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TW201251291A - Dual-stage power conversion - Google Patents

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TW201251291A
TW201251291A TW100147199A TW100147199A TW201251291A TW 201251291 A TW201251291 A TW 201251291A TW 100147199 A TW100147199 A TW 100147199A TW 100147199 A TW100147199 A TW 100147199A TW 201251291 A TW201251291 A TW 201251291A
Authority
TW
Taiwan
Prior art keywords
voltage
circuit
converter
stage
frequency
Prior art date
Application number
TW100147199A
Other languages
English (en)
Inventor
Francesco Carobolante
Aleksandar Prodic
Original Assignee
Qualcomm Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Qualcomm Inc filed Critical Qualcomm Inc
Publication of TW201251291A publication Critical patent/TW201251291A/zh

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Description

201251291 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體上係關於功率轉換，且更具體言之係關於藉 由雙級轉換器進行之功率轉換。 . 【先前技術】 . 各種功率轉換器在此項技術中係已知的且用於當前在市 場中的許多應用中。一種類型之功率轉換器之一般實例為 圖1之習知降壓式轉換器1〇〇。降壓式轉換器1〇〇為（諸如）可 用以減小來自蓄電池之電壓且將DC電壓供應至電子組件 的直流電（DC)-DC轉換器。 降壓式轉換器1〇〇包括藉由控制電路1〇6控制之電晶體 102、104。降壓式轉換器亦包括二極體1〇8、電容器112及 電感器110。負載120接收降壓式轉換器1〇〇之輸出電壓。 控制電路106使作用時間循環變化，在該等作用時間循環 下電晶體102 ' 104接通以交替地將電感器11〇與電源電壓 (Vin)連接及斷開連接。在電感器} 1〇儲存能量及釋放能量 時，電感器11 〇生成稍小於電源電壓之輸出電壓（v〇ut)。 習知功率轉換器之另一實例展示於圖2中。功率轉換器 2〇〇包括使至兩個單獨電容器211、221之路徑完整的開關 • 210、220。功率轉換器200生成兩個輸出電壓（〜州及 V〇Ut2)且向兩個不同負載212、222供電。在一些實施中， 輸出電壓為不同的。 此等功率轉換器用於廣泛種類之消費型裝置（諸如，蜂 巢式電話及膝上型電腦）中。DC-DC功率轉換器之實例用 I61059.doc 201251291 途為將來自蓄電池之電壓減少至用於處理器裝置之電壓。 需要快速暫態回應以便跟上高效能處理器核心之即時功率 消耗。此外，快速暫態回應可幫助在使用快速動態電壓按 比例調整時有效地提供快速安定。因此，需要在與數位核 心配對之DC-DC轉換器中使用極高頻率。亦需要限制被動 組件之大小以使得其可放置成靠近於負載。 然而，在使用自蓄電池電壓之直接轉換時，金屬氧化物 半導體（MOS)電晶體之必要電壓額定值可強制使用在高頻 率下極有損耗之電晶體《另一方面，在低頻率下之操作涉 及使用佔據大量板空間之龐大的電感器及電容器（尤其是 在使用多電壓域時）。 【發明内容】 根據一實施例，揭示一種將一輸入電壓轉換成一輸出電 壓之電路。該電路包括接收該輸入電壓且轉換該輸入電壓 之一第一級電壓轉換器。該第一級電壓轉換器具有—雙軌 條輸出：在一高中間電壓下之一第一軌條及在一低中間電 壓下之一第二軌條。該電路亦包括接收該雙軌條輸出且生 成該輪出電壓之一第二級電壓轉換器。 根據另一實施例，揭示一種用於將一輸入電壓轉換成一 輪出電壓之方法。該方法包括在一第一級電壓轉換器處接 收該輪入電壓。該第一級電壓轉換器包括一雙軌條輸出。 該方法亦包括在一第一執條處供應一高中間電壓且在一第 二軌條處供應一低t間電壓，在一第二級電壓轉換器處接 收該高中間電壓及該低中間電壓，及在該第二級電壓轉換 161059.doc 201251291 器處自該高中間電壓及該低中間電壓生成該輸出電壓。 根據又一實施例，揭示一種將一輸入電壓轉換成一輸出 電壓之電路。該電路具有用於自該輸入電壓產生第一中間 電Μ及第二中間電壓之構件，該產生構件包含一第一降麼 式轉換器。該產生構件包含一雙軌條輸出。該電路亦具有 用於自該第一中間電壓及該第二中間電壓生成該輸出電壓 之構件。 前文已相當廣泛地概述了本發明之特徵及技術優勢以便 可較好地理解以下之[實施方式]。下文將描述形成本發明 之申請專利範圍之標的物的額外特徵及優勢。熟習此項技 術者應瞭解，所揭示之概念及特定實施例可容易用作用於 修改或設計用於進行本發明之相同目的之其他結構的基 礎。熟習此項技術者亦應認識到，此等等效構造並不脫離 如在隨附申請專利範圍中所闡述之本發明之技術。當結合 附圖考慮時，自以下描述將較好地理解咸信為本發明所特 有之新穎特徵（關於其組織及操作方法兩者）以及其他目的 及優勢。然而，應明確理解，該等圖中之每一者僅為了說 明及描述目的而加以提供，且不意欲界定本發明之限制。 【實施方式】 為達成對本發明之較全面理解’現參考結合附圖進行之 以下描述。 各種實施例提供一雙級功率轉換器電路，其具有提供蓄 電池介面及對高於及低於目標電壓之兩個中間電壓之高效 率、粗略調節的第一級。 第二級提供高效能調節且在一些 161059.doc 201251291 例子中可與負載（諸如，處理器或晶片封裝）整合或共封 裝。 圖3展示可有利地採用本發明之實施例之例示性無線通 信系統300。為了說明之目的，圖3展示三個遠端單元 320、330及340 ’以及兩個基地台350及360。應認識到’ 無線通信系統可具有更多遠端單元及基地台。遠端單元 320 ' 330及340分別包括經改良之半導體晶粒封裝325A、 325B及325C，該等經改良之半導體晶粒封裝實施下文進 一步論述之實施例。圖3展示自基地台350及360至遠端單 疋320、330及3 40之前向鏈路信號380，及自遠端單元 320、330及340至基地台350及360之反向鍵路信號390。 在圖3中，將遠端單元320展示為行動電話，將遠端單元 330展示為攜帶型電腦，且將遠端單元34〇展示為無線區域 迴路系統中之電腦。舉例而言，遠端單元可為行動電話、 手持型個人通信系統（PCS)單元、諸如個人資料助理之攜 帶型資料單元 '具有GPS能力之裝置、導航裝置、機上 盒、諸如音樂播放器、視訊播放器之媒體播放器及娛樂單 元、諸如儀錶讀取設備之固定位置資料單元、或儲存或擷 取資料或電腦指令之任何其他裝置，或其任意組合。雖然 圖3根據本發明之教示說明遠端單元，但本發明不限於此 等例示性所說明單元。本發明可適合用於包功率 轉換器之任何裝置中，而不管是否用在無線通信系統申。 圖4為根據一實施例調適之例示性功率轉換器*卯之說 明。功率轉換器400包括兩個級410、420。筮 ° 乐—級41 〇自電 161059.doc 201251291 壓源401接收輸入DC電壓（Vbatt)且輸出兩個中間電麼 Vintl、Vint2。第一級410可包括具有控制電路411、電晶 體412、413、電感器415及電容器414之降壓式轉換器。控 制電路411控制作用時間循環，在該等作用時間循環下電 晶體412、413接通以生成中間電壓vintl、Vint2。在此實 例中’控制電路411在1 MHz下操作，但實施例之範嘴不限 於此，此係因為控制電路411可在任何可實施的頻率下操 作。控制電路411為對照一基準來量測vjnti以將vinti保持 於所要範圍内之回饋迴路之一部分。開關控制電路416為 包括控制電路411之回饋迴路之一部分，且其比較Vinti與 Vint2。基於該比較，開關控制電路4丨6控制電晶體4丨7、 41 8之作用時間循環，以便控制vintl與Vint2之間的電壓 差。 在此實例實施例中，中間電壓Vintl、Vint2不同於接 地，且替代地為藉由第一級41〇中之降壓式轉換器之操作 而生成的浮動電壓。自第二級420之觀點來看，中間電壓 Vintl、Vint2以彼此為基準而非以接地為基準。另外，在 此實例中’中間電壓Vintl、vint2可具有小於輸出電壓 Vout之差。換言之，VintI減去Vint2之絕對值小於v_之絕 對值。 第二級420接收中間電壓vinU、vint2且使用另一降壓式 轉換器結構生成輸出電壓v〇ut。第二級42〇包括電晶體 421、422、電感器423、電容器424及控制電路425。電感 器423根據電晶體421、422之操作而交替地接收中間電壓 161059.doc 201251291
Vintl、Vint2中之每一者。控制電路425基於輸出電壓v〇ut 與基準之比較而控制作用時間循環，在該等作用時間循環 下電晶體421、422接通以將輸出電壓Vout保持於所要範圍 内。 在此實例中，控制電路425可包括在1〇〇 MHz下操作之 降壓式轉換器’但實施例之範疇不限於此。在各種實施例 中，控制電路425在遠高於（例如，為一百倍或一百倍以上） 第一級41 0之控制電路411之操作頻率的頻率下操作。因 此，圖4之功率轉換器電路包括將高輸入電壓轉換成兩個 較低中間電壓之第一低頻級410及將中間電壓轉換成輸出 電壓之高頻第二級。 應注意’電感器423所曝露至的電壓小於電感器415所曝 露至的電壓。施加至電感器41 5之電壓橫跨Vbatt至接地之 範圍，而施加至電感器423之電壓限於Vintl與Vint2之間的 差。在一些例子中’電感器41 5上之電壓可為電感器423上 之電壓的兩倍或兩倍以上。又，電晶體412、413上之電壓 可為電晶體417' 418、421、422上之電壓的兩倍或兩倍以 上。 對於降壓式轉換器，電感器之大小可隨電感器所曝露至 的電磨減小且隨操作頻率增加而減小。在一態樣中，一般 而言’較低電壓允許使用較小電感器。在另一態樣中，施 加至電晶體421、422及電感器432之較佟電壓允許使用較 低電壓半導體裝置，因此允許進行較高頻率操作（其中一 般而言’較高頻率允許使用較小電感器）。此等關係在功 161059.doc 201251291 率轉換器400中適用。舉例而言’在一實例中，功率轉換 器400接收3.6 V之電源電壓Vbatt且將該電壓轉換成在輸出 電麼Vout處之1.8 V。在此實例中，電感器415可為約4 7 μΗ ’而電感器423可為約10 nH或10 nH以下。此外，在較 南頻率下使用較小電感亦可允許使用較小電容器。舉例 而言，在一些實例中，電容器414及419可為約5 ，且電 容器424可為約3〇 nF(但實施例之範疇不限於此）。 如上文所解釋，第二級420在相對高之頻率下對經粗略 調整之中間電壓操作’其中中間電壓之間的差可小於輸出 電壓。結果，第二級可包括可在一些例子中適合於整合於 半導體晶片中或與半導體晶片共封裝的相對小之電感器、 電晶體及電容器。在圖4至圖8中展示晶片封裝應用中之功 率轉換器400之實例組態。 圖5為根據實施例之封裝有DC_dc轉換器之例示性電路 5〇〇的說明《電路500包括使用焊球（焊球521為其一實例）安 裝於電路板520上之晶片封裝510»晶片封裝51〇包括與基 板5 1 7電連通之多核心處理器5丨丨。基板5丨7使用通孔（通孔 5 1 6為其一實例）與電路板520及多核心處理器5 11連通。 電容器512、514、電感器515(在此實例中展示為導線跡 線）及100 MHz DC-DC控制器513在基板517内。電容器 512、514為第二DC-DC轉換級之部分。雖然未展示於本文 中’但應理解’第一 DC-DC轉換級可包括在晶片封裝5 1 〇 外部的更大電容器。1 MHz DC-DC控制器502及電感器504 亦為第一 DC-DC轉換級之部分。 161059.doc 201251291 在此實施例中，t《器504為安裝至電路板54〇之一離散 組件。相比而言，電容器512、514為整合式裝置。晶片封 裝510使用20 μιη至30 μπι之銅跡線，且處理器511使用65 。V之單-氧化物製程。可用高導磁合金及銅層將電感 器515製造於半導體材料（例如，矽）上，但可替代性地將其 實施於一互連層中。 在此實例中，將使中間電壓以步進方式下降至處理器 5U之電壓的整個第二級安置於基板517中。在其他實施例 中，可將第二級之全部或部分（例如，DC_DC控制器Η])實 施於處理器511内。因為在第二級之輸入處所見的較低電 壓及控制器513之高頻率，所以此整合為可能的。 電路500為說明性的，且實施例之範疇不限於電路5〇〇。 舉例而言，各種實施例可使用除電路板及焊球之外的技 術，而仍可根據本文中所揭示之概念來調適。此外，不同 之電感、電容及頻率值可用於本文中之實施例中之任一 者。 圖6為根據實施例之例示性晶片封裝6〇〇之說明。晶片封 裝000可以與晶片封裝510與〇(：_〇(：轉換之第一級連通的方 式相同之方式來與DC-DC轉換之第一級連通。舉例而言， 可將晶片封裝600連同其他DC-DC轉換組件一起安裝至電 路板。 提供晶片封裝600以展示可實施具有多個輸出之各種實 施例。舉例而言，晶片封裝6〇〇包括四組第二級dc_dc轉 換電路 610、620、630、640。每一組電路 61〇、620、 161059.doc -10 - 201251291 630、640包括可與圖4中之電晶體们至電晶體以相當的四 個電晶體。 圖7為根據一實施例調適之例示性方法7〇〇之說明。舉例 而s，可藉由接收輸入電壓且生成輸出電壓之雙級功率轉換 器（諸如，圖4中所展示之雙級功率轉換器）來執行方法7〇〇。 在區塊701中，在第一級電壓轉換器處接收輸入電壓。 第一級電壓轉換器包括具有雙軌條輸出之第一降壓式轉換 器。在-實施例中，第一級轉換器為低頻電壓轉換器。 在區塊702中，在第一軌條處供應高中間電壓，且在第 二軌條處供應低中間電壓。在一些實施例中，冑中間電麼 與低中間電壓之間的差小於輸出電塵。 在區塊703中’在第二級電壓轉換器處接收高中間電壓 及低中間電Μ。在—實例中，第二級電1轉換器為高頻電 壓轉換器。 在區塊704中’在第二級電壓轉換器處自高中間電壓及 低中間電慶生成輸出電虔。在一些實施例中，第二級電塵 轉換器將電力供應至高效能負載（諸如，半導體晶片或晶 ㈣)。在此等實施例中’可有可能將第二級電墨轉換 器之至少部分實施於負載内。 、 省：施範疇不限於圓7之實例。各種實施例可添加、 七略、重新配置或修改方法辦之動作。舉例而言，一 些實施例可包括多個坌_ Μ兩γ 第一級電壓轉換器，該等第- 每-者提供_輪出電壓。在另 入電邀波動且負載之功率消耗改變時連續地操作。，在輸 161059.doc 201251291 所揭不之實施之先前描述以使任何孰習此項 技術者能夠進行或使用太篠明 ^ $此項 ▲ 了^使用本發明。對於熟習此項技術者而 二等實施之各種修改將易於顯而易i，且在不脫離 精神或範_的情況下，本文中定義之-般原理可 應用於其他實施。因此，本發明並不意欲限於本文中所展 示之特徵，而應符合盥太中 _ 付口…不文中所揭不之原理及新穎特徵相 一致之最廣範嘴。 儘管已詳細地描述本發明及其優點，但應理解，在不脫 離如由隨时請專利範圍所界定的本發明之技術的情況 I，可在本文中進行各種改變、替代及變更。此外，本申 請案之範疇不意欲限於本說明書中描述之製程、機器、製 品、物質組成、手段、方法及步驟之特定實施例。如一般 裏、S此項技術者自本發明將易於瞭解，可根據本發明利用 執行與本文中所描述之對應實施例實質上相同之功能或達 成與該等對應實施例實質上相同之結果的當前現有或稍後 待開發的製程、機器、製品、物質組成、手段、方法或步 驟。因此，隨附申請專利範圍意欲在其範疇内包括此等製 程'機器、製品'物質組成、手段、方法或步驟。 【圖式簡單說明】 圖1為一種類型之習知功率轉換器之__般實例。 圖2為習知功率轉換器之另一實例。 圖3展示可有利地使用本發明之實施例的例示性無線通 Ίέ系統。 圖4為根據一實施例調適之例示性功率轉換器之說明。 161059.doc -12· 201251291 為根據實施例之封裝有DC-DC轉換器之例示性電路 圖5 的說明 圖6為根據實施例之例示性晶片封裝之說明。 圖7為根據一實施例調適之例示性方法之說明。 【主要元件符號說明】 100 降壓式轉換器 102 電晶體 104 電晶體 106 控制電路 108 二極體 110 電感器 112 電容器 120 負載 200 功率轉換器 210 開關 211 電容器 212 負載 220 開關 221 電容器 222 負栽 300 無線通信系統 320 遠端單元 325A 325B 經改良之半導體晶粒封裝 經改良之半導體晶粒封裝 161059.doc •13· 201251291 325C 經改良之半導體晶粒封裝 330 遠端單元 340 遠端單元 350 基地台 360 基地台 380 前向鏈路信號 390 反向鏈路信號 400 功率轉換器 401 電壓源 410 第一低頻級 411 控制電路 412 電晶體 413 電晶體 414 電容器 415 電感器 416 開關控制電路 417 電晶體 418 電晶體 419 電容器 420 第二級 421 電晶體 422 電晶體 423 電感器 424 電容器 161059.doc • 14- 201251291 425 控制電路 500 電路 502 IMHzDC-DC控制器 504 電感器 510 晶片封裝 511 多核心處理器 512 電容器 514 電容器 515 電感器 516 通孔 517 基板 520 電路板 521 焊球 600 晶片封裝 610 第二級DC-DC轉換電路 513 100 MHz DC-DC控制器 620 第二級DC-DC轉換電路 630 第二級DC-DC轉換電路 640 第二級DC-DC轉換電路 700 方法 T1 電晶體 T2 電晶體 T3 電晶體 T4 電晶體 -15· 161059.doc

Claims (1)

  1. 201251291 七、申請專利範園： 1· 一種將一輸入電壓糙姑+ ^ ^ 含： 轉換成一輸出電壓之電路，該電路包 入器，其接收該輸入電壓且轉換該輸 高中間電換器包含一雙軌條輸出:在-二執條丨及 r < 第 輪:::級電*轉換器’其接收該雙軌條輪“生成該 2.如請求項1之雷 一晚^·、，電路，其中該第一級電壓轉換器包含一第 式轉換ί轉換器且該第二級電壓轉換器包含—第二降壓 3·如請求項1之雷故 ^ /、中該尚中間電壓與該低中間電壓 之間的-差小於該輪出電壓。 4. 如請求項1 地為基準。 ’其中該第二級之-電壓輸入不以接 5. 如請求項1之雷 & ，其中該第二級電壓轉換器與利用該 輸出電堡之一負载整合至一半導體晶粒中。 6 ·如凊求項1 頻率下接 其中該第一'級電壓轉換器在一第一 率”作且其中該第二級電壓轉換器在高於該第一頻 —第二頻率下操作。 7.如請求項恭a — 路，其中該第一頻率小於該第二頻率的 白分之一。 8 ·如請求箱, 之電路，其併入至一裝置中，該裝置係選自 16J059.doc 201251291 由以下各者組成之一群：一音樂播放器、一視訊播放 器、-娛樂單元、一導航裝置、—通信裝置、一個人數 位助理（PDA)、-固定位置資料單元，及一電腦。 月求項1之電路，其中該電路經整合至一半導體晶粒 中。 10. -種用於將一輸入電壓轉換成一輸出電壓之方法，該方 法包含： 在一第一級電壓轉換器處接收該輸入電壓，該第一級 電壓轉換器包含一雙軌條輸出； 在一第一轨條處供應-高中間電堡且在-第二軌條處 供應一低中間電壓； ::第二級電愚轉換器處接收該高中間電壓及該低中 間電壓；及 電電壓轉換器處自該高中間電壓及該低中間 電壓生成該輸出電壓。 11. 如請求項10之方法，其中該 之間0 °間電壓與該低中間電壓 之間的—差小於該輸出電壓。 12. 如請求項1〇之方法，其 頻率下操# i 1 + '、 μ 級電壓轉換器在一第一 用千卜梯作且其中該第二級 率之-第二頻率下操作。 “在高於該第-頻 13. 如明求項12之方法，其中該第 一百分之一。 平小於該第二頻率的 14 ·如清求項1 〇夕士 項0之方法’其中該方法係 連續地執行 隨該輪 入電壓波動而 161059.doc 201251291 15· —種將一輸入電壓轉換成一輸出電壓之電路，該電路包 含： 用於自該輸入電壓產生第一及第二中間電壓之構件；及 用於自高中間電壓及低中間電壓生成該輸出電壓之構 件0 16. 如請求項15之電路，其中該第一 電壓之間的一差小於該輸出電壓 17. 如請求項15之電路’其中該產生構件在一第一頻率下操 作且其中該生成構件在高於該第—頻率之—第下 操作。 千卜 18·如請求項17之電路，其中 一百分之一。 市领手小於該第二頻率的 19.如請求項15之電路，其 装置中，該裝置係撰白 由以下各者組成之一群：一 係選自 句樂播放器、一視訊播 器、一娛樂單元、一導航穿 播放 航褒置、一通信裝置、一 位助理（PDA)、一固定位置資 數 20.如請求項15之電路，其中，雷早’，及-電腦。 中。 其中該電路經整合至一半導體晶粒 I61059.doc
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