベル降圧コンバータの出力電圧を所望のレベルで維持するために前記第１及び第２のパルス幅変調信号を供給するように構成されたパルス幅変調コントローラを含むフィードバックループ
を更に備える、請求項１８に記載の回路。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の相互参照】
【０００１】
[0001]本願は、２０１４年１０月２３日に出願された「Circuits and Methods Providing Three-Level Signals At a Synchronous Buck Converter」と題する米国特許仮出願第６２／０６７，８８３号の利益を主張し、それの開示は、参照により全体が本明細書に組み込まれる。
【技術分野】
【０００２】
[0002]本願は、電圧コンバータに関し、より具体的には、３レベル降圧コンバータ（three-level buck converter）に関する。
【背景技術】
【０００３】
[0003]今日では、多種多様な電圧コンバータが利用可能であり、１つのタイプは、降圧コンバータである。一般に、降圧コンバータは、入力電圧を受け、増大された（stepped-up）出力電流と共に、降圧された（stepped-down）出力電圧を供給する。換言すると、降圧コンバータは典型的に、直流（ＤＣ）電圧を低下させることが望まれるアプリケーションにおいて使用され得る。例となるアプリケーションは、処理コアを含み、ここでは、降圧コンバータは、降圧コンバータの出力電圧が処理コアの適切な入力電圧に対応するように、電圧レールからのＤＣ電圧を降圧するために使用される。
【０００４】
[0004]例となる従来の降圧コンバータは、降圧コンバータの入力において複数のスイッチを含む。スイッチは、パルス幅変調入力信号によってオン及びオフにされ、ここでは、パルスのデューティサイクルが、降圧コンバータの出力電圧を決定する。スイッチがオン及びオフになると、それらは、（ＶＤＤと呼ばれることがある）ＤＣ入力電圧を変調し、その変調された電圧をインダクタに供給する。インダクタは、キャパシタと連通しており、インダクタの入力における電圧の時変性質は、インダクタに、時変電流を生成させる。時変電圧及び電流とのインダクタ及びキャパシタの相互作用は、ＶＤＤよりも低いＤＣレベルである、実質的に一定の出力電圧を生じさせる。
【０００５】
[0005]一種の降圧コンバータは、３レベル降圧コンバータである。従来の３レベル降圧コンバータは、それらのスイッチング周波数の事実上の（effective）倍増を享受する。一例では、従来の３レベル降圧コンバータは、各々が２つのパルス幅変調入力信号のうちの１つを受ける４つの入力スイッチを有する。２つのパルス幅変調入力信号のタイミング及びスイッチの配列は、パルス幅変調入力信号の２倍の周波数である、インダクタにおける入力電圧をもたらす。この従来の例では、インダクタにおける入力電圧は、パルス幅変調信号のデューティサイクルに依存して、ゼロとＶＤＤ／２との間で又はＶＤＤ／２とＶＤＤとの間で変動し得る。
【０００６】
[0006]３レベル降圧コンバータは、スイッチング周波数の事実上の倍増が、より小型のインダクタの使用を可能にし得るため、幾つかのアプリケーションにおいて有利であり得る。しかしながら、従来の３レベル降圧コンバータは、スイッチとインダクタとの間のノードにおいてリップルを経験することがあり得る。リップルは、それが降圧コンバータの出力電圧の望ましくない変動に帰着し得るため、幾つかのアプリケーションにおいて望ましくないだろう。故に、リップル電流を低減する、改善された３レベル降圧コンバータが必要である。
【発明の概要】
【０００７】
[0007]降圧された電圧を供給するための回路及び方法が提供される。一例では、３レベル降圧コンバータのための回路及び方法は、事実上倍増されたスイッチングレートと、少量のリップルとを有する。１つの例となる回路実施形態は、スイッチとインダクタとの間のノードにおける降圧コンバータ内に小型のスイッチキャパシタを含む。追加のキャパシタは、特に負荷が大きい状況において、リップルを低減するのに役立つ。
【０００８】
[0008]例となる方法実施形態は、インダクタの入力ノードにおいてスイッチキャパシタを有する降圧コンバータを用いて、ＶＤＤを、降圧された電圧に変換することを含む。３レベル降圧コンバータを有する実施形態では、キャパシタの入力ノードにおける電圧は、スイッチを制御するパルス幅変調信号の２倍の周波数である。追加の小型のキャパシタは、それが２Ｘ周波数信号と相互作用するように、インダクタの入力ノードと接地との間に配置され、電圧が変動するに伴ってエネルギの格納及びエネルギの放電を行う。リップルが存在するとき、電圧は、僅かに低く下がり得、キャパシタは、リップルを低減又は除去するのに十分なエネルギを放電し得る。同様に、リップルはまた、電圧を僅かに高く上昇させ得、キャパシタは、そのようなシナリオにおいて、リップルを低減又は除去するのに十分なエネルギを格納し得る。
【０００９】
[0009]負荷は、経時的に変化し得、負荷が比較的軽いときには、スイッチは、回路からキャパシタを切断するために開けられ得る。同様に、負荷が比較的重いときには、スイッチは、キャパシタを回路に結合するために閉じられ得る。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】[0010]図１は、本開示の実施形態に係る、電圧コンバータを有する例となるフィードバックループを例示し、ここでは、フィードバックループは、比較的一定のレベルで出力電圧を維持する。
【図２】[0011]図２は、本開示の実施形態に係る、例となる３レベル降圧コンバータを例示する。
【図３】[0012]図３は、本開示の実施形態に係る、図２の３レベル降圧コンバータに関連付けられた信号の例となるタイミング図を例示する。
【図４】[0013]図４は、本開示の実施形態に係る、図２の３レベル降圧コンバータの動作中の例となる分圧器シナリオを例示する。
【図５】[0014]図５は、本開示の実施形態に係る、出力電圧を達成するための図１−４のシステムについての例となる使用方法のフローチャートを例示する。
【発明の詳細な説明】
【００１１】
例となる回路実施形態
[0015]図１は、一定又は略一定のＶoutputを供給するための例となるフィードバックループを例示するアーキテクチャの図である。パルス幅変調（ＰＷＭ）コントローラ１０２は、基準電圧（Ｖref）と、Ｖoutputの値を供給するフィードバック信号１２０とを受け、ＶrefとＶoutputとの間の差分に応答してＰＷＭ信号を出力する。ＰＷＭコントローラ１０２は、ＰＷＭ信号のデューティサイクルを調整することでＰＷＭ信号を変調する。一般に、ＰＷＭ信号のより大きいデューティサイクルは、同期降圧コンバータ１１０の出力における電圧を上昇させ、ＰＷＭ信号のより小さいデューティサイクルは、同期降圧コンバータ１１０の出力における電圧を低下させる。このように、ＰＷＭコントローラ１０２は、Ｖoutputを略一定に保つように、ＰＷＭ信号のデューティサイクルを連続的に調整する。この例となる実施形態では、ＰＷＭ信号は、図３においてより詳細に示されるように、実際は２つのＰＷＭ信号である。
【００１２】
[0016]降圧コンバータ１１０は、幾つかの実施形態では、半導体ダイ上の電力レールからの電力信号であるＶinputを受ける。他の実施形態では、Ｖinputは、バッテリ又は他の電圧源からの電力を含み得る。降圧コンバータ１１０内のスイッチは、ＰＷＭコントローラ１０２からの制御信号に従って開閉する。降圧コンバータ１１０は、Ｖoutputにおいて定常の出力電圧を供給する。同期降圧コンバータ１１０は、３レベル信号をインダクタに供給する、現在知られている、又は後に開発される任意の同期降圧コンバータを含み得る。例となる３レベル信号は、例えば、ＰＷＭタイミングとデューティサイクルとに依存して、ゼロとＶＤＤ／２との間で又はＶＤＤ／２とＶＤＤとの間で変動する信号を含み得る。
【００１３】
[0017]図２は、図１の実施形態において降圧コンバータ１１０として使用されることができる例となる同期降圧コンバータの例示である。図２では、ＶinputはＶＤＤと示され、ＶoutputはＶoutと示され、抵抗負荷Ｒloadは、Ｖoutと接地との間に示される。システムオンチップ（ＳＯＣ）実施形態では、Ｒloadは、例えば、処理コア、モデム、等を含み得る。しかしながら、実施形態の範囲は、ＳＯＣに限られない。
【００１４】
[0018]図２は、降圧コンバータ１１０のための入力スイッチである４つのスイッチ１１２、１１３、１１４、１１５を例示する。フライングキャパシタ（Ｃfly）は、スイッチ１１２と１１３との間、そしてスイッチ１１４と１１５との間に結合される。この例では、フライングキャパシタＣflyは、２０ｎＦという値を有し、負荷キャパシタ（Ｃload）もまた、２０ｎＦという値を有する。換言すると、フライングキャパシタＣflyと負荷キャパシタＣloadとは同じ値を有する。１ｎＦでは、スイッチキャパシタ（ＣＸ）は、Ｃfly及びＣloadの両方よりも大幅に小さい。当然ながら、図２で提供される値は、他の実施形態が他の値を使用して同じ結果又は同様の結果を達成し得るため、例示的なものにすぎない。幾つかの実施形態では、キャパシタＣfly及びＣloadは、ファラッドで測定される場合、キャパシタＣＸよりも少なくとも一桁大きい。本明細書で説明される原理は、キャパシタ、インダクタ、抵抗器、スイッチ、等に対して任意の適切な値を使用して、３レベル降圧コンバータの様々な異なる構成に適用されることができる。
【００１５】
[0019]幾つかの実施形態では、フライングキャパシタＣflyは、寄生損失を接地損失に低減するために、金属−絶縁体−金属（ＭＩＭ）キャパシタとして製造され得る。しかしながら、キャパシタＣflyは、様々な実施形態では、任意の適切な製造プロセスに従って構成（make）され得る。
【００１６】
[0020]入力スイッチ１１２−１１５は、インダクタＬの入力ノードにおいて電圧（ＶＸ）を供給し、電圧ＶＸは３レベル電圧信号である。以下でより詳細に説明されるように、入力スイッチ１１２−１１５に印加されるクロック信号は、ＶＸの電圧変化の半分の周波数を有する。換言すると、３レベル降圧コンバータの使用は、降圧コンバータのインダクタにおいて電圧の周波数の倍増をもたらす。インダクタＬの電圧におけるより高い周波数の利点は、インダクタＬの値が低減されることができることである。例えば、ＶＸの周波数の倍増は、インダクタＬのサイズが４分の１に縮小されることを可能にする。一般に、インダクタの値の低減は、物理的により小型のインダクタを可能にし、これは、幾つかのケースにおいて、より低いコストと製造し易さとにつながり得る。
【００１７】
[0021]スイッチキャパシタＣＸは、インダクタＬの入力ノードにおけるリップルを低減するために、そのノードと接地との間に配置される。動作中、キャパシタＣＸは、ＶＸの値が変化するのに応じて充電及び放電し、その充電及び放電は、インダクタＬの入力ノードにおけるリップルを中和するという効果がある。インダクタＬと接地との間のその例示された位置にキャパシタＣＸを配置することは、キャパシタＣＸが、その動作中の幾つかの時点中に接地に少ない電流を導通することで、回路に何らかの損失を引き起こすと予想されるであろうことから、直観で分かるものではない。しかしながら、キャパシタＣＸは、導通される任意の電流が非常に小さくなるように、フライングキャパシタ及び負荷キャパシタ（Ｃfly及びＣload）の両方と比べて、適切に、非常に小さくサイズ付けされる。また、キャパシタＣＸによって格納されるエネルギの量は、ＶＸにおけるリップルのエネルギと同じであり得るか、又はそれよりも少なく、それにより、キャパシタＣＸにおけるエネルギは、相当な電流を接地に導通するのではなく、リップルを中和するために典型的に使用され得る。
【００１８】
[0022]一般に、リップルは、比較的重い負荷の場合には経験されるが、比較的軽い負荷の場合には現れないことが多い現象である。幾つかの実施形態では、キャパシタＣＸは、負荷が比較的重いとき、スイッチＳＣＸを閉じることで回路へと切り替えられる。これらの実施形態では、スイッチＳＣＸは、負荷が比較的軽いとき開けられ得、これにより、キャパシタＣＸを回路から外す。１つの例となる実施形態では、ＰＷＭコントローラ（図１の回路１０２）は、電圧降下を検知することで負荷が増加していると決定し、電圧上昇を検知することで負荷が減少していると決定し、ＰＷＭコントローラは、スイッチＳＣＸを適宜オン又はオフにすることができる。
【００１９】
[0023]図３は、一実施形態に係る、例となるタイミング図の例示である。この例では、電圧３０１及び３０２は、図１の回路１０２によって生成されたＰＷＭ信号である。電圧３０１は、スイッチ１１２及びスイッチ１１５に供給される。電圧３０２は、スイッチ１１３及び１１４に供給される。ＶＸ及びＶoutは、同様に図３でもラベル付けされている。図３で注目すべきは、電圧ＶＸが、電圧３０１及び３０２の２倍の周波数であることである。この例では、電圧３０１及び３０２が、２５０ＭＨｚであるであるのに対して、電圧ＶＸは、５００ＭＨｚの周波数である。しかしながら、実施形態の範囲は、他の実施形態では任意の適切な周波数が使用され得るため、入力クロック信号の任意の特定の周波数に限られない。
【００２０】
[0024]上述したように、３レベル降圧コンバータ１１０は、ゼロとＶＤＤ／２との間、又はＶＤＤ／２とＶＤＤとの間のどちらかで変動することができる３レベル電圧として電圧ＶＸを供給するように動作可能である。図３の例では、電圧ＶＸは、信号３０１及び３０２のデューティサイクルの結果として、ＶＤＤ／２とＶＤＤとの間で変動する。しかしながら、仮に信号３０１及び３０２のデューティサイクルが低減した場合には、電圧ＶＸがゼロとＶＤＤ／２との間で変動するであろうことは理解される。
【００２１】
[0025]更に、様々な実施形態は、電圧ＶＸにおけるリップルの除去又は低減をもたらす。図３では、例となるリップル３１０がおよそ時間Ｔ１に示され、同様のリップルも、同様に、他の時間に電圧ＶＸで発生し得る。上述したように、スイッチキャパシタＣＸの使用は、リップルを低減又は除去し得、この実施形態では、リップルの量は非ゼロではないが、図２の回路にキャパシタＣＸが存在しない場合に存在し得るものよりも低減される。
【００２２】
[0026]図３は、説明し易くするために、時間Ｔ１−Ｔ５を示すための時間マーキングを更に有する。時間Ｔ１では、スイッチ１１２はＯＮであり、スイッチ１１３はＯＮであり、スイッチ１１４は閉じており、スイッチ１１５は閉じている。スイッチ１１２及び１１３がＯＮであるため、ＶＸはＶＤＤとなり、Ｃflyが充電される。
【００２３】
[0027]時間Ｔ２では、スイッチ１１２はＯＦＦであり、スイッチ１１３はＯＮであり、スイッチ１１４はＯＦＦであり、スイッチ１１５はＯＮである。故に、キャパシタＣflyは、入力ノードをわたってインダクタに、及びスイッチ１１５を介して接地に結合される。従って、電圧ＶＸは低下される。
【００２４】
[0028]時間Ｔ３では、スイッチ１１２はＯＮであり、スイッチ１１３はＯＮであり、スイッチ１１４はＯＦＦであり、スイッチ１１５はＯＦＦである。キャパシタＣflyは、時間Ｔ１に関連して上述したのと同様に、再度充電される。電圧ＶＸは上昇する。
【００２５】
[0029]時間Ｔ４では、スイッチ１１２はＯＮであり、スイッチ１１３はＯＦＦであり、スイッチ１１４はＯＮであり、スイッチ１１５はＯＦＦである。故に、キャパシタＣflyは、それぞれスイッチ１１２とスイッチ１１４とを介してＶＤＤとＶＸとの間に結合される。キャパシタＣfly及びＣloadは、図４に例示されるように、Ｔ４において分圧器として機能する。
【００２６】
[0030]時間Ｔ５では、スイッチ１１２はＯＮであり、スイッチ１１３はＯＮであり、スイッチ１１４はＯＦＦであり、スイッチ１１５はＯＦＦである。キャパシタＣflyは、ＶＤＤのおかげで再度充電される。Ｔ１からＴ５の時間の進行は、キャパシタＣflyを充電及び放電するために及びインダクタＬの入力ノードにおける電圧ＶＸを供給するためにスイッチ１１２−１１５がどのように動作されるかを示す。
【００２７】
[0031]当然ながら、図３のタイミング図は、時間のスナップショットを表し、実例では、３レベル降圧コンバータが、信号３０１及び３０２の何千又は何百万ものサイクルを含む拡張された時間期間の間、動作し得ることは理解される。戻って図１のフィードバックループを参照すると、ＰＷＭコントローラ１０２は、ＶoutをＶrefと比較し、Ｖoutのレベルを実質的に一定に保つように信号３０１及び３０２のデューティサイクルを調整する。図３のタイミング図は、信号３０１及び３０２のデューティサイクルが調整されていることを示さないが、フィードバックループがそのような機能性を提供することは理解される。
【００２８】
例となる方法実施形態
[0032]３レベル降圧コンバータを動作する例となる方法５００のフロー図が図５に例示される。一例では、方法５００は、降圧コンバータのインダクタの入力ノードにおけるリップルが最小の状態で、出力電圧Ｖoutに入力電圧（例えば、ＶＤＤ）を変換するために、図２の降圧コンバータ１１０のような３レベル降圧コンバータによって実行される。方法５００は、フィードバックループと、略一定の電圧で保たれた同期降圧コンバータとを含む、図１のシステム１００のようなシステムにおいて実行される。降圧コンバータは、ＰＷＭ信号によって制御され、ここでは、ＰＷＭ信号のデューティサイクルの調整は、出力電圧を下げること又は上げることのどちらかを降圧コンバータに行わせる。
【００２９】
[0033]動作５１０において、降圧コンバータは、その入力スイッチにおいてＰＷＭ信号を受ける。電圧３０１及び３０２が、降圧コンバータの出力電圧に影響を及ぼすＰＷＭ信号である例が図３のタイミング図に示される。入力スイッチの例には、図２のスイッチ１１２−１１５として識別されるトランジスタが含まれる。
【００３０】
[0034]動作５２０において、降圧コンバータの入力スイッチ及びフライングキャパシタは、このコンバータのインダクタの入力ノードにおいて３レベル電圧を生じさせる。入力ノードにおける３レベル電圧の例には、図２及び３の電圧ＶＸが含まれる。図３に示された電圧ＶＸは、ＶＤＤ／２とＶＤＤとの間で変動するが、ＰＷＭ信号のデューティサイクルの低減は、電圧ＶＸをゼロと２よりも大きいＶＤＤとの間で変動させ得る。図３に示されるように、電圧ＶＸは、信号３０１及び３０２の２倍の周波数を有する。
【００３１】
[0035]動作５３０において、３レベル電圧のリップルを低減するために、インダクタの入力ノードにおいてキャパシタンスが印加される。１つの例は、図２のキャパシタＣＸである。幾つかの実施形態では、キャパシタＣＸは、それが回路に加えられるか、又は回路から外されることができるように、スイッチが付随し得る。動作５３０は、幾つかの実施形態では、負荷が比較的重いときにキャパシタＣＸを含むためにスイッチをオンにすることと、負荷が比較的軽いときにキャパシタＣＸを外すためにスイッチをオフにすることとを含み得る。キャパシタＣＸをオンに切り替える、及びオフに切り替える論理は、ＰＷＭコントローラ又は他の回路内を含む回路の任意の適切な部分に含まれ得る。
【００３２】
[0036]動作５４０において、降圧コンバータは、入力電圧を出力電圧に変換する。例となる出力電圧は、図３においてＶoutと示される。
【００３３】
[0037]実施形態の範囲は、図５に示される特定の方法に限られない。他の実施形態は、１つ又は複数の動作を追加、省略、再配列、又は修正し得る。例えば、動作５１０−５３０が実行されると、継続的に、動作５４０が実行される。例えば、方法５００は、降圧コンバータの出力電圧を略一定の値に保つより大きなフィードバック動作の一部であり得る（より大きなフィードバック動作は、図１に関連してより詳細に上述される）。
【００３４】
[0038]様々な実施形態は、利点を含み得る。例えば、電荷共有capＣＸ及びスイッチＳＣＸを追加することで、（Ｃflyにわたる）第３のレベルの電圧ＶＤＤ／２は、電力、電圧及び温度（ＰＶＴ）にわたってより安定する。ＣＸがない場合、第３のレベルの電圧は、複雑なＶＤＤ／２レギュレータ（図示されない）が使用されない限り、ＰＶＴにわたってＶＤＤ／２でそれ程安定しないだろう。そのような増加した安定性は、電圧ＶＸにおけるより少ないリップルに帰着し得る。
【００３５】
[0039]現時点で当業者が認識するように、及び近い未来の特定のアプリケーションに依存して、多くの修正、置換及び変形が、本願の精神及び範囲から逸脱することなく、本開示のデバイスの材料、装置、構成及び使用方法において及びそれらに対してなされることができる。この点を踏まえて、本明細書で例示及び記述された特定の実施形態は幾つかの例にすぎないため、本開示の範囲は、それらの範囲に制限されるべきではなく、むしろ、以降に添付されている特許請求の範囲及びそれらの機能的な等価物と十分に釣り合うべきである。
以下に本願発明の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［Ｃ１］
回路であって、
複数の入力スイッチと、前記複数の入力スイッチは、第１のキャパシタと結合され、前記第１のキャパシタを充電及び放電するように構成される、
第１のキャパシタ及び前記複数の入力スイッチからの電圧を受けるように構成されたインダクタと、
前記降圧コンバータの出力ノードにおける第２のキャパシタと、
前記インダクタの入力ノードにおけるスイッチキャパシタと、ここにおいて、前記スイッチキャパシタは、前記第１のキャパシタ又は前記第２のキャパシタのどちらよりも小さい、
を有する３レベル降圧コンバータ
を備える回路。
［Ｃ２］
前記第１のキャパシタは、前記第２のキャパシタと実質的に同じキャパシタンスを有する、Ｃ１に記載の回路。
［Ｃ３］
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタは各々、ファラッドで測定されるとき、前記スイッチキャパシタよりも少なくとも一桁大きい、Ｃ１に記載の回路。
［Ｃ４］
前記スイッチキャパシタは、前記インダクタの前記入力ノードと接地との間に配設される、Ｃ１に記載の回路。
［Ｃ５］
前記スイッチキャパシタと通信状態にあるトランジスタを更に備え、前記トランジスタは、前記インダクタの前記入力ノードと接地との間の導通経路を開閉するように構成される、Ｃ１に記載の回路。
［Ｃ６］
前記３レベル降圧コンバータは、システムオンチップの一部であり、処理コアに動力供給するように構成される、Ｃ１に記載の回路。
［Ｃ７］
複数の入力スイッチは、ＶＤＤ及び接地に結合され、更に、前記複数の入力スイッチからの前記電圧は、ゼロとＶＤＤ／２との間又はＶＤＤ／２とＶＤＤとの間のどちらかで変動する、Ｃ１に記載の回路。
［Ｃ８］
前記スイッチキャパシタと通信状態にあるスイッチと、前記スイッチは、前記インダクタの前記入力ノードと接地との間の導通経路を開閉するように構成される、
前記複数の入力スイッチに制御信号を供給するように構成され、前記スイッチキャパシタと通信状態にある前記スイッチを制御するように構成されたパルス幅変調コントローラと
を更に備える、Ｃ１に記載の回路。
［Ｃ９］
前記３レベル降圧コンバータの出力電圧を受けるように及び前記出力電圧を受けることに応答して前記入力スイッチへの制御信号のデューティサイクルを変動するように構成されたパルス幅変調コントローラを更に備える、Ｃ１に記載の回路。
［Ｃ１０］
方法であって、
３レベル降圧コンバータの入力スイッチにおいて複数のパルス幅変調制御信号を受けることと、前記入力スイッチは、第１のキャパシタと結合され、前記複数のパルス幅変調制御信号に応答して、前記第１のキャパシタを充電及び放電するように構成される、
前記３レベル降圧コンバータのインダクタの入力ノードにおいて電圧を生じさせることと、前記インダクタの前記入力ノードにおける前記電圧は、前記パルス幅変調制御信号によって制御され、前記３レベル降圧コンバータは、前記インダクタの出力ノードにおいて第２のキャパシタを更に含む、
前記インダクタの前記入力ノードにおける前記電圧に応答して、前記３レベル降圧コンバータの出力ノードにおいて出力電圧を生じさせることと、
前記インダクタの前記入力ノードにおけるスイッチキャパシタを充電及び放電することと
を備える方法。
［Ｃ１１］
負荷に応答して、前記スイッチキャパシタにおけるスイッチを開けること
を更に備える、Ｃ１０に記載の方法。
［Ｃ１２］
負荷に応答して前記スイッチキャパシタのおけるスイッチを閉じること
を更に備える、Ｃ１０に記載の方法。
［Ｃ１３］
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタは、実質的に同じ値を有する、Ｃ１０に記載の方法。
［Ｃ１４］
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタは、前記スイッチキャパシタよりも少なくとも一桁大きい、Ｃ１０に記載の方法。
［Ｃ１５］
前記スイッチキャパシタを放電することは、前記インダクタの前記入力ノードでの前記電圧におけるリップルにあるよりも少ないエネルギを放電することを備える、Ｃ１０に記載の方法。
［Ｃ１６］
前記スイッチキャパシタを前記充電及び放電することは、前記インダクタの前記入力ノードでの前記電圧におけるリップルを低減することを備える、Ｃ１０に記載の方法。
［Ｃ１７］
前記３レベル降圧コンバータは、４つの入力スイッチを含み、前記入力スイッチのうちの第１の組の２つは、前記パルス幅変調制御信号のうちの第１のパルス幅変調制御信号を受け、前記入力スイッチのうちの第２の組の２つは、前記パルス幅変調制御信号のうちの第２のパルス幅変調制御信号を受け、前記第１のパルス幅変調制御信号及び前記第２のパルス幅変調制御信号は、１８０度位相シフトされている、Ｃ１０に記載の方法。
［Ｃ１８］
回路であって、
３レベル降圧コンバータ
を備え、前記３レベル降圧コンバータは、
第１のパルス幅変調信号及び第２のパルス幅変調信号によって制御されるように構成され、一組の入力トランジスタと通信状態にある第１のキャパシタを充電及び放電するようにも構成された前記一組の入力トランジスタと、
前記一組の入力トランジスタと結合され、前記第１のキャパシタの前記充電及び放電によって生じた電圧を受けるように構成されたインダクタと、
前記３レベル降圧コンバータの出力ノードにおける第２のキャパシタであって、前記インダクタと通信状態にある第２のキャパシタと、
前記インダクタの入力ノードに配設された第３のキャパシタと、前記第３のキャパシタは、前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタの両方よりも少なくとも一桁小さい、
を有する、回路。
［Ｃ１９］
前記３レベル降圧コンバータと通信状態にあり、基準信号と、前記３レベル降圧コンバータの前記出力ノードからのフィードバック信号とに応答して、前記第１のパルス幅変調信号及び前記第２のパルス幅変調信号を供給するように構成されたパルス幅変調コントローラ
を更に備える、Ｃ１８に記載の回路。
［Ｃ２０］
接地への導通経路を開閉するように構成されたトランジスタを更に備え、前記導通経路は、前記第３のキャパシタを備える、
Ｃ１８に記載の回路。
［Ｃ２１］
前記第１のキャパシタ及び前記第２のキャパシタは、ファラッドで測定されるとき、実質的に同じ値を有する、Ｃ１８に記載の回路。
［Ｃ２２］
前記一組の入力トランジスタは、ＶＤＤと接地との間に配設された４つのトランジスタを備える、Ｃ１８に記載の回路。
［Ｃ２３］
前記一組の入力トランジスタは、ＶＤＤと接地との間に配設された４つのトランジスタを備え、更に、前記第１のキャパシタは、前記トランジスタのうちの第１のトランジスタがオンであるときに接地に結合され、前記トランジスタのうちの第２のトランジスタがオンであるときにＶＤＤに結合される、Ｃ１８に記載の回路。
［Ｃ２４］
前記一組の入力トランジスタは、ＶＤＤと接地との間に配設された２つのｐ型トランジスタ及び２つのｎ型トランジスタを備える、Ｃ１８に記載の回路。
［Ｃ２５］
前記一組の入力トランジスタは、ＶＤＤと接地との間に配設された２つのｐ型トランジスタ及び２つのｎ型トランジスタを備え、更に、前記第１のキャパシタは、第１のｎ型トランジスタと第２のｎ型トランジスタとの間のノードに結合され、第１のｐ型トランジスタと第２のｐ型トランジスタとの間の別のノードに結合される、Ｃ１８に記載の回路。
［Ｃ２６］
前記３レベル降圧コントローラの出力電圧を受ける処理コア
を更に備える、Ｃ１８に記載の回路。
［Ｃ２７］
前記３レベル降圧コンバータの出力電圧を所望のレベルで維持するために前記第１のパルス幅変調信号及び前記第２のパルス幅変調信号を供給するように構成されたパルス幅変調コントローラを含む前記フィードバックループ
を更に備える、Ｃ１８に記載の回路。
［Ｃ２８］
３レベル降圧コンバータであって、
第１のパルス幅変調信号及び第２のパルス幅変調信号を受け、前記第１のパルス幅変調信号及び前記第２のパルス幅変調信号に応答して、電圧レールと接地との間の第１のキャパシタを充電及び放電するための手段と、
前記パルス幅変調信号の前記充電及び放電によって生じた第１の電圧を受けることに応答して、前記３レベル降圧コンバータの出力電圧を発生させるための手段と、
前記受けるための手段と前記発生させるための手段との間のノードに配設された第２のキャパシタと
を備える３レベル降圧コンバータ。
［Ｃ２９］
前記第２のキャパシタは、前記第１のキャパシタよりも少なくとも一桁小さく、前記発生させるための手段における第３のキャパシタよりも少なくとも一桁小さい、Ｃ２８に記載の３レベル降圧コンバータ。
［Ｃ３０］
前記発生させるための手段と接地との間の導通経路を開閉するための手段を更に備え、前記導通経路は前記第２のキャパシタを備える、
Ｃ２８に記載の３レベル降圧コンバータ。
【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５】
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