CN111726000A - 开关调节器以及包括开关调节器的电子设备 - Google Patents

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Abstract

提供了一种开关调节器，该开关调节器包括第一转换级和第二转换级。所述第一转换级可以包括连接在第一输出节点与地之间的第一输出电容器，所述第一转换级被配置为接收第一输入电压并通过基于与处理电路的第一负载状况有关的第一动态电压缩放(DVS)率调节输出电压的电平来提供所述输出电压。所述第二转换级可以包括连接在第二输出节点与所述地之间的第二输出电容器，所述第二转换级被配置为接收第二输入电压并通过基于与所述处理电路的第二负载状况有关的第二DVS率调节所述输出电压的所述电平来提供所述输出电压，所述处理电路的所述第二负载状况下的负载比所述处理电路的所述第一负载状况下的负载更重。

Description

开关调节器以及包括开关调节器的电子设备
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年3月21日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请No.10-2019-0032540的优先权，该申请的公开内容通过引用全部并入本文中。
技术领域
本发明构思涉及电源电压的产生，更具体地，涉及开关调节器和/或包括开关调节器的电子设备。
背景技术
可以产生电源电压以向电子组件供电，并且可以改变向电子组件提供的电源电压的电平以降低电子组件的功耗。例如，在用于处理数字信号的处理电路的情况下，当根据工作负载期望相对较低的性能时可以提供较低电平的电源电压，而当期望相对较高的性能时提供较高电平的电源电压。因此，正在研究产生各种电平的电源电压并能够高效使用电力的开关调节器。
发明内容
本发明构思提供了开关调节器和/或包括开关调节器的电子设备，开关调节器通过针对电子组件的每个工作负载改变向电子组件提供的电源电压的动态电压缩放(DVS)率来高效使用电力。
根据本发明构思的示例实施例，一种开关调节器包括：第一转换级，包括连接在第一输出节点与地之间的第一输出电容器，第一转换级被配置为接收第一输入电压并通过基于与处理电路的第一负载状况有关的第一动态电压缩放(DVS)率调节输出电压的电平来提供输出电压；以及第二转换级，包括连接在第二输出节点与地之间的第二输出电容器，第二转换级被配置为接收第二输入电压并通过基于与处理电路的第二负载状况有关的第二DVS率调节输出电压的电平来提供输出电压，处理电路的第二负载状况下的负载比处理电路的第一负载状况下的负载更重。
根据本发明构思的示例实施例，一种开关调节器包括：第一转换级，包括连接在第一输出节点与地之间的第一输出电容器，第一转换级被配置为接收第一输入电压并通过基于第一动态电压缩放(DVS)率调节输出电压的电平来提供输出电压；第二转换级，包括连接在与输出端子相连的第二输出节点与地之间的第二输出电容器，第二转换级被配置为接收第二输入电压并通过基于第二DVS率调节输出电压的电平来提供输出电压；以及第一开关元件，连接在第一输出节点与第二输出节点之间，第一开关元件被配置为选择性地将第一转换级连接到输出端子。
根据本发明构思的示例实施例，一种电子***包括：至少一个处理电路；以及开关调节器，被配置为根据输入电压产生输出电压并向处理电路提供输出电压，开关调节器包括多个转换级，多个转换级中的每个转换级包括一个或多个输出电容器，多个转换级被配置为基于不同的动态电压缩放(DVS)率调节输出电压的电平，并且通过基于处理电路的负载状况选择多个转换级中的至少一个转换级来产生输出电压。
附图说明
根据以下接合附图的具体实施方式，将更清楚地理解本发明构思的示例实施例，在附图中：
图1是示出了根据本发明构思的示例实施例的包括开关调节器的电子设备的框图；
图2A和图2B分别是用于说明在无需考虑图1中的处理电路的负载状况的情况下在向处理电路提供由基于相同的DVS率的转换操作产生的输出电压时的损耗；
图3是根据本发明构思的示例实施例的开关调节器的转换操作的流程图；
图4是示出了根据本发明构思的示例实施例的开关调节器的框图；
图5A和图5B分别是用于说明根据本发明构思的一些示例实施例的开关调节器的操作的示意图；
图6A至图6C分别是用于说明在开关调节器的转换模式下的操作的框图；
图7是示出了根据本发明构思的示例实施例的开关调节器的框图；
图8是示出了根据本发明构思的示例实施例的开关调节器的框图；
图9A和图9B分别是用于说明根据本发明构思的一些示例实施例的开关调节器的操作的示意图；
图10A至图10E分别是用于说明在开关调节器的转换模式下的操作的框图；以及
图11是示出了根据本发明构思的示例实施例的电子***的示意图。
具体实施方式
在本说明书中，开关的“接通”可以指开关的两端彼此电连接的状态，并且开关的“断开”可以指开关的两端彼此电断开的状态。另外，经由接通状态的开关和/或导线电连接的两个或更多个组件可以被称为简单地“连接”，并且始终经由导线等电连接的两个或更多个组件可以被称为“耦接”。
在下文中，将参考附图详细描述本发明构思的示例实施例。
图1是示出了根据本发明构思的示例实施例的包括开关调节器10的电子设备1的框图。开关调节器10可以经由第一输入端子13和第二输入端子14接收第一输入电压VIN1和第二输入电压VIN2并经由输出端子15输出输出电压VO。输出电压VO可以作为其他电子组件(或负载)的电源电压。在下文中，处理电路2被描述为向其提供开关调节器10的输出电压VO的电子组件的示例，但是示例实施例仅是示例，并且示例实施例不限于此。可以向各种电子组件(例如，中央处理单元(CPU)、图形处理单元(GPU)和相机)提供输出电压VO。
如图1所示，开关调节器10可以包括第一转换级11、第二转换级12和模式开关元件SW_MODE。在一些示例实施例中，包括在开关调节器10中的组件可以包括在一个半导体封装中。在一些示例实施例中，开关调节器10可以包括印刷电路板(PCB)，并且开关调节器10的至少两个组件可以作为分离的半导体封装安装在PCB上。此外，模式开关元件SW_MODE可以包括各种半导体元件。
开关调节器10可以指通过接通/断开元件来产生输出电压VO的任何电子电路。作为开关调节器10的示例，DC-DC转换器可以根据第一输入电压VIN1和第二输入电压VIN2(均为DC电压)中的至少一个输入电压来产生输出电压VO(为DC电压)。例如，降压转换器可以产生电平低于第一输入电压VIN1或第二输入电压VIN2的输出电压VO，因此可以被称为降压式转换器。升压转换器可以产生电平高于第一输入电压VIN1或第二输入电压VIN2的输出电压VO，因此可以被称为升压式转换器。降压-升压(或降压式/升压式)转换器可以产生电平低于或高于第一输入电压VIN1或第二输入电压VIN2的输出电压VO。在下文中，在本说明书中参考能够在各种模式下产生输出电压VO的降压-升压DC-DC转换器来描述开关调节器10，但是应当理解，本发明构思的示例实施例可以应用于其他类型的开关调节器10，例如第一输入电压VIN1或第二输入电压VIN2为AC电压的AC-DC转换器。此外，根据示例实施例，第一输入电压VIN1的电平与第二输入电压VIN2的电平可以彼此相同或不同。此外，第二输入电压VIN2的电平可以大于第一输入电压VIN1的电平。
在一些示例实施例中，取决于输出电压VO的目标电平，开关调节器10可以设置为降压模式、降压-升压模式和升压模式中的一个模式。由于开关调节器10支持降压模式、降压-升压模式和升压模式中的至少一个模式，因此输出电压VO的电平可以在宽范围内变化。此外，第一转换级11和第二转换级12中的每一个转换级可以包括各种开关电路(未示出)的配置以支持降压模式、降压-升压模式和升压模式中的至少一个模式。
第一转换级11可以从第一输入端子13接收第一输入电压VIN1并根据第一输入电压VIN1来产生输出电压VO。第一转换级11可以被配置为通过包括第一电感器L1、第一输出电容器CO1和开关电路(未示出)来基于第一DVS率调节输出电压VO的电平。DVS率可以指输出电压VO的电平改变的速度，并且可以被称为DVS灵敏度。换言之，随着DVS率的增加，输出电压VO的电平可以更快地改变。第一电感器L1的电感和第一输出电容器CO1的电容可以被确定为能够基于第一DVS率执行转换操作的值。第一输出电容器CO1可以连接在第一电感器L1的一端与地之间。第一输出电容器CO1和第一电感器L1彼此接触的节点可以被称为第一输出节点N1。第二输出电容器CO2可以连接在第二电感器L2的一端与地之间。第二输出电容器CO2和第二电感器L2彼此接触的节点可以被称为第二输出节点N2。
第二转换级12可以从第二输入端子14接收第二输入电压VIN2并根据第二输入电压VIN2产生输出电压VO。第二转换级12可以被配置为通过包括第二电感器L2、第二输出电容器CO2和开关电路(未示出)来基于第二DVS率调节输出电压VO的电平。第二电感器L2的电感和第二输出电容器CO2的电容可以被确定为能够基于第二DVS率执行转换操作的值。
在示例实施例中，可以根据处理电路2的工作负载状况选择第一转换级11和第二转换级12中的任何一个转换级，并且可以通过选择的转换级产生输出电压VO并经由输出端子15向处理电路2提供输出电压VO。当处理电路2处于轻负载状况下时，可以选择第一转换级11来产生输出电压VO，并且当处理电路2处于重负载状况下时，可以选择第二转换级12来产生输出电压VO。轻负载状况可以是处理电路的工作负载水平小于或等于参考电压电平的状态(或处理电路需要小于或等于参考电压电平的电压的状态)，并且重负载状况可以是处理电路的工作负载水平超过参考电压电平的状态(或处理电路需要超过参考电压电平的电压的状态)。然而，示例实施例仅是示例且示例实施例不限于此。开关调节器10可以选择适合于更多种处理电路的负载状况的转换级并产生输出电压VO。
此外，尽管在图1中仅示出了两个转换级，但是示例实施例仅是示例且示例实施例不限于此。可以包括更多转换级来基于更多DVS率执行转换操作，因此可以在处理电路的各种负载状况下实现高效的功率使用。
图2A和图2B是用于说明在无需考虑图1中的处理电路2的负载状况的情况下在向处理电路2提供由基于相同的DVS率的转换操作产生的输出电压VO时的损耗。
参考图2A，当处理电路2处于轻负载状况下时，在处理电路2中期望的需求电压V需求可以是较低的。因此，即使向处理电路2提供具有对需求电压V需求随时间流逝的变化不敏感的较低程度的DVS率的输出电压VO，也可能出现由此引起的相对较小的功率损耗Loss。
参考图2B，当处理电路2处于重负载状况下时，在处理电路2中期望的需求电压V需求的电平可以是较高的。因此，当需求电压V需求随时间流逝而改变且向处理电路2直接提供具有对该变化不敏感的较低水平的DVS率的输出电压VO时，与图2A中的情况不同，可能出现相对较大的功率损耗Loss。这样的功率损耗Loss可能会使开关调节器的性能劣化并且进一步使电子设备1的性能劣化。
返回参考图1，当处理电路2处于轻负载状况下时，第一转换级11可以在基于相对较低的第一DVS率调节输出电压VO的电平以满足处理电路2的第一期望电压之后向处理电路2提供第一电平的输出电压VO。当处理电路2处于重负载状况下时，第二转换级12可以在基于相对较低的第一DVS率调节输出电压VO的电平以满足处理电路2的第二期望电压之后向处理电路2提供第二电平的输出电压VO。例如，当处理电路2处于轻负载状况下时，开关调节器10可以将第一转换级11连接到第二输出电容器CO2，并且通过使用第一输出电容器CO1和第二输出电容器CO2来调节输出电压VO的电平，并且当处理电路2处于第二负载状况下时，开关调节器10可以通过使用包括在第二转换级12中的第二输出电容器CO2来调节输出电压VO的电平。
例如，第一转换级11的第一电感器L1的电感可以大于第二转换级12的第二电感器L2的电感，并且第一转换级11的第一输出电容器CO1的电容可以大于第二转换级12的第二输出电容器CO2的电容。在图1中，第二转换级12包括一个第二电感器L2。然而，示例实施例不限于此，并且可以应用下面参考图7所述的各种配置。
在示例实施例中，为了通过使用从第一转换级11和第二转换级12中选择的转换级来产生输出电压VO，模式开关元件SW_MODE可以连接在第一转换级11的第一输出节点N1与第二转换级12的第二输出节点N2之间。第二输出节点N2可以连接(或者，耦接)到输出端子15，并且第一输出节点N1可以经由模式开关元件SW_MODE连接(或者，耦接)到输出端子15。因为第一输出电容器CO1的电容大于第二输出电容器CO2的电容，因此与第一输出电容器CO1的电容的影响相比，可以限制第一转换级11的转换操作期间第二输出电容器CO2的电容的影响。在第一转换级11的转换操作中，可以通过模式开关元件SW_MODE选择性地将第一输出电容器CO1与第二转换级12断开连接，因此可以顺利执行相应的转换操作。
在示例实施例中，在处理电路2的轻负载状况下，模式开关元件SW_MODE可以接通，第一输出节点N1可以连接(或者，耦接)到输出端子15，并且第一转换级11可以通过基于第一启用控制信号EN1(图7)和参考电压VREF(图7)执行转换操作向处理电路2提供具有第一DVS率的输出电压VO。在这种情况下，第二转换级12可以处于禁用状态。在下文中，禁用状态可以指第一转换级11和/或第二转换级12与第一输入电压VIN1和/或第二输入电压VIN2断开连接的状态。换言之，禁用状态可以指第一转换级11和/或第二转换级12与第一输入端子13和第二输入端子14断开连接的状态。开关调节器10的通过使用第一转换级11来产生输出电压VO的转换模式可以被称为缓慢模式。
在处理电路2的重负载状况下，模式开关元件SW_MODE可以断开，并且第二转换级12可以通过基于第二启用控制信号EN2(图7)和参考电压VREF执行转换操作向处理电路2提供具有第二DVS率的输出电压VO。在这种情况下，第一转换级11可以处于禁用状态。开关调节器10的通过使用第二转换级12来产生输出电压VO的转换模式可以被称为快速模式。换言之，开关调节器200的缓慢模式的第一速度可以比开关调节器200的快速模式的第二速度更慢。
可以直接从处理电路2接收用于控制第一转换级11、第二转换级12和模式开关元件SW_MODE的信号(EN1、EN2、VREF、和模式控制信号CS_MODE(图7))，或者包括在开关调节器10中的控制器(未示出)可以从处理电路2接收特定信号并基于该特定信号产生信号(EN1、EN2、VREF和CS_MODE)。尽管未在图1中示出，但是可能存在更多的控制信号，所述控制信号被期望用于控制第一转换级11和第二转换级12的转换操作。本领域普通技术人员可以完全理解这样的附加信号，因此省略其详细描述。参考图6A至图6C等来详细描述开关调节器10的根据每个负载状况的操作。
在示例实施例中，当处理电路2的负载状况在开关调节器10向处理电路2提供输出电压VO时改变时，用于产生输出电压VO的转换级可以在过渡时段内从一级过渡到另一级，其中在所述一级与所述另一级之间存在中间瞬态级。在这种情况下，开关调节器100可以启用第一转换级和第二转换级二者，其中第一转换级在负载状况开始改变之前的一定时间段内已产生具有第一电平的输出电压VO，并且第二转换级被配置为根据改变后的负载状况产生具有第二电平的输出电压VO，并在过渡时段期间第一转换级和第二转换级同时产生具有第一电平的输出电压VO和具有第二电平的输出电压VO以执行补充转换操作。参考图5B等来描述该问题的细节。
根据一些示例实施例的开关调节器10可以通过根据诸如处理电路2的电子组件的负载状况或期望电压电平提供具有不同DVS率的输出电压VO来高效利用功率。
图3是根据本发明构思的示例实施例的开关调节器10的转换操作的流程图。
参考图3，可以分析向其提供了开关调节器10的输出电压VO的处理电路2的工作负载(S10)。可以由处理电路2实时分析处理电路2的工作负载，并且估计未来的工作负载。开关调节器10可以根据分析的工作负载选择转换模式(S20)。开关调节器10可以从处理电路2接收关于分析的工作负载的信息并基于该信息选择转换模式，或者可以直接从处理电路2接收与转换模式的选择有关的控制信号并响应于该控制信号而选择转换模式。可以根据开关调节器10的输出电压VO的DVS率定义转换模式。在一些示例实施例中，开关调节器10可以包括多个转换级，其中每个转换级产生具有不同DVS率的输出电压VO，并且多个转换级中的每个转换级可以包括至少一个输出电容器。此后，开关调节器10可以执行基于选择的转换模式的转换操作(S30)。换言之，开关调节器10可以启用转换级，该转换级满足选择的转换模式，并且产生具有适合于处理电路2的工作负载的DVS率的输出电压VO并向处理电路2提供该。
图4是根据本发明构思的示例实施例的开关调节器100的框图。在图4中，已经在假定转换操作由控制器103控制的情况下给出了描述。然而，示例实施例仅是示例且示例实施例不限于此，并且可以应用各种控制示例。
参考图4，开关调节器100可以包括第一开关电路101、第二开关电路102、控制器103、第一电感器L1和第二电感器L2、第一输出电容器CO1和第二输出电容器CO2、以及模式开关元件SW_MODE。包括第一开关电路101、第一电感器L1和第一输出电容器CO1的配置可以对应于图1中的第一转换级11，并且包括第二开关电路102、第二电感器L2和第二输出电容器CO2的配置可以对应于图1中的第二转换级12。
控制器103可以从处理电路(未示出)接收参考电压VREF(未示出)并识别处理电路的工作负载，因此可以选择性地控制第一开关电路101和第二开关电路102中的任何一个开关电路，并且控制适合于处理电路2的工作负载的转换操作。在一些示例实施例中，控制器103可以从处理电路2接收关于工作负载的信息作为单独的信号并可以基于单独的信号控制转换操作。
控制器103可以通过根据与处理电路2的工作负载相对应的转换模式向模式开关元件SW_MODE提供模式控制信号CS_MODE来控制模式开关元件SW_MODE的接通/断开，并且可以基于来自连接到输出端子115的第二输出节点N2的反馈信号FB和参考电压VREF来控制第一开关电路101或第二开关电路102。下面参考图6A至图6C给出其详细描述。
本公开中的控制器103可以包括处理电路，比如包括逻辑电路的硬件或诸如执行软件的处理器的硬件-软件组合。例如，处理电路更具体地可以包括但不限于中央处理单元(CPU)、算术逻辑单元(ALU)、数字信号处理器、微计算机、现场可编程门阵列(FPGA)、片上***(SoC)、可编程逻辑单元、微处理器、专用集成电路(ASIC)等。
软件可以包括计算机程序、代码段、指令或其某种组合，以独立地或共同地指示和/或配置控制器103如期望地操作，从而将控制器转换为专用处理器或专用计算机。软件和数据可以以任何类型的机器、组件、物理或虚拟设备和/或计算机存储介质或器件来永久地或临时地实现。软件也可以分布在网络耦接的计算机***上，使得以分布式的方式存储和执行软件。软件和数据可以由一个或多个计算机可读记录介质来存储。
图5A和图5B分别是用于说明根据一些示例实施例的开关调节器100的操作的示例示意图，并且图6A至图6C分别是用于说明开关调节器100在转换模式下的操作的框图。
参考图5A，开关调节器100可以在与处理电路2的轻负载状况相对应的第一时段Period_1内执行基于缓慢模式MODE_slow的转换操作。换言之，开关调节器100可以产生具有缓慢追踪处理电路2的需求电压V需求的相对较低的DVS率的输出信号VO并向处理电路2提供该输出信号VO。参考图6A来描述开关调节器100在缓慢模式MODE_slow下的转换操作，控制器103可以通过向模式开关元件SW_MODE提供第一模式控制信号CS_MODEa来接通模式开关元件SW_MODE，可以通过向第二开关电路102提供第二控制信号CS2a来禁用第二开关电路102，并且可以通过向第一开关电路101提供第一控制信号CS1a并产生通过第一电感器L1并流向输出端子115的第一传输电流ID1来通过使用第一开关电路101的开关控制向处理电路2提供输出电压VO。
开关调节器100可以在与处理电路2的重负载状况相对应的第二时段Period_2内执行基于快速模式MODE_fast的转换操作。换言之，开关调节器100可以产生具有快速追踪处理电路2的需求电压V需求的相对较高的DVS率的输出信号VO并向处理电路2提供输出信号VO。参考图6B来描述开关调节器100在快速模式MODE_fast下的转换操作，控制器103可以通过向模式开关元件SW_MODE提供第二模式控制信号CS_MODEb来断开模式开关元件SW_MODE，可以通过向第一开关电路101提供第一控制信号CS1b来禁用第一开关电路101，并且可以通过向第二开关电路102提供第二控制信号CS2b并产生通过第二电感器L2并流向输出端子115的第二传输电流ID2来通过使用第二开关电路102的开关控制向处理电路2提供输出电压VO。
此后，开关调节器100可以在与处理电路2的轻负载状况相对应的第三时段Period_3内执行基于缓慢模式MODE_slow的转换操作。
还参考图5B，与图5A中的情况相比，开关调节器100可以在转换模式改变(或备选地，处理电路2的负载状况改变)的特定时间间隔(例如，第四时段Period_4和第五时段Period_5)内在过渡模式下操作，并且可以通过使用多个开关电路(或备选地，通过使用多个转换级)来产生输出电压VO。参考图6C来描述开关调节器100在过渡模式TR下的转换操作，控制器103可以通过向模式开关元件SW_MODE提供第三模式控制信号CS_MODEc来接通模式开关元件SW_MODE，并且可以通过向第一开关电路101提供第一控制信号CS1c、向第二开关电路102提供第二控制信号CS2c并产生分别通过第一电感器L1和第二电感器L2并流向输出端子115的第一传输电流ID1和第二传输电流ID2来分别通过使用第一开关控制电路101和第二开关控制电路102的开关控制向处理电路2提供输出电压VO。开关调节器100可以通过在过渡时段内并行执行第一开关电路101的转换操作和第二开关电路102的转换操作(例如，通过在过渡时段期间执行第一开关电路101(已处于操作中以产生与过渡时段之前的第一负载状况相对应的输出电压VO)的转换操作，直到第二开关电路102通过过渡模式TR启用并稳定地产生与过渡时段之后的第二负载状况相对应的输出电压VO为止)来产生稳定的输出电压VO并向处理电路2提供稳定的输出电压VO。
图7是根据本发明构思的示例实施例的开关调节器200的框图。
参考图7，开关调节器200可以包括第一转换级210、第二转换级220和模式开关元件SW_MODE。第一转换级210的电感器连接配置可以不同于第二转换级220的电感器连接配置。第一转换级210可以从第一输入端子213接收第一输入电压VIN1并根据第一输入电压VIN1来产生输出电压VO。第一转换级210可以包括第一电感器L1、第一输出电容器CO1和开关电路(未示出)，并且可以被配置为基于第一DVS率调节输出电压VO的电平。第一转换级210的配置可以对应于图1中的第一转换级11的配置，并因此省略其详细描述。
第二转换级220可以从第二输入端子214接收第二输入电压VIN2并根据第二输入电压VIN2来产生输出电压VO。第二转换级220可以被配置为通过包括多个第二电感器(L2_1至L2_n)、第二输出电容器CO2'和多个开关电路(未示出)来基于第二DVS率调节输出电压VO的电平。多个第二电感器(L2_1至L2_n)中的每个第二电感器的一端可以共同连接到第二输出节点N2。第二电感器(L2_1至L2_n)可以在第二转换级220中彼此并联连接。此外，第二电感器(L2_1至L2_n)中的每个第二电感器的另一端可以连接到一个开关电路(未示出)。在示例实施例中，第二电感器(L2_1至L2_n)的电感和第二输出电容器CO2’的电容可以被确定为能够基于第二DVS率执行转换操作的值。此外，第二电感器(L2_1至L2_n)可以具有相同或不同的电感，并且第二电感器(L2_1至L2_n)中的每个第二电感器的电感可以小于图1中的第二电感器L2的电感。可以基于相同的方法共同开关控制包括在第二转换级220中的所有开关电路(未示出)，因此通过产生通过第二电感器(L2_1至L2_n)的传输电流向处理电路(未示出)提供输出电压VO。
通过使用第二转换级220的第二电感器(L2_1至L2_n)的连接配置可以增大通过第二输出节点N2的总传输电流的大小。因为与图1中的第二电感器L2相比，第二电感器(L2_1至L2_n)的连接配置在开关调节器200中占据相对较小的面积，所以对开关调节器200内部空间的利用在设计阶段得到改进。
当向其提供了开关调节器200的输出电压VO的特定处理电路(未示出)处于轻负载状况下时，可以选择第一转换级210并可以基于第一启用信号EN1和参考电压VREF产生输出电压VO，并且当特定处理电路(未示出)处于重负载状况时，可以选择第二转换级220并可以基于第二启用信号EN2’和参考电压VREF产生输出电压VO。
图8是根据本发明构思的示例实施例的开关调节器300的框图。
参考图8，开关调节器300可以包括第一转换级310、第二转换级320、第三转换级330、第一模式开关元件SWa_MODE和第二模式开关元件SWb_MODE。与图1中的开关调节器10相比，开关调节器300还可以包括第三转换级300和第二模式开关元件SWb_MODE。在下文中，给出了对与图1中的开关调节器10的配置不同的配置的描述。
第三转换级330可以从第三输入端子315接收第三输入电压VIN3并根据第三输入电压VIN3产生输出电压VO。第三转换级330可以被配置为通过包括第三电感器L3、第三输出电容器CO3和开关电路(未示出)来基于第三DVS率调节输出电压VO的电平。第三电感器L3的电感和第三输出电容器CO3的电容可以被确定为能够基于第三DVS率执行转换操作的值。在示例实施例中，第三输出电容器CO3的电容可以小于第一输出电容器CO1的电容并大于第二输出电容器CO2的电容。此外，第三电感器L3的电感可以小于第一电感器L1的电感并大于第二电感器L2的电感。
第三输出电容器CO3可以连接在第三电感器L3的一端与地之间。第三输出电容器CO3与第三电感器L3彼此接触的节点可以被称为第三输出节点N3。此外，如上所述，第一转换级310可以基于第一DVS率调节输出电压VO的电平，并且第二转换级320可以基于第二DVS率调节输出电压VO的电平。
在示例实施例中，根据向其提供了开关调节器300的输出电压VO的处理电路(未示出)的工作负载状况，可以选择第一转换级310、第二转换级320和第三转换级330中的任何一个转换级，并且可以通过选择的一个或多个转换级产生输出电压VO并经由输出端子316向处理电路(未示出)提供输出电压VO。当处理电路(未示出)处于轻负载状况下时，可以选择第一转换级310来产生输出电压VO。当处理电路(未示出)处于正常(或备选地，中间)负载状况下时，可以选择第三转换级330并可以产生输出电压VO。当处理电路(未示出)处于重负载状况下时，可以选择第二转换级320并可以产生输出电压VO。
在这种情况下，轻负载状况可以指处理电路(未示出)的工作负载水平小于或等于第一参考水平的状态(或者，处理电路(未示出)期望小于或等于第一参考电压电平的电压的状态)，正常(或备选地，中间)负载状况可以指处理电路(未示出)的工作负载水平超过第一参考水平且小于或等于第二参考水平的状态(或者，处理电路(未示出)期望超过第一参考电压电平且小于或等于第二参考电压电平的电压的状态)，并且重负载状况可以指处理电路(未示出)的工作负载水平超过第二参考水平的状态(或者，处理电路(未示出)期望超过第二参考电压电平的电压的状态)。
在示例实施例中，在处理电路(未示出)的正常负载状况下，可以通过第一模式控制信号CSa_MODE和第二模式控制信号CSb_MODE选择第三转换级330并可以基于第三启用控制信号EN3和参考电压V晡产生具有第三DVS率的输出电压VO。下面参考图10A至图10C给出其详细描述。
图9A和图9B分别是用于说明根据本发明构思的一些示例实施例的图8中的开关调节器300的操作的示例示意图，并且图10A至图10E是用于说明开关调节器300在各个转换模式下的操作的框图。
参考图9A，开关调节器300可以在与处理电路(未示出)的轻负载状况相对应的第一时段Period_1内执行基于缓慢模式MODE_slow的转换操作。换言之，开关调节器300可以产生具有缓慢追踪处理电路(未示出)的需求电压V需求的相对较低的第一DVS率的输出信号VO并向处理电路(未示出)提供该输出信号VO。参考用于说明开关调节器300在缓慢模式MODE_slow下的转换操作的图10A，在缓慢模式MODE_slow下，可以通过第一模式控制信号CSa_MODEa接通第一模式开关元件SWa_MODE，并且可以通过第二模式控制信号CSb_MODEa断开第二模式开关元件SWb_MODE。此外，可以通过第一启用控制信号EN1a启用第一转换级310，可以通过第二启用控制信号EN2a禁用第二转换级320，并且可以通过第三启用控制信号EN3a禁用第三转换级330。第一转换级310可以通过基于第一启用控制信号EN1a和参考电压VREF执行转换操作来产生通过第一电感器L1并流向输出端子316的第一传输电流ID1，并且可以向处理电路(未示出)提供输出电压VO。
开关调节器300可以在与处理电路(未示出)的正常负载状况相对应的第二时段Period_2内执行基于正常模式MODE_normal的转换操作。换言之，开关调节器300可以产生具有以中间速度追踪处理电路(未示出)的需求电压V需求的第二DVS率的输出信号VO并向处理电路(未示出)提供该输出信号VO。参考用于说明开关调节器300在正常模式MODE_normal下的转换操作的图10B，在正常模式MODE_normal下，可以通过第一模式控制信号CSa_MODEb断开第一模式开关元件SWa_MODE，并且可以通过第二模式控制信号CSb_MODEb接通第二模式开关元件SWb_MODE。此外，可以通过第一启用控制信号EN1b禁用第一转换级310，可以通过第二启用控制信号EN2b禁用第二转换级320，并且可以通过第三启用控制信号EN3b启用第三转换级330。第三转换级330可以通过基于第三启用控制信号EN3b和参考电压VREF执行转换操作来产生通过第三电感器L3并流向输出端子316的第二传输电流ID2，并且可以向处理电路(未示出)提供输出电压VO。
开关调节器300可以在与处理电路(未示出)的重负载状况相对应的第三时段Period_3内执行基于快速模式MODE_fast的转换操作。换言之，开关调节器300可以产生具有以快速速度追踪处理电路(未示出)的需求电压V需求的相对较高的第三DVS率的输出信号VO并向处理电路(未示出)提供该输出信号VO。参考用于说明开关调节器300在快速模式MODE_fast下的转换操作的图10C，在快速模式MODE_fast下，可以通过第一模式控制信号CSa_MODEc断开第一模式开关元件SWa_MODE，并且可以通过第二模式控制信号CSb_MODEc断开第二模式开关元件SWb_MODE。此外，可以通过第一启用控制信号EN1c禁用第一转换级310，可以通过第二启用控制信号EN2c启用第二转换级320，并且可以通过第三启用控制信号EN3c禁用第三转换级330。第二转换级320可以通过基于第二启用控制信号EN2c和参考电压VREF执行转换操作来产生通过第二电感器L2并流向输出端子316的第三传输电流ID3，并且可以向处理电路(未示出)提供输出电压VO。在示例实施例中，DVS率的大小按降序可以是第三DVS速率、第二DVS率和第一DVS率。
还参考图9B，与图9A的情况相比，开关调节器300可以在包括转换模式改变的时刻(或者，处理电路2的负载状况改变的时刻)在内的特定时间间隔(例如，第四时段Period_4和第五时段Period_5)内分别在第一过渡模式TR1和第二过渡模式TR2下操作，并且可以通过使用多个转换级来产生输出电压VO。
参考用于说明开关调节器300在第一过渡模式TR1下的转换操作的图10D，在第一过渡模式TR1下，可以通过第一模式控制信号CSa_MODEd接通第一模式开关元件SWa_MODE，并且可以通过第二模式控制信号CSb_MODEd接通第二模式开关元件SWb_MODE。此外，可以通过第一启用控制信号EN1d启用第一转换级310，可以通过第二启用控制信号EN2d禁用第二转换级320，并且可以通过第三启用控制信号EN3d启用第三转换级330。第一转换级310和第三转换级330可以通过分别基于第一启用控制信号EN1d和参考电压VREF以及第三启用控制信号EN3d和参考电压VREF同时执行转换操作分别产生通过第一电感器L1和第三电感器L3并流向输出端子316的第一传输电流ID1和第二传输电流ID2，并且可以向处理电路(未示出)提供输出电压VO。开关调节器300可以通过并行执行使用第一转换级310的转换操作直到在开关调节器300的状态从缓慢模式MODE_slow改变为正常模式MODE_normal的第一过渡时段期间通过第三转换级330的转换操作变得稳定为止来产生稳定的输出电压VO。
参考用于说明开关调节器300在第二过渡模式TR2下的转换操作的图10E，在第二过渡模式TR2下，可以通过第一模式控制信号CSa_MODEe断开第一模式开关元件SWa_MODE，并且可以通过第二模式控制信号CSb_MODEe接通第二模式开关元件SWb_MODE。此外，可以通过第一启用控制信号EN1e禁用第一转换级310，可以通过第二启用控制信号EN2e启用第二转换级320，并且可以通过第三启用控制信号EN3e启用第三转换级330。第二转换级320和第三转换级330可以通过分别基于第二启用控制信号EN2e和参考电压VREF以及第三启用控制信号EN3e和参考电压VREF同时执行转换操作分别产生通过第二电感器L2和第三电感器L3并流向输出端子316的第三传输电流ID3和第二传输电流ID2，并且可以向处理电路(未示出)提供输出电压VO。开关调节器300可以通过并行执行使用第三转换级330的转换操作直到在开关调节器330的状态从正常模式MODE_normal改变为快速模式MODE_fast的第二过渡时段期间通过第二转换级320的转换操作变得稳定为止来产生稳定的输出电压VO。
开关调节器300可以在转换模式改变的过渡时段内通过使用多个转换级来执行补充转换操作。因为上面给出的描述应当足以作为该情况的说明，所以省略其任何进一步的详细描述。
图11是示出了根据本发明构思的示例实施例的电子***400的示意图。在一些示例实施例中，电子***400可以包括诸如片上***(SoC)的一个半导体集成电路，并且在一些其他示例实施例中，可以包括印刷电路板和安装在其上的封装。如图11中所示，电子***400可以包括第一功能块410至第四功能块440以及电源管理集成电路(PMIC)450。
第一功能块410至第四功能块440可以基于由从PMIC 450输出的第一电源电压VDD1至第四电源电压VDD4提供的功率来操作。例如，第一功能块410至第四功能块440中的至少一个功能块可以包括用于处理数字信号的数字电路(例如，应用处理器(AP))，或者可以包括用于处理模拟信号的模拟电路。此外，第一功能块410至第四功能块440中的至少一个功能块可以包括用于处理混合信号的电路(例如，模数转换器(ADC))。尽管电子***400在图11中被示为包括四个功能块，但是在一些示例实施例中，电子***400可以包括少于四个的功能块或多于五个的功能块。
PMIC 450可以根据输入电压VIN产生第一电源电压VDD1至第四电源电压VDD4，并且根据电压控制信号C_V改变第一电源电压VDD1至第四电源电压VDD4中的至少一个电源电压的电平。第一功能块410至第四功能块440中的至少一个功能块可以接收电平取决于期望的性能和功耗而动态变化的电源电压。例如，第一功能块410可以包括用于处理图像数据的图像处理器，或者第一功能块410可以在处理包括一系列图像的视频图像时接收高电平的第一电源电压VDD1，或者第一功能块410可以在处理包括单个图像的照片时接收低电平的第一电源电压VDD1。PMIC 450可以接收与由第一功能块410期望的性能和功耗相对应的电压控制信号C_V并可以基于电压控制信号C_V增大或减小第一电源电压VDD1的电平。
PMIC 450可以包括上面参考附图描述的开关调节器，因此可以分别向第一功能块410至第四功能块440提供具有与第一功能块410至第四功能块440的负载状况有关的DVS率的第一电源电压VDD1至第四电源电压VDD4。为了执行这样的操作，PMIC 450的开关调节器可以包括多个转换级，并且多个转换级中的每个转换级可以包括一个或多个输出电容器。例如，图1中所示的开关调节器可以包括在PMIC 450中。
尽管已参考这里公开的示例实施例具体示出和描述了本发明构思，但是应当理解，在不脱离所附权利要求的精神和范围的情况下，可以进行形式和细节上的多种改变。

Claims (24)

1.一种开关调节器，包括：
第一转换级，包括连接在第一输出节点与地之间的第一输出电容器，所述第一转换级被配置为接收第一输入电压并通过基于与处理电路的第一负载状况有关的第一动态电压缩放DVS率调节输出电压的电平来提供所述输出电压；以及
第二转换级，包括连接在第二输出节点与所述地之间的第二输出电容器，所述第二转换级被配置为接收第二输入电压并通过基于与所述处理电路的第二负载状况有关的第二DVS率调节所述输出电压的所述电平来提供所述输出电压，所述处理电路的所述第二负载状况下的负载比所述处理电路的所述第一负载状况下的负载更重。
2.根据权利要求1所述的开关调节器，其中
所述第一输出电容器的第一电容大于所述第二输出电容器的第二电容。
3.根据权利要求1所述的开关调节器，其中
所述第一转换级还包括经由所述第一输出节点连接到所述第一输出电容器的第一电感器，
所述第二转换级还包括经由所述第二输出节点连接到所述第二输出电容器的第二电感器，并且
所述第一电感器的第一电感大于所述第二电感器的第二电感。
4.根据权利要求1所述的开关调节器，其中
当所述处理电路处于所述第一负载状况下时，所述开关调节器被配置为将所述第一转换级连接到所述第二输出电容器，并通过使用所述第一输出电容器和所述第二电容器调节所述输出电压的所述电平，并且
当所述处理电路处于所述第二负载状况下时，所述开关调节器被配置为通过使用包括在所述第二转换级中的所述第二输出电容器来调节所述输出电压的所述电平。
5.根据权利要求1所述的开关调节器，还包括：
输出端子，所述开关调节器通过所述输出端子向所述处理电路提供所述输出电压；以及
开关元件，被配置为将所述第一转换级的所述第一输出节点或所述第二转换级的所述第二输出节点中的至少一个输出节点连接到所述输出端子。
6.根据权利要求1所述的开关调节器，还包括：
输出端子，所述开关调节器通过所述输出端子向所述处理电路提供所述输出电压；以及
开关元件，被配置为在所述输出端子连接到所述第二转换级的所述第二输出节点的同时，选择性地将所述第一转换级的所述第一输出节点连接到所述输出端子。
7.根据权利要求6所述的开关调节器，其中所述开关调节器被配置为基于所述处理电路的具体负载状况接通/断开所述开关元件。
8.根据权利要求6所述的开关调节器，其中
当所述处理电路处于所述第一负载状况下时，所述开关调节器被配置为接通所述开关元件，启用所述第一转换级，并且禁用所述第二转换级，并且
当所述处理电路处于所述第二负载状况下时，所述开关调节器被配置为控制所述开关元件处于断开状态，禁用所述第一转换级，并且启用所述第二转换级。
9.根据权利要求8所述的开关调节器，其中在所述处理电路的负载状况从所述第一负载状况和所述第二负载状况中的一个负载状况改变为所述第一负载状况和所述第二负载状况中的另一个负载状况的过渡时段内，所述开关调节器被配置为接通所述开关元件，并且启用所述第一转换级和所述第二转换级二者以产生所述输出电压。
10.根据权利要求1所述的开关调节器，还包括：
第三转换级，包括连接在第三输出节点与所述地之间的第三输出电容器，所述第三转换级被配置为基于与所述处理电路的第三负载状况有关的第三DVS率调节所述输出电压的所述电平，所述第三负载状况是所述第一负载状况与所述第二负载状况之间的中间负载状况。
11.根据权利要求1所述的开关调节器，其中所述第二转换级还包括连接到所述第二输出节点的多个电感器。
12.根据权利要求1所述的开关调节器，其中所述第一转换级和所述第二转换级被配置为以降压转换操作、降压-升压转换操作或升压转换操作中的任何一个操作来操作。
13.一种开关调节器，包括：
第一转换级，包括连接在第一输出节点与地之间的第一输出电容器，所述第一转换级被配置为接收第一输入电压并通过基于第一动态电压缩放DVS率调节输出电压的电平来提供所述输出电压；
第二转换级，包括连接在与输出端子相连的第二输出节点与所述地之间的第二输出电容器，所述第二转换级被配置为接收第二输入电压并通过基于第二DVS率调节所述输出电压的所述电平来提供所述输出电压；以及
第一开关元件，连接在所述第一输出节点与所述第二输出节点之间，所述第一开关元件被配置为选择性地将所述第一转换级连接到所述输出端子。
14.根据权利要求13所述的开关调节器，其中
所述第二DVS率大于所述第一DVS率，并且
所述第一输出电容器的第一电容大于所述第二输出电容器的第二电容。
15.根据权利要求14所述的开关调节器，其中
当所述开关调节器在第一模式下操作时，所述开关调节器被配置为接通所述第一开关元件并将所述第一输出节点连接到所述输出端子，从而由所述第一转换级控制所述输出电压的所述电平；并且
当所述开关调节器在第二模式下操作时，所述开关调节器被配置为断开所述第一开关元件，从而由所述第二转换级控制所述输出电压的所述电平，所述开关调节器的所述第一模式的第一速度比所述开关调节器所述第二模式的第二速度更慢。
16.根据权利要求15所述的开关调节器，其中
当所述开关调节器在所述第一模式下操作时，所述开关调节器被配置为启用所述第一转换级并禁用所述第二转换级，并且
当所述开关调节器在所述第二模式下操作时，所述开关调节器被配置为禁用所述第一转换级并启用所述第二转换级。
17.根据权利要求15所述的开关调节器，其中在所述开关调节器从所述第一模式改变为所述第二模式或从所述第二模式改变为所述第一模式的过渡时段内，所述开关调节器被配置为接通所述第一开关元件并通过使用所述第一转换级和所述第二转换级来调节所述输出电压的所述电平。
18.根据权利要求13所述的开关调节器，还包括：
第三转换级，包括连接在第三输出节点与所述地之间的第三输出电容器，所述第三转换级被配置为基于第三DVS率调节所述输出电压的所述电平；以及
第二开关元件，连接在所述第二输出节点与所述第三输出节点之间，所述第二开关元件被配置为选择性地将所述第三转换级连接到所述输出端子。
19.根据权利要求13所述的开关调节器，其中所述第二转换级还包括并联连接到所述第二输出节点的多个电感器。
20.根据权利要求13所述的开关调节器，还包括：
控制器，被配置为通过以下方式控制转换操作：根据向其提供了所述输出电压的处理电路的具体负载状况来选择所述第一转换级和所述第二转换级中的至少一个转换级。
21.一种电子***，包括：
至少一个处理电路；以及
开关调节器，被配置为根据输入电压产生输出电压并向所述处理电路提供所述输出电压，所述开关调节器包括多个转换级，所述多个转换级中的每一个转换级包括一个或多个输出电容器，所述多个转换级被配置为基于不同的动态电压缩放DVS率调节所述输出电压的电平，并且通过基于所述处理电路的负载状况选择所述多个转换级中的至少一个转换级来产生所述输出电压。
22.根据权利要求21所述的电子***，其中所述开关调节器被配置为从所述处理电路接收与所述负载状况有关的控制信号并基于所述控制信号产生所述输出电压。
23.根据权利要求21所述的电子***，其中所述多个转换级还分别包括具有不同电感的电感器。
24.根据权利要求21所述的电子***，其中所述开关调节器被配置为同时选择所述多个转换级中的至少两个转换级并在所述处理电路的所述负载状况改变的过渡时段内产生所述输出电压。
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