动态电容器调制电压调节器技术领域
本文所述的实施例涉及电子产品中的功率管理。一些实施例涉及电压调节器。
背景技术
许多电子设备或系统(例如计算机、平板电脑和蜂窝电话)具有电压调节器以将设
备或系统中的组件所使用的电压维持在适当的值。电压调节器通常设计为在特定参数(例
如输出纹波、效率和功率开销)内操作。对于某些类型的电压调节器，避免对这些参数的设
计影响可能构成挑战。
附图说明
图1示出了根据本文所述的一些实施例的包括电压调节器的装置。
图2是根据本文所述的一些实施例的图1的电压调节器的一些信号的示例性时序
图。
图3A示出了根据本文所述的一些实施例的图1的电压调节器的电路通道的方框
图。
图3B示出了根据本文所述的一些实施例的图3A的电路通道的一些信号的时序图。
图4示出了根据本文所述的一些实施例的图3A的电路通道的输出单元的示意图。
图5A示出了根据本文所述的一些实施例的电路通道和包括单个电容器的电容器
网络的示意图。
图5B示出了根据本文所述的一些实施例的电路通道和包括电路通道共用的多个
电容器的电容器网络的示意图。
图6示出了根据本文所述的一些实施例的包括图1的电压调节器的变型的装置。
图7是示出根据本文所述的一些实施例的控制电压调节器的方法的流程图。
图8示出了根据本文所述的一些实施例的包括电压调节器的电子系统形式的装
置。
具体实施方式
一些电压调节器具有飞跨电容器用以向节点提供电荷，其可提供用于负载(例如，
设备或系统中的功能单元)中的电压。对于这种电压调节器中的功率管理，在不同操作活动
下动态控制由电容器提供的电荷的能力起到关键作用。此外，对于负载的功耗较小的一些
操作模式(例如，睡眠模式)，高效率电压调节器解决方案是优选的。一些常规的电压调节器
可以提供这些特征，但是它们可以是针对给定的负载电流和输出电压而设计的。
在常规电压调节器中，输出纹波是在电压调节器中使用的飞跨电容器、输出电容
器、负载电流、开关频率以及开关的电阻(例如，大小)的值的函数。此外，效率是开关电阻和
开关频率的函数。一些常规电压调节器可以使用滞后模式或脉冲频率调制(PFM)模式来提
高跨负载条件的效率。输出电压纹波由飞跨电容器在输出电容器上转储的电荷以及通过负
载电流从输出电容器取出的电荷确定。在低负载电流下，由输出负载电流取出的电荷减少，
并且由于由飞跨电容器转储的电荷保持相同，输出电压纹波增大。为了减小纹波，可以增大
开关频率，其减少在一个周期中由飞跨电容器转储的电荷。但这对效率有不利影响。
一些常规技术可以使用多相电容器-开关电路，以便减小纹波。然而，这种多相电
容器-开关电路可能即使在低负载电流时也需要保持切换(以保持纹波低)，从而降低在低
负载电流下的效率。此外，当输入频率恒定时，随着相数不断增加，这种多相电容器-开关电
路的每个相的频率会不断下降。因此，超过某一点，纹波的减小会随着相数的增加而缩小。
在一些其它常规技术中，为了改善跨负载条件的纹波，每个周期切换飞跨电容器，
并且通过模拟控制回路控制开关的电阻。这个模拟控制回路具有额外的设计复杂性、反馈
补偿要求、面积开销和设计周转时间。
本文所述的技术解决了与一些类型的电压调节器相关联的几个问题，并提供了优
于常规技术的改进。例如，本文所述的技术可以基于如下控制来减小负载电流范围上的纹
波：依据对负载电流、输入电源、输出电压等的变化的检测而进行的对每个周期切换的一个
或多个飞跨电容器的控制。本文所述的技术还可以通过例如在低负载电流下较少地切换开
关来提高负载电流范围上的效率。本文所述的技术中的控制器可以是数字控制器。因此，其
可以比一些常规(例如，模拟)控制器更简单，并且可以实现负载电流范围以及输入和输出
电压范围上的低纹波。此外，本文所述的技术可以减少设备面积和功率开销。
图1示出了根据本文所述的一些实施例的包括电压调节器101的装置100。装置100
可以包括电子设备或系统或包括在电子设备或系统中，所述电子设备或系统诸如计算机
(例如，台式机、膝上型电脑或笔记本电脑)、平板电脑、蜂窝电话、片上系统(SoC)或其他电
子设备或系统。电压调节器101可以被布置为控制(例如调节)节点(例如，输出节点)102处
的电压VOUT(例如，调节的输出电压)的值。可以将电压VOUT(例如，作为电源电压)提供给装置
100的其他组件(例如负载103)。负载103的示例包括诸如中央处理单元(CPU)的处理器、存
储器设备和装置100的其他电子组件。
电压调节器101可以包括在集成电路(IC)管芯(例如，IC芯片，例如半导体芯片)
中。装置100还可以包括耦合到节点102的电容器(例如，负载电容器)CLOAD。电压调节器101、
负载103和电容器CLOAD可以包括在同一IC管芯中或单独的IC管芯中。例如，在一些布置中，
电压调节器101、负载103和电容器CLOAD可以包括在同一IC管芯(例如，同一IC芯片)中。在其
他布置中，电压调节器101以及负载103和电容器CLOAD中的一个可以包括在同一IC管芯中。
如图1所示，电压调节器101可以包括节点(例如，输入节点)111，用于接收电压(例
如，输入电压)V IN，其可以是由诸如电池的电源提供的电源电压。电压调节器101可以从电
压VIN生成电压VOUT，使得电压VOUT的值可以小于电压VIN的值。可替换地，电压VIN的值可以小
于电压VOUT的值。
电压调节器101可以包括控制器120和电路通道131、132、133和134。图1示出了作
为示例的包括四个(例如，N＝4)电路通道131、132、133和134的电压调节器101。然而，电路
通道的数量(例如，N)可以不同于四个。
电压调节器101可以包括电容器网络，其可以交替地耦合到节点111和102，以便从
节点111(处于电压VIN)向节点102(处于电压VOUT)提供(例如，转移)电荷。电容器网络可以包
括单个电容器(例如，单个飞跨电容器)或多个电容器(例如，多个飞跨电容器)。在图4、图5A
和图5B中详细示出了与电路通道131、132、133和134相关联的电容器网络的一些布置。
在图1中，电路通道131、132、133和134可以被布置为控制由特定电路通道贡献给
节点102的电荷量(来自电容器网络)。因此，可以通过由电路通道131、132、133和134控制的
电荷来确定节点102处的电压VOUT的值。
控制器120可以是数字控制器，其可以被布置为提供控制信号CTL1、CTL2、CTL3和
CTLN，以分别选择性地启用或停用(例如，打开或关闭)电路通道131、132、133和134。当控制
器120启用电路通道131、132、133和134中的特定电路通道时，该特定电路变为启用的电路
通道。当控制器120停用电路通道131、132、133和134中的特定电路通道时，该特定电路变为
停用的电路通道。停用的电路通道也可以是在电压调节器101中的通电(或上电)时未启用
的通道。
可以基于各自的控制信号的值(例如，信号电平)，由控制器120将每个电路通道
131、132、133和134置于启用状态或停用状态。例如，控制器120可以使控制信号CTL1处于一
个电平(例如，高)，以便将电路通道131置于启用状态。控制器120可以使控制信号CTL1处于
另一电平(例如，低)，以便将电路通道131置于停用状态。
在将特定电路通道置于启用状态中时，其可以控制(例如，增加)由该特定电路通
道贡献给节点102的电荷量(来自电容器网络)。例如，启用的电路通道可以将电容器网络
(具有多个电容器的电容器网络)的一部分或者将整个电容器网络(仅具有一个电容器的电
容器网络)交替耦合到节点111和102，以便从节点111(处于电压VIN)向节点102(处于电压
VOUT)提供(例如，转移)电荷。
当停用启用的电路通道(例如，被置于停用状态)时，其可以不向节点102转移(例
如，可以不控制或停止控制)由该特定电路通道贡献给节点的电荷量。例如，停用的电路通
道可能不能将电容器网络交替地耦合到节点111和102。
电压VOUT的值可以由电路通道131、132、133和134中启用的电路通道的数量控制。
启用的电路通道的数量可以是零、一或大于一。因此，本文所述的启用的电路通道的数量可
以是启用的零个电路通道，启用的一个电路通道，或启用的多个电路通道。如下面更详细说
明的，控制器120可以动态地启用或停用启用的电路通道的数量，以便动态地控制电容器网
络的充电和放电，以改善操作(例如，减少纹波并增大电压调节器101的效率)。
控制器120可以基于用于(例如，需要)调整提供给节点102的电荷量的启用的电路
通道的数量来生成(例如，启动)控制信号CTL1、CTL2、CTL3和CTLN，以便调整电压VOUT的值。例
如，控制器120可以基于电压VOUT的值和电压VREF1(例如，参考电压)的值选择性地启用(或停
用)电路通道131、132、133和134的一部分。
如图1所示，电压调节器101可以包括反馈路径140，其可以具有增益141(例如电阻
分压器)。反馈路径140可以基于(例如，成比例于)电压VOUT的值提供电压(例如，反馈电压)
VFB。在装置100的操作期间，电压VOUT、VIN或两者的值可以变化。该变化可以由操作条件的变
化(例如，电压VIN、操作温度或两者中的变化)引起。该变化还可以由负载103处的电流ILOAD
的变化引起。控制器120可以基于电压VFB的值和电压VREF1的值操作以启用(或停用)电路通
道131、132、133和134(例如，以调整启用(或停用)的电路通道的数量)，以便调整电压VOUT的
值。这允许控制器120将电压VOUT的值维持在特定值(例如，基于电压VREF1的值的预定值)。
如图1所示，电压调节器101可以包括比较器151，其可以是钟控比较器(例如，继电
器式控制(bang-bang)PFM比较器)。比较器151可以操作以比较电压VFB和VREF1的值，并且基
于比较的结果生成具有值(例如，电压值)的信号(比较器输出信号)COMPOUT1。信号(例如，时
钟信号)CLK可以用于比较器151中。比较器151可以使用信号CLK进行操作，使得信号
COMPOUT1可以具有图2所示的电平。
图2是根据本文所述的一些实施例的用于信号CLK的电平以及基于电压VFB和VREF1
的值的信号COMPOUT1的电平的示例性时序图。如图2所示，信号CLK可以具有周期150。当信号
CLK具有电平150a(例如，高电平)时，信号COMPOUT1在每个周期150的部分期间可以具有相同
的电平151a(例如，零)。当信号CLK具有电平150b(例如，低电平)时，信号COMPOUT1可以在每
个周期150的部分期间具有不同电平(例如，电平151a或151b)，这取决于相对于电压VREF1的
值的电压VFB的值。电平151a和电平151b可以分别对应于逻辑一(“1”)和逻辑零(“0”)。
与图2相关联的示例假设在当信号CLK在时间T0和T1、T1和T2、T3和T4、及T4和T5之
间具有电平150a时的每个周期150的部分期间VFB<VREF1(电压VFB的值小于电压VREF1的值)。在
图2中，还假设在当信号CLK在时间T2和T3之间具有电平150b时的周期150的部分期间VFB>
VREF1(电压VFB的值大于电压VREF1的值)。
如图2所示，如果在当信号CLK具有电平150b时的周期150的部分期间VFB<VREF1，则
信号COMPOUT1可以从电平151a切换(改变)到电平151b。如果在当信号CLK具有电平150b(例
如，在时间T2和T3之间)时的周期150的部分期间VFB>VREF1，则信号COMPOUT1可以保持在电平
151a(不从电平151a切换到电平151b)。因此，在图2的示例中，除了时间T2和T3之间的周期
150之外，信号COMPOUT1在时间T0和T5之间的每个周期150期间切换(从电平151a改变到
151b)。这意味着信号COMPOUT1在时间T2和T3之间的周期150中跳过了从电平151a到151b的
切换(例如跳过改变)。基于信号COMPOUT1的电平，控制器120可以启用或停用适当数量的电
路通道131、132、133和134，以控制负载电流范围上(例如，跨ILOAD的值)的纹波和效率。
比较器151可以将信号CLK的每个周期150(图2)处的电压VREF1的值与电压VFB的值
进行比较。基于比较器151的信号COMPOUT1的电平调节电压VOUT的值。如上所述，在当信号CLK
具有电平150a时的周期150的部分期间，信号COMPOUT1达到电平151a(例如，零)。如果VFB<
VREF1，则当信号CLK从电平150a变到电平150b时，信号COMPOUT1从电平151a切换到电平151b。
否则(例如，如果VFB>VREF1)，在当信号CLK具有电平150b时的周期150的部分期间，信号
COMPOUT1保持在电平151a。
随着负载电流(例如，ILOAD)增大，电压VOUT的值减小。由于基于电压VOUT生成电压
VFB，所以电压VFB的值也减小。这意味着VFB<VREF1。这使得信号COMPOUT1更频繁地变为电平
151b，从而增大信号COMPOUT1的切换频率(例如，信号COMPOUT1更频繁地在电平151a和151b之
间切换)。从信号COMPOUT1的一个电平(例如，逻辑0)到另一个电平(例如，逻辑1)的切换可以
用作负载电流的指示。为了减小作为负载电流的函数的纹波，控制器120可以操作以基于比
较器输出频率(例如，信号COMPOUT1的切换频率)动态地控制电容器网络的充电(和放电)。基
于信号COMPOUT1的切换，控制器120可以在电路通道131、132、133和134中将更多的电路通道
置于启用状态(例如，增加处于启用状态的电路通道的数量)。如上所述，启用的电路通道的
数量的增加可以增加从节点111到节点102的电荷量(例如，推送更多电荷)。因此，电压VOUT
的值增大。这些操作(反馈和动态控制电容器网络的充电(和放电))调节电压VOUT的值以将
其保持在适当的值。
一些技术可以使用飞跨电容器来向常规电压调节器的输出端提供电荷，使得在低
负载电流下，常规电压调节器的输出端可以缓慢地放电。当输出低于参考电压时，这种电压
调节器中的比较器可再次切换以切换电容器网络中的飞跨电容器。每次飞跨电容器切换，
它在输出端放置几乎相同的电荷。因此，每次飞跨电容器切换时，在负载电流因为大部分切
换的电荷用于对输出电容器充电(例如，耦合到电压调节器的输出端的负载电容器)而减小
的情况下，转移到输出节点的相同量的电荷导致更高的纹波。在一些常规电压调节器中，飞
跨电容器通常由用于保持输出阻抗低的最大负载电流要求来确定。因此，在一些常规电压
调节器中，由于大量电荷在比较器和飞跨电容器的每次切换时转储到输出端，在低负载电
流下的输出纹波增大。
在图1的电压调节器101中，为了在比较器151的切换频率减小时减小输出纹波(例
如，输出电压上的纹波)，提供给节点102的电荷量(其由电路通道131、132、133和134控制)
可以减小。这可以通过在比较器151的切换频率减小时，在电路通道131、132、133和134中启
用较少的电路通道来实现。启用的较少电路通道减少了提供给(例如，切换到)节点102和电
容器CLOAD的电荷，从而减小了输出纹波。
图3A示出了根据本文所述的一些实施例的图1的电压调节器101的电路通道131的
方框图。本文说明了电压调节器101的仅一个电路通道(例如，图3A中的电路通道131)的方
框图。电路通道132、133和134可以具有与图3A的电路通道131类似(或相同)的结构。因此，
为了简单起见，从本说明中省略了对图1的电压调节器101的电路通道132、133和134的详细
说明。
如图3A所示，电路通道131可以包括输出单元1311、1312和1313，每个都可以包括电
容器(例如，图4所示的飞跨电容器)。图3A示出了包括三个(例如，M＝3)输出单元1311、1312
和1313的电路通道131作为示例。然而，输出单元的数量(例如，M)可以不同于三个。
在图3A中，当电路通道131处于启用状态时，输出单元1311、1312和1313可以分别基
于信号(例如，时钟信号)CLK1、CLK2和CLK3的时序来向节点102提供(例如顺序地提供)电荷
(来自其各自的电容器)。电路通道131可以包括时钟发生器(例如，环形振荡器型时钟发生
器)361，以基于信号CLKLANE1生成信号(例如，时钟信号)CLK1、CLK2和CLK3。信号CLKLANE1的波
形可以是与信号CLK相同的波形或零(例如，地)，这取决于控制信号CTL1的电平，其可以用
作选择器(例如，多路复用器)371的选择信号。
图3B示出了根据本文所述的一些实施例的图3A的电路通道131的一些信号的时序
图。如图3B所示，控制信号CTL1可以具有由控制器120(图1)控制的电平331a和331b。例如，
如果要启用电路通道131(将其置于启用状态中)，则控制器120可以使控制信号CTL1具有电
平311a。如果要停用电路通道131(例如，将其从启用状态改变为停用状态)或者如果要将电
路通道131保持在停用状态(例如，保留在当前停用状态)，则控制器120可以使控制信号
CTL1具有电平311b。
如图3B所示，当控制信号CTL1具有电平311a(例如，电路通道131处于启用状态)
时，选择器371(图3A)可以将信号CLK选择为信号CLKLANE1。在此情况下，时钟发生器361(图
3A)可以使用信号CLKLANE1来生成信号CLK1、CLK2和CLK3，使得信号CLK1、CLK2和CLK3相对于彼
此且相对于信号CLKLANE1具有不同的相位。例如，如图3B所示，信号CLK1、CLK2和CLK3的相位
(例如，基于上升沿)可以分别从信号CLKLANE1移动不同的时间值t1、t2和t3。信号CLK1、CLK2
和CLK3的不同相位允许输出单元1311、1312和1313向节点102顺序地提供电荷。这可以使得
任何输出纹波最小化。
在图3B中，当控制信号CTL1具有电平311b(例如，要将电路通道131置于(或保持
在)停用状态)时，选择器371(图3A)可以使信号CLKLANE1的电平为零(例如，地)。在此情况下，
时钟发生器361还可以使信号CLK1、CLK2和CLK3的电平为零。这使得输出单元1311、1312和
1313停止向节点102提供电荷。
图4示出了根据本文所述的一些实施例的图3A的输出单元1311的示意图。这里仅
说明电路通道131的一个输出单元(例如，图4中的输出单元1311)的示意图。输出单元1312和
1313具有与图4的输出单元1311类似(或相同)的结构。因此，为了简单起见，从本说明中省略
了对电路通道131的输出单元1312和1313的详细说明。
如图4所示，输出单元1311可以包括具有极板412和413的电容器(例如，飞跨电容
器)CUNIT，以及开关S1、S2、S3和S4，其被布置为形成开关电容器装置。该开关电容器装置可
以操作以将电荷从节点111提供(例如转移)给节点102。可以基于反相器INV1和INV2、选择
器(例如，多路复用器)481以及信号CLK1和CTL1的设置来控制(例如，导通或关断)开关S1、
S2、S3和S4。开关S1、S2、S3和S4可以包括(例如，可以被构造为)晶体管。例如，开关S1、S2和
S3可以包括场效应晶体管(FET)，例如p沟道金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)。开
关S4可以包括n沟道MOSFET。电容器CUNIT可以包括金属中金属(MiM)电容器、基于晶体管的
电容器(例如，由金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件实现的电容器)或其他类型
(例如，管芯上或片上)的电容器。电容CUNIT可以是片上电容器；这意味着电容器CUNIT可以位
于与电压调节器101的其他组件(例如，控制器120)所在的相同IC管芯中(例如，形成在其上
或形成在其中)。
在操作中，当电路通道131(图3A)处于启用状态时，开关S1、S2、S3和S4可以导通和
关断，以将电容器CUNIT交替地耦合到节点111和102。例如，当开关S1和S2导通时(例如，当信
号CLK1具有对应于逻辑1(例如，高)的电平时)，开关S3和S4被关断。这通过在节点111和VOUT
之间的导电路径(通过开关S1和S2)对电容器CUNIT充电(借助电压VIN)。当开关S1和S2关断时
(例如，当信号CLK1具有对应于逻辑0(例如，低)的电平时)，开关S3和S4导通。这使得电容器
CUNIT通过在地和节点102之间的导电路径(通过开关S3和S4)向节点102放电(例如，提供电
荷)。电容器CUNIT的充电和放电的这个过程可以重复，只要电路通道131被置于启用状态。当
电路通道131被置于停用状态时该过程可以停止。
当电路通道131处于停用状态时，可以不切换(例如，可以不导通和关断)输出单元
1311的开关S1和S2(以及输出单元1312和1313中的其它类似开关)，它们可以保持关断。这可
以减少开关损耗并提高效率。此外，当电路通道131处于停用状态时，可以将电容器CUNIT置
于与电容器CLOAD(图1)并联，以进一步减小输出纹波。例如，当控制信号CTL1具有电平331a
(图3B)以便使电路通道131处于启用状态时，选择器481将其输出端耦合到信号CLK1。基于
信号CLK1的电平，导通和关断开关S3和S4。当控制信号CTL1具有电平331b(图3B)以便使电路
通道131处于停用状态时，选择器481将其输出端耦合到地。这使得开关S3和S4导通(并且只
要信号CTL1具有电平331b，就保持导通)，从而将电容器CUNIT置于与电容器CLOAD并联以进一
步减小输出纹波，如上所述。此外，寄生电容器(例如，在电容器CUNIT的极板412和衬底(例
如，其上形成电容器CUNIT的片上半导体衬底)之间)也不被切换，从而节省功率。
以上的描述说明了电压调节器101的示例电容器网络，其中，电容器网络可以包括
多个电容器(例如，多个飞跨电容器)。例如，如果电压调节器101具有如图1所示的四个电路
通道131、132、133和134，每个电路通道具有三个输出单元1311、1312和1313(图3A)，并且每
个输出单元具有一个电容器(图4)，则在该示例中的电压调节器101的电容器网络具有12个
电容器(例如，每个电路通道中三个电容器)。在该示例中，电路通道131、132、133和134中启
用的电路通道可以控制12个电容器中三个各自电容器的充电和放电。例如，启用的电路通
道可以在节点111和102之间交替地耦合三个各自的电容器(例如，以顺序方式)。作为示例，
如果基于图3B中的信号CLK1、CLK2和CLK3启用电路通道131(图3A)，则电路通道131可以顺序
地将三个电容器耦合到节点111(例如，当信号CLK1、CLK2和CLK3每一个具有逻辑1(例如，高)
电平时)。然后，电路通道131可以将三个电容器从节点111解耦(例如，当信号CLK1、CLK2和
CLK3每一个具有逻辑零(例如，低)电平时)，并将三个电容器顺序地耦合到节点102。电路通
道132、133和134中的其他电路通道如果被启用，也可以以类似的方式操作。
图5A示出了根据本文所述的一些实施例的图1的电路通道131、132、133和134及包
括电路通道131、132、133和134共用的单个电容器C(仅一个飞跨电容器)的电容器网络的示
意图。电路通道131、132、133和134中的每一个可以包括可以与图4中所示的开关S1、S2、S3
和S4相似或相同的开关S1、S2、S3和S4。
如图5A所示，电路通道131、132、133和134可以接收相应的信号CTL1、CTL2、CTL3和
CTLN以及信号CLK。信号CTL1、CTL2、CTL3和CTLN可以用于启用或停用电路通道131、132、133和
134中相应的电路通道。在电路通道131、132、133和134的每一个中，信号CLK可以用于生成
时钟信号(其类似于图3A中的信号CLK1、CLK2和CLK3之一)以控制(导通或关断)相应电路通
道中的开关S1、S2、S3和S4。
电容器C可以包括极板512和513。极板512耦合到电路通道131、132、133和134中的
每一个的开关S1。极板513耦合到电路通道131、132、133和134中的每一个的开关S4。
在电路通道131、132、133和134中的启用电路通道中，当开关S1和S2导通时，开关
S3和S4关断，从而通过启用电路通道的开关S1和S2(或者多个启用电路通道的开关S1和S2)
对电容器C充电(由节点111处的电压VIN提供)。当开关S1和S2关断时，开关S3和S4导通，从而
通过启用电路通道的开关S3和S4(或者多个启用电路通道的开关S3和S4)将电容器C放电到
节点102。在图5A的单电容器(电容器C)布置中，在停用的电路通道中，可以关断所有开关
S1、S2、S3和S4，使得电容器C不通过停用的电路通道的开关S3耦合到节点102。这允许电容
器C通过另一个启用的电路通道(或多个电路通道)适当地充电和放电。
在图5A中，电容器C和节点111与102之间的有效电阻可以由控制器120(图1)基于
信号COMPOUT1的切换频率来控制，以便调整从电容器C提供给节点102的电荷量。从节点111
提供给电容器C(例如，到极板512)的电荷量可以基于节点111和电容器C的极板512之间(以
及从下极板513到开关(及其电阻)到它前往的相应节点)的路径(或多条路径)上的电阻(总
电阻)。如图5A所示，每个开关S1位于节点111和电容器C的极板512之间的相应路径(例如，
电路路径)上。因此，节点111和电容器C的极板512之间的路径上的电阻值可以通过导通(或
关断)所述数量的开关S1来控制。这意味着从节点111提供给电容器C的电荷量以及从电容
器C提供给节点102的电荷量可以基于(例如，成比例于)导通的开关S1的数量。
导通的开关S1的数量可以通过控制(例如，增加或减少)电路通道131、132、133和
134中处于启用状态的电路通道的数量(从而调整耦合到电容器C的极板512的路径上的电
阻)来实现。控制器120可以生成控制信号CTL1、CTL2、CTL3和CTLN，以选择性地启用或停用电
路通道131、132、133和134，如上面参考图1所述的。
电路通道131、132、133和134以及电容器C的布置对于一些情况可能是有用的。这
种情况可以包括多个飞跨电容器可能不可用的情况，用以容纳多个飞跨电容器的器件面积
受限(例如，小)的情况，以及可以使用外部(例如，管芯外或分立的)飞跨电容器的情况。
图5B示出了根据本文所述的一些实施例的图1的电路通道131、132、133和134和包
括电路通道131、132、133和134共用的多个电容器(例如，飞跨电容器)C和C'的电容器网络
的示意图。图5B中的电路通道131、132、133和134及电容器网络可以是图5A中的电路通路
131、132、133和134及电容器网络的变型。图5A示出了单相布置的示例，其中，电路通道131、
132、133和134中的每一个仅包括可以控制电容器C的充电和放电的一组开关(例如，S1、S2、
S3和S4)。图5B示出了多相布置的示例，其中，电路通道131、132、133和134中的每一个包括
多组开关(例如，包括开关S1、S2、S3和S4的组以及包括开关S1'、S2'、S3'和S4'的另一组)。
图5B中的每组开关可以控制相应的电容器(例如，电容器C或电容器C')。
如图5B所示，电路通道131、132、133和134可以接收相应的信号CTL1、CTL2、CTL3和
CTLN以及信号CLK。信号CTL1、CTL2、CTL3和CTLN可以用于启用或停用电路通道131、132、133和
134中的相应电路通道。在电路通道131、132、133和134中的每一个中，信号CLK可以用于生
成多个时钟信号(其类似于图3A中的信号CLK1、CLK2和CLK3)以控制(导通或关断)开关S1、
S2、S3和S4(例如，使用多个时钟信号)和开关S1'、S2'、S3'和S4'(例如，使用多个时钟信号
中的另一个)。以上参照图5A说明了控制图5B中的开关S1、S2、S3和S4以便控制图5B中的电
容器C的充电和放电。
图5B中的开关S1'、S2'、S3'和S4'可以以分别类似于开关S1、S2、S3和S4的方式来
控制。例如，在电路通道131、132、133和134中的启用电路通道中，当开关S1'和S2'导通时，
开关S3'和S4'关断，从而通过启用的电路通道的开关S1'和S2'(或者多个启用的电路通道
的开关S1'和S2')对电容器C'充电(由节点111处的电压VIN提供)。当开关S1'和S2'关断时，
开关S3'和S4'导通，从而通过启用的电路通道的开关S3'和S4'(或多个启用的电路通道的
开关S3'和S4')将电容器C'放电到节点102。因此，从节点111提供给电容器C'的电荷量以及
从电容器C'提供给节点102的电荷量可以基于(例如，成比例于)导通的开关S1'的数量。
图5B示出了两相布置(例如，每个电路通道中两组开关，且电路通道共用两个飞跨
电容器)的示例。然而，图5B的布置可以是不同的(例如，三相或更大)。例如，在一些布置中，
图5B中的电路通道131、132、133和134中的每一个可以包括X组开关(其中，X是至少等于二
的整数)，并且可以有X个飞跨电容器，其中，X个飞跨电容器中的每一个的充电和放电可以
由每个电路通道131、132、133和134中相应的一组开关控制。
图6示出了根据本文所述的一些实施例的包括可以是图1的电压调节器101的变型
的电压调节器101'的装置100'。除了比较器652及其相关的信号以外，装置101'的组件与装
置100的组件相似或相同。为了简单起见，不再重复装置100和101'之间的类似组件。
如上面参考图1至图5B所述的，比较器151可以作为主比较器(例如，图1中的电压
调节器101中的单个比较器)操作，以允许控制器120动态控制(例如，启用或停用)电路通道
131、132、133和134中启用的电路通道的数量。如上所述，动态控制可以控制电容器网络的
充电和放电以改善操作(例如，减小纹波并且提高电压调节器101的效率)。
图6中的比较器652可以操作(例如，作为次要比较器操作)以允许电压调节器101'
在某些事件期间(例如在瞬变事件期间)改善电压调节器101'的操作。比较器652可以是钟
控比较器(例如，继电器式控制PFM比较器)。如图6所示，比较器652可以包括用于接收电压
VFB和电压VREF2(例如，参考电压)和信号CLK的输入端。电压VREF2的值可以小于电压VREF1的值。
在电压调节器101'的操作期间，比较器652可以比较电压VFB和VREF2的值，并基于比
较的结果生成具有值(例如，对应于逻辑0或者1的电平)的信号(比较器输出信号)COMPOUT2。
例如，如果在当信号CLK具有电平150b时的周期150的部分(图2)期间VFB<VREF2(电压VFB的值
小于电压VREF2的值)，则信号COMPOUT2可以具有对应于逻辑1的电平(例如，高)。如果在当信号
CLK具有电平150b时的周期150的部分期间VFB>VREF2(电压VFB的值大于电压VREF2的值)，则信
号COMPOUT2(图6)可以具有对应于逻辑零的电平(例如，低)。
控制器120可以使用信号COMPOUT1和COMPOUT2来基于不同的负载条件控制电路通道
131、132、133和134。例如，对于负载电流的缓慢变化，控制器120可以基于来自比较器151的
信号COMPOUT1启用或停用适当数量的电路通道131、132、133和134。对于负载电流的快速变
化(例如，在瞬变事件期间)，控制器120可以基于来自比较器652的信号COMPOUT2(例如，当信
号COMPOUT2指示VFB<VREF2时)启用所有电路通道131、132、133和134。
图7是示出根据本文所述的一些实施例的控制电压调节器的方法700的流程图。方
法700可以是如上参考图1至图6所述的用于控制器120操作以控制电压调节器101的算法的
一部分。方法700可以由软件、固件、硬件(例如，逻辑电路)或软件、固件和硬件的任何组合
来执行。
方法700可以在活动710(例如在通电时)开始。然后，方法700的活动712可以包括
启用至少一个电路通道(电路通道131、132、133和134中的一个)。这意味着在活动712中可
以仅启用电路通道131、132、133和134(图4)中的一个，多于一个但少于N个电路通道或所有
N个电路通道。方法700的活动714可以包括确定在主比较器(例如，图1中的比较器151)的输
出端的信号(例如，信号COMPOUT1)在时钟信号(例如，图2中的信号CLK)的特定周期期间是否
切换。作为示例，在图2中，信号COMPOUT1在时间T0和T5之间的每个周期150期间切换，在时间
T2和T3之间的周期150期间不切换(例如，跳过切换)。取决于活动714中的确定，方法700可
以调整(例如，增加或减少)启用的电路通道的数量。启用的电路通道的数量可以仅包括一
个启用的电路通道或多个启用的电路通道。
基于活动714，如果主比较器的输出在时钟信号的特定周期期间切换，则方法700
可以继续活动716，活动716可以包括确定启用的电路通道的数量是否等于电路通道的最大
数量(例如，N)(例如，确定是否仍存在要启用的电路通道(例如，处于停用状态的))。如果启
用的电路通道的数量(在活动716中)不等于电路通道的最大数量，则方法700可以继续活动
718，活动718可以包括增加启用的电路通道的当前数量(例如，通过将一个或多个电路通道
置于启用状态)。如果启用的电路通道的数量(在活动716中)等于电路通道的最大数量(例
如，没有更多可用的停用电路通道)，则方法700可跳过活动718并继续进行活动720。
活动720可以包括确定是否VFB<VREF2。例如，活动720可以确定在比较器752(图6)的
输出端的信号COMPOUT2是否具有指示VFB<VREF2的电平(例如，逻辑1)。如果VFB<VREF2，则活动
722可以包括将所有(例如N个)电路通道置于启用状态并返回到活动714。如果VFB<VREF2不为
真(VFB不小于VREF2)，则方法700可以跳过活动722并返回到活动714。
基于活动714，如果主比较器的输出在时钟信号的特定周期期间不切换，则方法
700可以继续活动715，活动715可以包括确定启用的电路通道的数量是否为零(是否仍存在
要停用的电路通道(例如，处于启用状态))。如果(在活动715中确定的)启用的电路通道的
数量不等于零，则方法700可以继续活动717，活动717可以包括减少启用的电路通道的当前
数量(例如，通过停用一个或多个电路通道)。如果(在活动715中确定的)启用的电路通道的
数量等于零，则方法700可以跳过活动717并继续活动720，并且该过程可以继续活动722或
跳过活动722，并到达活动714。方法700可以重复从活动714的过程。
方法700可以包括相对于图7中所示的活动而言更少或更多的活动。例如，方法700
可以包括参考图1至图6的电压调节器101的活动和操作。
图8示出根据本文所述的一些实施例的系统(例如，电子系统)800形式的装置。系
统800可以包括计算机、蜂窝电话或其他电子系统或包括在计算机、蜂窝电话或其他电子系
统中。如图8所示，系统800可以包括电源控制器805、处理器811、存储器设备812、存储器控
制器813、图形控制器814、输入和输出(I/O)控制器815、显示器852、键盘854、定点设备856、
至少一个天线858和总线860。
处理器811、存储器设备812、存储器控制器813、图形控制器814和I/O控制器815中
的每一个可以包括负载，诸如图1的负载103。
处理器811可以包括通用处理器或专用集成电路(ASIC)。处理器811可以包括CPU。
存储器设备812可包括动态随机存取存储器(DRAM)设备、静态随机存取存储器
(SRAM)设备、闪存设备、相变存储器或这些存储器设备的组合或其它类型的存储器。图8示
出了存储器设备812是与处理器811分离的独立存储器设备的示例。在可替换的布置中，存
储器设备812和处理器811可以位于同一IC管芯上。在这个可替换的布置中，存储器设备812
是处理器811中的嵌入式存储器，例如嵌入式DRAM(eDRAM)、嵌入式SRAM(eSRAM)、嵌入式闪
存或另一类型的嵌入式存储器。
显示器852可以包括液晶显示器(LCD)、触摸屏(例如，电容性或电阻性触摸屏)或
另一类型的显示器。定点设备856可以包括鼠标、触控笔或另一类型的定点设备。
I/O控制器815可以包括用于有线或无线通信(例如，通过一个或多个天线858的通
信)的通信模块。这种无线通信可以包括根据WiFi通信技术、高级长期演进(LTE-A)通信技
术或其他通信技术的通信。
电源控制器805可以被布置为从电源841接收电力(例如，电源电压)，电源841可以
提供电压VIN，其可以对应于上面参考图1至图6所述的电压VIN。电源控制器805可以基于电
压VIN提供电压VOUT1、VOUT2、VOUT3、VOUT4和VOUT5。电压VOUT1、VOUT2、VOUT3、VOUT4和VOUT5中的每一个可
以对应于参考图1至图6所述的电压VOUT。可以将电压VOUT1、VOUT2、VOUT3、VOUT4和VOUT5分别提供给
处理器811、存储器设备812、存储器控制器813、图形控制器814和I/O控制器815。
电源控制器805可以包括电压调节器801，以与上面参考图1至图7所述的控制VOUT
类似或相同的方式控制电压VOUT1、VOUT2、VOUT3、VOUT4和VOUT5中的至少一个的值。
图8作为示例示出了彼此分离布置的系统800的组件。例如，处理器811、存储器设
备812、存储器控制器813、图形控制器814和I/O控制器815中的每一个可以位于单独的IC管
芯(例如，半导体管芯或IC芯片)上。在一些布置中，系统800的两个或更多个组件(例如，处
理器811、存储器设备812、图形控制器814和I/O控制器815)可以位于同一管芯(例如，相同
IC芯片)上，形成片上系统。
在一些布置中，系统800不必包括显示器。因此，显示器852可以从系统800中省略。
在一些布置中，系统800不必包括天线。因此，天线858可以从系统800中省略。
上述的电压调节器(例如，电压调节器101和801)和方法(例如，电压调节器的操
作)可以提供对一些常规技术的改进。一些示例性改进可以包括以下。一个示例性改进包括
相对于常规(例如，PFM)技术而言负载电流范围上减小的纹波，在常规技术的情况下，仅控
制频率并且基于比较器输出来切换所有飞跨电容器以调节输出，从而在每次切换事件时造
成大量的电荷转移。这可以在常规技术中引起较大的纹波。另一个示例性改进包括相对于
传统技术而言负载电流范围上较高的效率，在常规技术的情况下，仅基于比较器输出来控
制切换频率并且切换所有开关和所有寄生电容器以调节输出。另一个示例性改进包括相对
于控制开关的电阻的常规模拟控制技术而言减小的面积。另一个示例性改进包括相对于常
规模拟技术而言更高的功率效率，因为本文所述的电压调节器(例如，电压调节器101)是基
于数字的电压调节器。因此，与一些基于模拟的电压调节器不同，电压调节器101可以具有
最小或没有静态功耗。另一个示例性改进包括电路设计中较少的复杂性，因为本文所述的
电压调节器可以数字地合成。另一个示例性改进包括过程独立性，因为本文所述的电压调
节器是基于数字的电压调节器，从而避免了模拟组件。
上述的装置(例如，包括电压调节器101和系统800的装置100)和方法(例如，方法
700和电压调节器101的操作)的图示说明旨在提供对不同实施例的结构的一般理解，并非
旨在提供可能利用本文所述的结构的装置的所有元件和特征的完整说明。
上述装置和方法可以包括高速计算机、通信和信号处理电路、单处理器模块或多
处理器模块、单嵌入式处理器或多嵌入式处理器、多核处理器、消息信息交换器(message
information switch)、以及包括多层或多芯片模块的专用模块，或者包括在其中。这种装
置还可以作为子组件被包括在各种其他装置(例如电子系统)中，所述其他装置诸如电视
机、蜂窝电话、个人计算机(例如，膝上型计算机、台式计算机、手持式计算机等)、平板电脑
(例如、平板计算机)、工作站、无线电设备、视频播放器、音频播放器(例如，MP3(运动图像专
家组，音频层3)播放器)、车辆、医疗设备(例如，心脏监视器、血压监视器等)、机顶盒，等等。
附加注释和示例
示例1包括主题(诸如设备、电子装置(例如，电路，电子系统或两者)或机器)，其包
括：接收输入电压的第一节点；提供输出电压的第二节点；耦合到所述第一节点和第二节点
的电路通道，电路通道中的每一个包括耦合在第一节点和第二节点之间的开关；及控制器，
用于根据基于参考电压的值与由输出电压的值生成的反馈电压的值之间的比较而生成的
比较器输出信号的切换频率来选择性地将所述电路通道中的至少一个电路通道置于启用
状态，以使得所述至少一个电路通道控制所述开关以便调整从电容器网络提供给所述输出
节点的电荷量。
在示例2中，示例1的主题可以可任选地包括，其中，从电容器网络提供给所述输出
节点的电荷量与所述电路通道中的启用的电路通道的数量成比例。
在示例3中，示例2的主题可以可任选地包括，其中，所述电容器网络包括多个电容
器，电路通道中的每一个被配置为控制所述多个电容器中的至少一个电容器的充电和放
电。
在示例4中，示例1的主题可以可任选地包括，其中，所述电容器网络包括单个电容
器，所述单个电容器耦合到电路通道中的每一个的开关。
在示例5中，示例1的主题可以可任选地包括，其中，所述电容器网络包括多个电容
器，所述多个电容器中的每一个耦合到电路通道中的每一个的开关。
在示例6中，示例4的主题可以可任选地包括，其中，所述控制器被配置为基于所述
比较器输出信号的切换频率来控制所述单个电容器与所述第一节点和所述第二节点之间
的有效电阻，以便调整从所述电容器网络提供给所述输出节点的电荷量。
在示例7中，示例1的主题可以可任选地包括，其中，所述控制器被配置为生成多个
控制信号，以基于所述多个控制信号中的不同控制信号将不同的电路通道置于启用状态。
在示例8中，示例1-8中任一项的主题可以可任选地包括，其中，所述电路通道、所
述控制器和所述电容器网络包括在同一集成电路管芯中。
示例9包括主题(诸如设备、电子装置(例如，电路、电子系统或两者)或机器)，其包
括：用于接收输入电压的第一节点；用于提供输出电压的第二节点；耦合到所述第一节点和
所述第二节点的电路通道，所述电路通道中的每一个包括电容器和开关；及控制器，用于基
于来自耦合到所述第二节点的反馈路径的反馈电压的值，选择性地将所述电路通道中的至
少一个电路通道置于启用状态，以使得所述至少一个电路通道将所述至少一个电路通道中
的电容器中的至少一个电容器交替地耦合到所述第一节点和所述第二节点，以便使所述输
出电压的值与所述电路通道中启用的电路通道的数量成比例。
在示例10中，示例9的主题可以可任选地包括，进一步包括比较器，用于将所述反
馈电压的值与参考电压的值进行比较以生成比较器输出信号，其中，所述控制器被配置为
基于所述比较器输出信号的切换频率，选择性地将所述电路通道中的至少一个电路通道置
于启用状态。
在示例11中，示例10的主题可以可任选地包括，其中，所述控制器被配置为基于所
述比较器输出信号的切换频率来调整所述电路通道中的启用的电路通道的数量。
在示例12中，示例10的主题可以可任选地包括，其中，所述控制器被配置为如果在
时钟信号的周期期间所述比较器输出信号跳过从一个电平改变为另一个电平，则调整所述
电路通道中的启用的电路通道的数量。
在示例13中，示例10的主题可以可任选地包括，进一步包括附加比较器，用于将所
述反馈电压的值与附加参考电压的值进行比较以生成附加比较器输出信号，其中，所述控
制器被配置为基于所述附加比较器输出信号的电平将所有电路通道置于启用状态。
在示例14中，示例9的主题可以可任选地包括，其中，所述电路通道中的电路通道
包括输出单元，所述输出单元中的每一个包括包含在所述电路通道的电容器中的电容器，
所述电路通道被配置为如果所述电路通道由所述控制器置于启用状态，则将所述输出单元
中的每一个中的电容器交替耦合到所述第一节点和所述第二节点。
在示例15中，示例14的主题可以可任选地包括，其中，所述电路通道被配置为如果
所述电路通道由所述控制器置于停用状态，则将所述输出单元中的每一个中的电容器与耦
合到所述第二节点的电容器并联耦合。
在示例16中，示例13的主题可以可任选地包括，其中，所述输出单元包括耦合在所
述第一节点和所述电容器的第一极板之间的第一开关，耦合在所述电容器的第二极板和所
述第二节点之间的第二开关，耦合在所述第二节点和所述电容器的第一极板之间的第三开
关，及耦合在所述电容器的第二极板和地之间的第四开关。
在示例17中，示例14的主题可以可任选地包括，其中，所述电路通道中的附加电路
通道包括附加输出单元，所述附加输出单元中的每一个包括包含在所述附加电路通道的电
容器中的电容器，所述附加电路通道被配置为如果所述附加电路通道由所述控制器置于启
用状态，则将附加输出单元中的每一个中的电容器交替耦合到所述第一节点和所述第二节
点。
示例18包括主题(诸如设备、电子装置(例如，电路、电子系统或两者)或机器)，其
包括处理器和耦合到所述处理器的电压调节器，所述电压调节器包括：接收输入电压的第
一节点；提供输出电压的第二节点；耦合到所述第一节点和所述第二节点的电路通道，所述
电路通道中的每一个包括耦合在所述第一节点和所述第二节点之间的开关；及数字控制
器，用于根据基于参考电压的值与由输出电压的值生成的反馈电压的值之间的比较而生成
的比较器输出信号的切换频率来选择性地将所述电路通道中的至少一个电路通道置于启
用状态，以使得所述至少一个电路通道控制所述开关以便调整从电容器网络提供给所述输
出节点的电荷量。
在示例19中，示例18的主题可以可任选地包括，其中，所述数字控制器被配置为基
于所述反馈电压的值来调整所述电路通道中启用的电路通道的数量。
在示例20中，示例18或19的主题可以可任选地包括，进一步包括耦合到所述处理
器的天线和耦合到所述处理器的显示器中的至少一种。
示例21包括主题(例如操作设备、电子装置(例如，电路、电子系统或两者)或机器
的方法)，其包括：比较参考电压和反馈电压的值以生成比较器输出信号，所述反馈电压基
于电压调节器的输出节点处的输出电压生成；将电路通道中的至少一个电路通道置于启用
状态；及基于所述比较器输出信号调整所述电路通道中的启用的电路通道的数量，以便调
整从电容器网络提供给所述输出节点的电荷量。
在示例22中，示例21的主题可以可任选地包括，其中，将电路通道中的至少一个电
路通道置于启用状态包括基于第一控制信号将所述电路通道中的第一电路通道置于启用
状态，及基于第二控制信号将所述电路通道中的第二电路通道置于启用状态。
在示例23中，示例22的主题可以可任选地包括，其中，所述电容器网络包括多个电
容器，所述第一电路通道包括包含在所述多个电容器中的若干个电容器，并且调整从电容
器网络提供给所述输出节点的电荷量包括将所述多个电容器顺序地耦合到所述输入节点，
将所述多个电容器从所述输入节点解耦，及将所述多个电容器顺序地耦合到所述输出节
点。
在示例24中，示例23的主题可以可任选地包括，其中，所述第二电路通道包括包含
在所述多个电容器中的附加的若干个电容器，并且调整从电容器网络提供给所述输出节点
的电荷量包括将所述附加的多个电容器顺序地耦合到所述输入节点，将所述附加的多个电
容器从所述输入节点解耦，及将所述附加的多个电容器顺序地耦合到所述输出节点。
在示例25中，示例21的主题可任选地包括，其中，进一步包括将所述反馈电压的值
与附加参考电压的值进行比较以生成附加比较器输出信号，及基于所述附加比较器输出信
号的电平将所有电路通道置于启用状态。
示例26包括主题(诸如设备、电子装置(例如，电路、电子系统或两者)或机器)，其
包括用于执行权利要求25-28的任何方法的模块。
示例1至示例26的主题可以以任何组合进行组合。
以上说明和附图例示了一些实施例，以使本领域技术人员能够实践本发明的实施
例。其他实施例可以结合结构、逻辑、电、过程和其他改变。实施例仅代表可能的变化。一些
实施例的部分和特征可以包括在其他实施例的部分和特征中，或代替其它实施例的部分和
特征。在阅读和理解以上说明之后，许多其他实施例对于本领域技术人员将是显而易见的。
因此，各种实施例的范围由所附权利要求连同这些权利要求所赋予的等同物的全部范围来
确定。
提供摘要以符合要求摘要的37C.F.R.第1.72(b)节，其允许读者确定本技术公开
内容的性质和要点。依据以下理解而提交摘要：其不用于限制或解释权利要求的范围或含
义。以下权利要求书由此并入具体实施方式部分中，其中每个权利要求独立作为单独的实
施例。