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KR102320320B1 - 전하 밸런싱된 전하 펌프 제어 - Google Patents

전하 밸런싱된 전하 펌프 제어 Download PDF

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KR102320320B1
KR102320320B1 KR1020167028477A KR20167028477A KR102320320B1 KR 102320320 B1 KR102320320 B1 KR 102320320B1 KR 1020167028477 A KR1020167028477 A KR 1020167028477A KR 20167028477 A KR20167028477 A KR 20167028477A KR 102320320 B1 KR102320320 B1 KR 102320320B1
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KR
South Korea
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charge pump
circuit
switch elements
regulator circuit
states
Prior art date
Application number
KR1020167028477A
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English (en)
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KR20160132973A (ko
Inventor
아이첸 로우
그레고리 슈체친스키
데이비드 줄리아노
Original Assignee
아크틱 샌드 테크놀로지스, 인크.
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.)
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Publication date
Application filed by 아크틱 샌드 테크놀로지스, 인크. filed Critical 아크틱 샌드 테크놀로지스, 인크.
Priority to KR1020217034878A priority Critical patent/KR102464220B1/ko
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Abstract

스위치 엘리먼트들의 제 1 세트 및 제 2 세트, 그리고 제어기를 포함하는 전하 펌프를 형성하기 위해 커패시터들에 커플링하기 위한 장치가 개시된다. 제 1 세트 내의 스위치들은 그들 사이의 전하 이동을 허용하기 위해 커패시터들의 터미널들을 커플링한다. 제 2 세트 내의 스위치들은 상기 커패시터들의 적어도 일부의 터미널들을 고 전압 또는 저 전압 터미널 중 어느 하나로 커플링한다. 제어기는 상기 스위치들로 하여금 상태들의 시퀀스에 걸쳐서 순환하도록 하며, 각 상태는 스위치 엘리먼트들의 대응하는 구성을 정의한다. 상기 상태들 중 적어도 셋은 제 1 커패시터 및 제 2 커패시터 사이, 또는 제 1 커패시터 및 상기 터미널들 중 하나 사이 중 어느 하나의 전하 이동을 허용하는 상이한 구성들을 정의한다. 상기 구성된 상태들의 순환은 2 개의 터미널들 사이의 전압 변환을 야기한다.

Description

전하 밸런싱된 전하 펌프 제어{CHARGE BALANCED CHARGE PUMP CONTROL}
본 출원은 미국 가출원 US 61/953,270 의 2014년 3월 14일 자 우선일의 이익을 주장하고, 상기 가출원의 내용은 참조로서 본 출원에 통합된다.
본 발명은 전하를 밸런싱하기 위한 전하 펌프의 제어에 대한 것이다.
2012년 11월 8일 공개되고 참조로서 본 출원에 통합된 국제 공개특허공보 WO 2012/151466 은 소스 및/또는 부하가 조정/조정기 (regulating/regulator) 회로들을 포함하는 스위칭된 커패시터 컨버터들로도 알려진, 전하 펌프들의 구성 (configuration) 들을 개시한다. 일부 예들에서, 부하는 전하 펌프의 "단열 (adiabatic)" 동작으로서 참조되는 실시예에서 정전압 (constant voltage) 을 표시하기 보다는 전류원 (current source) 및/또는 부하를 효율적으로 포함한다. 스위치 모드 전력 컨버터들과 같은 조정/조정기 회로들은 전류 부하들/소스들로서 행동한다. 따라서, 전류 부하들/소스들 및 조정/조정기 회로들은 본 개시의 목적을 위해 상호 대체 가능하다.
전류 기반의 부하 (및/또는 소스) 가 전적으로 또는 대안적으로 전압 기반의 부하 (및/또는 소스) 와 비교할 때 효율성을 증가시킬 수 있음에도, 예를 들어, 전하 펌프 내의 전하들의 재분배에 기인한 내부 에너지 손실들이 남아있을 수 있다.
전하 펌프와 함께 전류 기반 부하 (및/또는 소스) 를 사용하는 것의 하나의 효과는 전압 기반 부하들 및/또는 소스들과 함께 사용된 종래의 스위칭 시간이, 예를 들어, 전하 펌프 내의 구성들 간의 스위칭 직후의 전하 재분배에 기인한 효율성의 손실을 야기할 수 있는, 커패시터들에 걸친 전하의 불균형을 야기하는 상황들이 존재할 수 있다는 것이다.
일반적으로, 일 측면에 따르면, 단열 전하 이동 (adiabatic charge transfer) 을 사용하는 전하 펌프의 효율성을 향상시키기 위한 접근은 3 이상의 상태들을 사용하고, 각각의 상태는 커패시터들을 서로, 및/또는 전하 펌프의 입력 및 출력 터미널들에 커플링하는 스위치들의 구성에 대응한다. 커패시터들로, 또는 커패시터들로부터 전하가 이동되는 2 이상의 상태들의 적절한 시퀀스를 도입하고, 이러한 상태들이 전하 펌프의 각 동작 순환 (cycle) 내에서 점유하는 기간을 선택하는 것에 의해, 각 커패시터의 내부 및 외부의 전하 이동은 동작 순환에 걸쳐 밸런싱되고, 따라서 상태 전이들에서의 전하 재분배 및 이와 관련된 비효율성을 야기하는 전력 손실들을 방지하거나 매우 감소시킨다.
일 측면에 따르면, 본 발명은 전하 펌프 회로를 형성하기 위해 커패시터들로 커플링하기 위한 장치를 특징으로 한다. 이러한 장치는 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트 및 제 2 세트, 그리고 제어기 회로를 포함한다. 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트는 커패시터들 간의 전하 이동을 허용하기 위해 커패시터 엘리먼트들의 터미널들을 커플링하도록 구성된 스위치 엘리먼트들을 포함한다. 스위치 엘리먼트의 제 2 세트는 고 전압 터미널 또는 저 전압 터미널 중 하나인 제 1 터미널에 커패시터 엘리먼트들의 적어도 일부의 터미널들을 커플링하도록 구성된 스위치 엘리먼트을 포함한다. 제어기 회로는 스위치 엘리먼트들에 커플링되고, 상태들의 시퀀스에 걸쳐서 스위치 엘리먼트들을 순환시키도록 구성된다. 각각의 상태는 스위치 엘리먼트들의 대응하는 구성들을 정의한다. 상태들 중 적어도 셋은 엘리먼트들의 쌍 간의 전하 이동을 허용하는 스위치 엘리먼트들의 상이한 구성들을 정의한다. 엘리먼트들의 쌍은 캐패시터들의 쌍, 또는 커패시터 및 터미널일 수 있다. 구성된 상태들의 순환은 고 전압 터미널 및 저 전압 터미널 간의 전압 변환을 제공할 수 있다.
일부 실시예에 따르면, 스위치 엘리먼트들을 커패시터들에 커플링하기 위한 터미널들이 있을 수 있다.
다른 실시예들은 커패시터들 그들 자신을 포함한다. 이러한 실시예들에서, 스위치 엘리먼트들에 커플링되었을 때, 커패시터들은 전하펌프 회로를 정의한다.
일부 실시예들은 집적 회로를 포함한다. 이러한 실시예들에서, 전하 펌프 회로의 적어도 일부 및 제어기 회로의 적어도 일부는 단일 집적 회로 상에 형성된다.
또한 실시예들 중에는 조정기 회로를 포함한다. 이러한 실시예들에서, 조정기 회로는 전하 펌프 회로의 고 전압 터미널 및 저 전압 터미널 중 적어도 하나에 커플링된다. 이러한 실시예들 중 일부에서는, 조정기 회로는 전하 펌프 회로의 저 전압 터미널에 전류 부하를 제공하도록 구성된다. 다른 실시예들에서는, 조정기 회로는 전하 펌프 회로의 저 전압 터미널에 전류원으로서 동작하도록 구성된다. 또 다른 실시예들에서는, 조정기 회로는 전하 펌프 회로의 고 전압 터미널에 전류 부하를 제공하거나, 또는 전하 펌프 회로의 고 전압 터미널에 전류원으로서 동작하거나, 또는 조정기 회로 및 전하 펌프 회로 사이를 흐르는 펄스 전류를 야기하도록 구성된다. 마지막 경우에, 전하 펌프는 제 1 부분 및 제 2 부분을 가지는 펄스 순환에서 동작하고, 제 1 부분 동안 펄스 전류는 제 1 정전류이고, 제 2 부분 동안 펄스 전류는 제 2 정전류이다. 여러 경우에서, 제 2 정전류는 실질적으로 0 이거나 0 과 거의 동일하다. 일반적으로, 제 1 정전류는 제 2 정전류보다 실질적으로 크다.
일부 일시예들에서, 조정기 회로는 조정기 회로 및 전하 펌프 회로 사이를 흐르는 평균 전류를 제어하도록 구성된다.
조정기를 특징으로 하는 이러한 실시예들에서, 매우 많은 유형의 조정기가 사용될 수 있다. 이들은 스위치 모드 파워 컨버터들, 벅 컨버터들, 또는 심지어 마그네틱 필터들의 조정기들을 포함한다.
일부 실시예들에서, 제어기는 전하 펌프 순환 시간의 부분의 대응하는 기간동안 각각의 상태를 유지하도록 구성된다. 이러한 상태들의 기간들은 각 순환의 상태들의 시퀀스에 걸쳐서 커패시터들 각각의 밸런싱된 충전 및 방전을 유지하도록 선택될 수 있다.
다른 실시예들에서, 제어기는 상태 전이들에 있어서 커패시터들 간의 전하의 재분배를 감소시키도록 상태들의 기간을 선택하도록 구성된다.
커패시터 엘리먼트들의 터미널들에 커플링되었을 때, 스위치 엘리먼트들은 여러 가지 전하 펌프 회로들 중 임의의 것을 정의한다. 실시예들은 다상 (multi-phase) 전하 펌프, 단상 (single-phase) 전하 펌프, 다중 스테이지 (multi-stage) 전하 펌프 및 캐스캐이드 배율기 (multiplier) 를 포함한다.
또한 실시예들 중에는 제어기가 스위치 엘리먼트의 제 1 세트 및 제 2 세트 중 적어도 하나로부터 센서 신호들을 수신하고 상기 센서 신호들에 적어도 부분적으로 기초하여 상태들의 시퀀스에 걸쳐 스위치 엘리먼트들의 순환을 적응적으로 조정한다.
일부 실시예들에서, 2 개의 조정기 회로들이 존재한다. 조정기 회로는 전하 펌프 회로의 고 전압 터미널에 커플링된다. 한편, 제 2 조정기 회로는 전하 펌프 회로의 저 전압 터미널에 커플링된다. 제 1 조정기 또는 제 2 조정기는 마그네틱 필터일 수 있다. 이러한 실시예들 중에는 제어기가 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트 및 제 2 세트 중 적어도 하나로부터 센서 신호들을 수신하고 상기 센서 신호들에 적어도 부분적으로 기초하여 상태들의 시퀀스에 걸쳐서 스위치 엘리먼트들의 순환을 적응적으로 조정하도록 구성된다.
다른 실시예에 있어서, 본 발명은 전하 펌프를 작동시키기 위한 방법을 특징으로 하고, 상기 전하 펌프 내에서 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트로부터의 스위치 엘리먼트들은 커패시터들 간의 전하 이동을 허용하기 위해 커패시터 엘리먼트들의 터미널들을 커플링하도록 구성되고, 스위치 엘리먼트의 제 2 세트로부터의 스위치 엘리먼트들은 커패시터 엘리먼트들의 터미널들을 고 전압 터미널 또는 저 전압 터미널로 커플링하도록 구성된다. 이러한 방법은 고 전압 터미널 및 저 전압 터미널 간의 전압 변환을 야기하는 단계를 포함한다. 이러한 전압 변환을 야기하는 단계는, 상태들의 시퀀스에 걸쳐서 스위치 엘리먼트들을 순환시키는 단계를 포함한다. 각 상태는 스위치 엘리먼트들의 대응하는 구성을 정의한다. 상태들 중 적어도 셋은 엘리먼트들의 쌍 간의 전하 이동을 허용하는 스위치 엘리먼트들의 상이한 구성들을 정의한다. 엘리먼트들의 쌍은 커패시터들의 쌍 또는 커패시터 및 터미널들 중 하나일 수 있다.
본 발명의 일부 구현들은 조정기 회로 및 전하 펌프 회로 사이를 흐르는 평균 전류를 유지하는 단계를 포함할 수 있다. 다른 구현들은 제 1 터미널에서 전류를 조정함으로써 조정기 회로 및 전하 펌프 회로 사이를 흐르는 평균 전류를 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 구현들에서, 상태들의 시퀀스에 걸쳐서 스위치 엘리먼트들을 순환시키는 단계는, 전하 펌프 순환 시간의 부분의 대응하는 기간동안 각각의 상태를 유지하는 단계를 포함한다. 이는 또한 각 순환의 상태들의 시퀀스에 걸쳐서 커패시터들 각각의 밸런싱된 충전 및 방전을 유지하도록 상태들의 기간을 선택하는 단계를 포함한다.
본 발명의 일부 구현들은 조정기 회로 및 전하 펌프 회로 사이의 평균 전류를 제어하는 단계를 포함한다.
다른 구현들은 조정기 회로를 제 1 터미널에 커플링하는 단계를 포함한다. 이러한 구현들 중에는, 조정기 회로로 하여금 전하 펌프 회로의 저 전압 터미널에 전류 부하를 제공하도록 하는 단계, 조정기 회로로 하여금 전하 펌프 회로의 고 전압 터미널에 전류 부하를 제공하도록 하는 단계, 조정기 회로로 하여금 전하 펌프 회로의 저 전압 터미널에 전류원으로서 동작하도록 하는 단계, 조정기 회로로 하여금 전하 펌프 회로의 고 전압 터미널에 전류원으로서 동작하도록 하는 단계, 및 조정기 회로 및 전하 펌프 회로 사이를 흐르도록 펄스 전류를 야기하는 단계를 포함한다.
일부 구현들은 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트 및 제 2 세트로부터의 스위치 엘리먼트들을 커패시터 엘리먼트들의 터미널들에 커플링하는 단계를 포함한다. 이것은 다상 (multi-phase) 전하 펌프, 단상 (single-phase) 전하 펌프, 다중 스테이지 (multi-stage) 전하 펌프, 또는 캐스캐이드 배율기 (multiplier) 를 형성하는 단계를 야기할 수 있다.
조정기와 관련된 이러한 구현들은 조정기의 유형을 선택하는 단계를 포함한다. 이것은 스위치 모드 전력 컨버터가 되도록 조정기를 선택하는 단계, 벅 컨버터가 되도록 조정기를 선택하는 단계, 또는 마그네틱 필터가 되도록 조정기를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
일부 구현들은 또한 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트 및 제 2 세트 중 적어도 하나로부터 센서 신호들을 수신하는 단계 및 상기 센서 신호들에 적어도 부분적으로 기초하여 상태들의 시퀀스에 걸쳐서 스위치 엘리먼트들의 순환을 적응적으로 조정하는 단계를 포함한다.
일부 구현들은 2 개의 조정기들의 사용과 관련된다. 이러한 구현들은 제 1 조정기를 고 전압 터미널에 커플링하는 단계, 및 제 2 조정기를 저 전압 터미널에 커플링하는 단계를 더 포함한다. 조정기들 중 하나는 마그네틱 필터일 수 있는 반면에, 다른 하나는 컨버터일 수 있다. 이러한 구현들 중에는, 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트 및 제 2 세트 중 적어도 하나를 제어하는 단계 및 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트 및 제 2 세트 중 적어도 하나로부터 수신된 센서 신호들에 적어도 부분적으로 기초하여 상태들의 시퀀스에 걸쳐서 스위치 엘리먼트들의 순환을 적응적으로 조정하는 단계를 또한 포함한다.
본 발명의 다른 특징들 및 장점들은 하기의 명세서 및 특허청구범위로부터 개시된다.
도 1은 전압원 (voltage source) 및 전류 부하를 가지는 단상 (single-phase) 5:1 전하 펌프의 계통도 (schematic diagram) 이다.
도 2a 내지 2b는 상태 1 및 상태 2 각각의 스위치 구성의 도 1의 회로의 계통도이다.
도 3a 내지 3c는 상태 1a, 1b 및 2 각각의 도 1의 회로의 계통도이다.
도 3d는 전하 펌프의 동작 동안 도 3a 내지 3c의 각 커패시터에 걸친 전압을 보여주는 파형들의 세트이다.
도 4a 내지 4c는 상태 1a, 1b 및 2 각각의 대안적인 정의들에서의 도 1의 회로의 계통도이다.
도 4d는 전하 펌프의 동작 동안 도 4a 내지 4c의 각 커패시터에 걸친 전압을 보여주는 파형들의 세트이다.
도 5는 전압원 및 전류 부하를 가지는 단상 6:1 전하 펌프의 계통도이다.
도 6a 내지 6d는 상태 1a, 1b, 2a 및 2b 각각의 도 5의 회로의 계통도이다.
도 7은 전압원 및 전류 부하를 가지는 2 상 5:1 전하 펌프의 계통도이다.
도 8a 내지 8b는 상태 1a 및 1b 각각의 도 7의 회로의 계통도이다.
도 9는 전압원 및 전류 부하를 가지는 2 상 3:1 직병렬 전하 펌프의 계통도이다.
도 10a 내지 10d는 상태 1a, 1b, 2a 및 2b 각각의 도 9의 회로의 계통도이다.
도 11a 내지 11b는 전류 스큐 (current skew) 를 가지는 상태 1a 및 1b 각각의 도 7의 회로의 계통도이다.
도 12 내지 14는 전력 컨버터들의 블록도이다.
제 1 실시예의 전하 펌프 (110) 은 이러한 전하 펌프의 동작에서의 전하 불균형의 원인을 나타내기 위해 도 1에 도시되어 있다. 전하 펌프 (110) 는 명목상 전압에 5:1 (즉, M = 5) 감소를 제공하여 출력 전압
Figure 112016099238215-pct00001
(volts) 이 입력 전압
Figure 112016099238215-pct00002
(volts) 의 5분의 1이 되게 하도록 구성된 캐스캐이드 배율기 (multiplier) 이다. (C1 내지 C4 로 라벨링된) 4 개의 커패시터들은 입력 전압
Figure 112016099238215-pct00003
의 부분을 저장하고 하나의 커패시터로부터 다음으로 전하를 전달하기 위해 각 커패시터의 양 터미널들 상의 (S1 내지 S9 로 라벨링된) 스위치들과 함께 사용된다.
Figure 112016099238215-pct00004
및
Figure 112016099238215-pct00005
터미널들에 가장 가까운 커패시터들은 C1 및 C4 로 각각 라벨링되고, 하기에서 "외부 (outer)" 커패시터들로서 참조되며, 반면에 나머지 커패시터들은 C2 및 C3 로 라벨링되고 하기에서 "내부 (inner)" 커패시터들로서 참조된다. 추가적인 표기로서, 커패시터 Ck 상의 전압 및 전하는 각각 Vk 및 Qk 로서 표시된다. 다르게 지시하지 않는 이상, 커패시터들은 동일한 커패시턴스 C (Farads) 를 가지는 이상적인 것으로 여겨진다.
전하 펌프 (110) 는 스위치들 (S1 내지 S9) 의 세트를 제어하여 전하로 하여금 커패시터들 사이 및 터미널들과 커패시터들 사이를 흐르게 하도록 함으로써 동작한다. 전하 펌프 (110) 의 스위치들의 제어는 상태들의 시리즈에 걸친 순환으로서 표시될 수 있으며, 각 상태는 스위치들의 세트의 특정한 구성 (즉, 각각의 스위치들의 개방 회로 (비 전도) 및 단락 회로 (전도) 구성의 특정한 설정) 과 연관된다.
도 1 에 개시된 전하 펌프 (110) 의 동작의 일 모드는 2 개의 상태들의 순환을 사용한다. 상태 1 에서, "1"로 라벨링된 스위치들 (즉, S1, S3, S5, S7, S8) 은 단락되고 "2"로 라벨링된 스위치들 (즉, S2, S4, S6, S9) 는 개방된다. 상태 2 에서, "1"로 라벨링된 스위치들은 개방되고 "2"로 라벨링된 스위치들은 단락된다. 이러한 스위치들의 구성들은 하기의 표 1 에서 표 형식으로 도시된다 ("1"은 스위치가 단락됨을 지시하고 "0"은 스위치가 개방된 것을 나타냄).
Figure 112016099238215-pct00006
이러한 구현에서, 예를 들어, 엄격한 즉각적 스위칭의 필요성을 방지하기 위한 "접속전 채널 단절 (break before make)" 접근에서, 전하 펌프 (110) 의 전반적인 기능에 영향을 끼치지 않고 커패시터들로 또는 커패시터들로부터 전하가 흐르지 않도록 모든 또는 충분한 스위치들의 세트가 개방되는 부가적인 상태들이 필요할 수 있다. 그러나, 하기의 이상적 거동의 분석에 있어서, 이러한 부가적인 상태들은 전하의 이동과 관련되지 않으며 분석의 결과에 영향을 미치지 않을 것이므로 이러한 부가적 상태들은 일반적으로 고려되지 않는다.
전하 펌프 (110) 의 완전한 순환은 상태 1 및 그에 뒤따르는 상태 2 의 2 개의 상태들의 시퀀스를 가진다. 제 1 페이즈 (phase) 노드 P1은 커패시터들 C1, C3 의 네거티브 터미널과 커플링하고, 제 2 페이즈 노드 P2는 커패시터들 C2, C4의 네거티브 터미널과 커플링한다. 제 1 페이즈 노드 P1 에서의 전압은 접지와 출력 전압
Figure 112016099238215-pct00007
를 번갈아 가지며, 제 2 페이즈 노드 P2 에서의 전압은 제 1 페이즈 노드 P1 과 이위상 (out of phase) 이다.
정상 상태 동작에서, 커패시터들 C1 내지 C4 는 하기의 명목 출력 전압의 배수 (multiple) 인 그들의 터미널들에 걸친 명목 전압들을 가진다.
Figure 112016099238215-pct00008
예를 들어, 입력 전압
Figure 112016099238215-pct00009
이 25.0 (volts) 인 경우에, 커패시터들 C1 내지 C4 에 걸친 명목 전압은 각각 20.0, 15.0, 10.0, 및 5.0 (volts) 이고, 명목 출력 전압
Figure 112016099238215-pct00010
은 5.0 (volts) 이다. 커패시터들에 걸친 실질 전압은 전하 펌프 (110) 의 동작의 연속적인 상태들의 순환 동안에 이러한 명목 값들 근처에서 변화 (즉, 전압이 "리플"을 보임) 하고 하기와 같이 표시된다.
Figure 112016099238215-pct00011
이 실시예에서, 전하 펌프 (110) 의 출력 터미널은 전류
Figure 112016099238215-pct00012
를 가지는 전류 부하에 커플링된 것으로 여겨진다. 특정 실시예들에서, 이러한 전류는 일정한 것으로 가정된다. 보다 일반적으로는, 하기에서 더 구체적으로 논의되는 바와 같이, 일정한 평균
Figure 112016099238215-pct00013
를 가지고 펄스화될 수도 있고, 여기서 D 는 펄스화된 전류 부하의 듀티 사이클 (duty cycle) (0 과 1 사이의 부분) 이다; 이는 벅 (buck) 컨버터의 거동의 좋은 표현이다. 일반적으로, 전류 부하 스위칭 주파수는 전하 펌프 (110) 스위칭 주파수의 배수이다 (예를 들어, 2x, 3x, 10x, 100x). 일부 실시예들에서, 전류는 각각의 상태 동안 일정할 수도 있으나, 각각의 상태 동안 상이한 값들을 가진다. 더 나아가, 상태 전이 순간은 바람직하게는 출력 전류 듀티 사이클의 0 전류 파트 동안 발생하도록 선택되어, 비 이상적 (예를 들어, 트랜지스터) 스위치들을 수반하는 스위칭 손실들을 감소시킨다. 이러한 제 1 실시예의 논의의 목적이 아닌 한, 단지 정전류의 케이스만이 고려된다.
도 2a 내지 도 2b를 참조하면, 도 1의 전하 펌프 (110) 의 등가 회로들이 상태 1 및 상태 2 각각에 대해 도시된다. 일반적으로, 상태 1 에서, 에너지는
Figure 112016099238215-pct00014
터미널로부터 외부 커패시터 C1으로, 내부 커패시터들 C1, C2 사이, 외부 커패시터 C4 로부터
Figure 112016099238215-pct00015
터미널로 전달된다. 상태 2 에서, 에너지는 커패시터들 사이 및
Figure 112016099238215-pct00016
터미널에서의 부하로 전달된다.
상태 1 동안, 외부 커패시터들 C1, C4는 0.4 *
Figure 112016099238215-pct00017
의 전류를 운반하는 반면에 내부 커패시터들 C2, C3 각각은 외부 커패시터들 C1, C4 를 통한 전류의 절반인 0.2 *
Figure 112016099238215-pct00018
의 전류를 운반한다. 그러므로 만약 상태 1 이 상태 지속 시간 t1 을 가지면, 외부 커패시터들 C1, C4 상의 전하의 변화는, 상태 j 동안의 커패시터
Figure 112016099238215-pct00019
상의 전하의 변화를
Figure 112016099238215-pct00020
로 표시할 때,
Figure 112016099238215-pct00021
를 만족하는 반면에, 상태 1 동안의 내부 커패시터들 C2, C3 상의 전하의 변화는
Figure 112016099238215-pct00022
를 만족한다.
내부 커패시터들 C2, C3 은 직렬로 연결된 반면, 외부 커패시터들 C1, C4 는 그들의 개별적인 경로들 내에 존재하는 유일한 엘리먼트들이고, 전류로 하여금 직렬 커패시터들의 개수에 따라 나누어지도록 한다.
상태 2 동안, 모든 커패시터들은 0.5 *
Figure 112016099238215-pct00023
의 전류를 운반한다. 내부 커패시터들 C2, C3 은 어떤 상태에서도 항상 다른 커패시터와 직렬로 연결되는 반면에 외부 커패시터들 C1, C4 은 상태 2 동안에만 유사한 직렬 연결을 가진다. 각각의 커패시터를 통하는 전류 흐름 극성은 커패시터를 충전 및 방전하고 커패시터들에 걸친 일정한 평균 전압을 유지할 필요에 따라 하나의 상태에서 다음 상태에 이르기까지 전후로 변화한다.
전하 펌프 (110) 가
Figure 112016099238215-pct00024
를 가지는 50 % 듀티 사이클에서 제어 - 여기서
Figure 112016099238215-pct00025
는 스위칭 순환의 총 기간임 - 되었다면, 각각의 커패시터
Figure 112016099238215-pct00026
상의 두 상태들의 각 순환에 걸친 총 전하인
Figure 112016099238215-pct00027
는 0 이 아니다. 그 결과는 커패시터들 상의 총 전하 및 평균 전압은 연속적인 순환들에 걸쳐 이동할 수 있다는 것, 그리고/또는 각 상태 전이에서 전하의 상당한 재분배를 야기할 수 있다는 것이며, 둘 중 어느 것도 바람직하지 않을 수 있다.
도 1 에 도시된 전하 펌프 (110) 의 대안적인 3 상 제어는 "1a", "1b" 및 "2" 로 라벨링된 상태들을 사용한다. 이러한 상태들 상의 스위치들의 구성은 하기의 표 2 에서 표 형식으로 도시된다.
Figure 112016099238215-pct00028
이러한 상태들 각각의 등가 회로들은 도 3a 내지 3b에서 각각 도시된다. 상태 1a에서, 0.5 *
Figure 112016099238215-pct00029
의 전류는 커패시터들 C1, C4 (반대 전압 극성을 가짐) 각각을 통해 흐르고, 상태 1b에서, 1.0 *
Figure 112016099238215-pct00030
의 전류는 커패시터들 C2, C3 을 통해 흐르고, 상태 2에서, 0.5 *
Figure 112016099238215-pct00031
의 전류는 모든 4 개의 커패시터들을 통해 흐른다. 각각의 순환 내에서의 전하의 총 변화를 밸런싱하기 위한 상태 지속 시간 t1a, t1b, t2 의 적절한 선택은
Figure 112016099238215-pct00032
의 수학식의 세트를 반드시 만족해야 한다. 여기서, 상기 수학식들의 세트는
Figure 112016099238215-pct00033
를 만족한다.
위의 상태 지속 시간을 가정하여, 도 3d는 전하 펌프 (110) 가 25.0 (volts) 의 입력 전압
Figure 112016099238215-pct00034
을 가지는 경우의 도 3a 내지 3c의 커패시터들 C1 내지 C4 에 걸친 전압 V1 내지 V4 를 도시한다. 도 3d에 도시된 바와 같이, 이것은 대략 5.0 (volts) 의 평균 전압을 가지는 출력 전압
Figure 112016099238215-pct00035
을 산출한다.
도 1의 전하 펌프 (110) 를 제어하기 위한 또 다른 3 상 접근은 도 4a 내지 4c에 각각 도시된 대응하는 등가 회로들 및 스위치 구성들을 가지는 상태들의 상이한 시퀀스를 사용한다. 3 상에서의 스위치들의 구성은 아래의 표 3 에서 표 형식으로 도시된다.
Figure 112016099238215-pct00036
상태들의 이러한 정의에 적용된 앞서 표시된 바와 같은 분석은
Figure 112016099238215-pct00037
의 전하 밸런스 수학식을 만족하는 상태 지속 시간을 산출한다.
위의 상태 지속 시간을 가정하여, 도 4d는 전하 펌프 (110) 가 25.0 (volts) 의 입력 전압
Figure 112016099238215-pct00038
을 가지는 경우의 도 4a 내지 4c의 커패시터들 C1 내지 C4에 걸친 전압 V1 내지 V4를 도시한다. 도 4d에 도시된 바와 같이, 이것은 대략 5.0 (volts) 의 평균 전압을 가지는 출력 전압
Figure 112016099238215-pct00039
을 산출한다. 도 4d에서의 파형의 형태가 도3d에서와 어떻게 상이한지 여부에 주목한다.
커패시터들을 통하는 RMS (root mean squared) 전류의 합의 고려는 이러한 상태 정의가 이전에 개시한 3 상 구성 (도 3a 내지 3c) 의 값보다 낮은 값을 산출한다는 것을 보인다. 저항들이 전력 손실을 야기하는 커패시터들과 함께 직렬의 저항들을 포함하는 전하 펌프 (110) 의 비 이상적인 구현에서, 낮은 RMS 전류는 적은 전압 손실과 관련된다. 따라서 이러한 상태 구성은 바람직할 수 있다.
상태들의 상이한 시퀀스들은 반복되는 순환들에 걸쳐 여전히 전하 밸런스를 도출할 수 있다. 예를 들어, 상태 시퀀스 1a-1b-2-1a-1b-2... 는 위에서 결정된 바와 같이 동일한 상태 지속 시간을 사용하는 상태 시퀀스 1b-1a-2-1b-1a-2 로 대체될 수 있다.
다른 상태 정의들 및 시간 역시 위에서 요약된 접근을 따른다. 예를 들어, M = 5 에 대한 2 개의 추가적인 접근들이 아래의 표 4 및 표 5에서 표 형식으로 도시된다.
Figure 112016099238215-pct00040
Figure 112016099238215-pct00041
Figure 112016099238215-pct00042
여기서, X 는 스위치가 개방되거나 단락될 수 있음을 나타낸다.
도 1의 M = 5 회로에 대한 위에 개시된 다중 상태 접근은 다른 홀수 (odd) M 의 값에 직접적으로 확장될 수 있다. 일반적으로, 상태 1a에서, 커패시터 C1은 커패시터 CM-1 과 병렬이고, M ≥ 5 일 때, CM-3 및 CM-2를 통해 C2 및 C3의 직렬연결과 병렬이다. 상태 1b는 CM-3 및 CM-2를 통해 C2 및 C3의 직렬의 병렬연결을 가지고, 상태 2는 CM-2 및 CM- 1를 통해 C1 및 C2의 직렬의 병렬연결을 가진다. 일반적인 홀수 M 에 대한 상태 지속 시간의 닫힌 형태는
Figure 112016099238215-pct00043
로서 표현될 수 있다.
유사한 접근이 M 이 짝수인 상황들에도 적용될 수 있다. 도 5 를 참조하면, S1 내지 S10으로 라벨링된 10 개의 스위치들과 C1 내지 C5로 라벨링된 5 개의 커패시터들을 포함하는, 6:1 (M=6) 캐스캐이드 배율기 유형의 전하 펌프 (110) 가 도시된다. 1a, 1b, 2a 및 2b의 4 개의 상태들 각각 에서의 스위치들에 대한 구성들이 아래의 도 6에서 표로서 개시된다. 이러한 상태들 각각 에서의 등가 회로들은 도 6a 내지 6d에서 개별적으로 도시된다.
Figure 112016099238215-pct00044
위에서 개시된 분석들의 유형을 적용하면, 상태들의 순환을 통한 전하 이동의 밸런싱을 달성하기 위한 상태 지속 시간은
Figure 112016099238215-pct00045
를 산출한다.
M 이 홀수인 경우와 같이, 임의적인 짝수 M 에 대한 일반적인 솔루션은
Figure 112016099238215-pct00046
의 솔루션을 산출한다.
위에서 개시된 접근은 다상 (multi-phase) 전하 펌프들에도 역시 적용 가능하다. 예를 들어, 도 7 은 S1a 내지 S7b로 라벨링된 14 개의 스위치들과 C1a 내지 C4b로 라벨링된 8 개의 커패시터들을 포함하는 2 상 M = 5 캐스캐이드 배율기 유형의 전하 펌프 (110) 를 도시한다. (1a, 1b, 2a, 2b 로 라벨링된 상태들을 가지는) 하나의 가능한 4 개의 상태 접근에서의 스위치들에 대한 구성이 하기의 표 7 에서 도시된다.
Figure 112016099238215-pct00047
도 8a 내지 8b는 상태 1a 및 1b 각각에 대한 등가 회로들을 도시한다. 상태들 2a 및 2b에 대한 회로들은 등가이다 (즉, 회로의 "a" 및 "b" 엘리먼트들을 교환가능). 이러한 회로에 대한 전하 밸런스 제약들의 적용은 하기 개시되는 바와 같이 4 개의 상태들의 각각에 대해 0.25 *
Figure 112016099238215-pct00048
의 상태 지속 시간을 산출한다.
Figure 112016099238215-pct00049
이러한 실시예에서,
Figure 112016099238215-pct00050
터미널로부터의 입력 전압은 상태 1b 및 2b 동안에 0인 반면, 0.4 *
Figure 112016099238215-pct00051
의 전류에서의 상태 1a 및 2a 동안에는 0 이 아니고, 예측되는 바와 같이
Figure 112016099238215-pct00052
의 평균 입력 전류를 산출함을 주목한다.
도 7을 참조하면, 도 1에 도시된 바와 같은 2 개의 섹션들의 병렬 배열; 각 섹션의 시간은 90°만큼 위상이 상이하여, 하나의 섹션은 상태 1a의 스위치 구성을 가지는 반면 다른 섹션은 상태 1b의 스위치 구성을 가지는 등이다. 병렬 배열에서, 동작의 각 순환에서 평균 입력 전류는
Figure 112016099238215-pct00053
임을 주목한다.
위에 개시된 접근들은 넓은 범위의 전하 펌프 토폴로지들에 적용 가능하다. 추가적인 실시예로서, 도 9는 S1a 내지 S7b로 라벨링된 14 개의 스위치들과 C1a 내지 C2b로 라벨링된 4 개의 커패시터들을 포함하는 M = 3 의 2 상 직병렬 전하 펌프 (110) 를 도시한다. 4 개의 상태들에서의 스위치들의 구성은 하기의 표 8 에서 도시된다.
Figure 112016099238215-pct00054
4 개의 상태들에 대한 등가 회로들은 도 10a 내지 10b에서 도시된다. 전하 밸런스는 각각의 상태에 대해 0.25 *
Figure 112016099238215-pct00055
의 상태 지속 시간을 가지고 달성되며, 각각의 상태에서의
Figure 112016099238215-pct00056
및 (1/3) *
Figure 112016099238215-pct00057
의 순환으로부터 평균 입력 전류를 산출한다.
위의 분석에서, 평균 전류
Figure 112016099238215-pct00058
는 모든 상태 지속 시간 동안 동일한 것으로 가정되고, 따라서 전하 이동은 tj *
Figure 112016099238215-pct00059
에 비례한다. 대안적인 접근에서, 평균 출력 전류는 상태 j 에서의 전하 이동이
Figure 112016099238215-pct00060
에 비례하도록 상이한 상태들에 대해서 상이하도록 제어될 수 있고, 여기서 상태 지속 시간
Figure 112016099238215-pct00061
및 평균 전류
Figure 112016099238215-pct00062
은 모두 제약 방정식에 따라 결정된다. 일부 실시예들에서, 예를 들어 EMI (electro-magnetic interference) 를 야기할 수도 있는 짧은 상태 지속 시간을 방지하기 위해, 상태 지속 시간은 다른 고려들에 대해서 더 (전적으로 또는 부분적으로) 제약될 수도 있다. 출력 전류의 변화 가능하고 주기적인 제어가 효율적일 수 있는 실시예는 직렬 또는 병렬의 하나 이상의 LED (light emitting diode) 를 구동하는 경우이고, 여기서 전류의 변화는 광 출력에 있어 감지 가능한 변화를 눈에 띄게 야기하지 않는다.
위에서 개시된 접근은 도 7의 2 상 M = 5 캐스캐이드 배율기 유형의 전하 펌프 (110) 에 적용할 수 있다. 하나의 가능한 4 개의 상태 접근 (1a, 1b, 2a, 2b로 라벨링된 상태들을 가짐)은 상태 1a 및 1b 각각에 대해서 도 11a 내지 11b에 도시된 바와 같이 등가 회로들을 가진다. 상태 2a 및 2b에 대한 회로들은 등가이다 (즉, 회로의 "a" 및 "b" 엘리먼트들을 교환 가능). 4 개의 상태들에서의 스위치들의 구성은 하기의 표 9 에서 표 형식으로 도시된다.
Figure 112016099238215-pct00063
4 개의 상태들 각각에 대한 0.25 *
Figure 112016099238215-pct00064
의 상태 지속 시간과 함께, 4 개의 상태들의 순환에 걸쳐 전하 밸런스를 달성하기 위해서 전류 스큐 (current skew),
Figure 112016099238215-pct00065
를 각 상태들에서 출력 부하에 적용하는 것이 반드시 필요해진다. 이러한 실시예에서, 상태 1a 및 2a 동안의 0.2 *
Figure 112016099238215-pct00066
의 네거티브 전류 스큐 및 상태 1b 및 2b 동안의 0.2 *
Figure 112016099238215-pct00067
의 포지티브 전류 스큐는 순환에 걸쳐 모든 커패시터들에서 전하 밸런스를 달성할 것이고, 여기서 4 개의 상태들의 각 순환에 걸친 평균 출력 전류는
Figure 112016099238215-pct00068
이다. 다시 말해, 상태 1a 및 2a 동안의 출력 부하 전류는 0.8 *
Figure 112016099238215-pct00069
이고, 상태 1b 및 2b 동안의 출력 로드 전류는 1.2 *
Figure 112016099238215-pct00070
이다. 4 개의 상태들 전부에서 적용된 전류 스큐의 크기는 동일하지만, 하나의 상태로부터 다음 상태에 이르기까지 전류 스큐의 극성은 포지티브와 네거티브 사이에서 전후로 변화한다. 이러한 4 개의 상태 접근 및 0.25 *
Figure 112016099238215-pct00071
의 상태 지속 시간을 가지는 2 상 전하 펌프에 대해서, 임의적인 M 에 대한 일반적인 솔루션은 적용된 전류 스큐,
Figure 112016099238215-pct00072
의 크기에 대한 하기의 솔루션을 산출한다.
Figure 112016099238215-pct00073
위의 개시는 이상적인 스위치들, 이상적인 전류, 전압원들, 및 저항이 없는 회로 경로들을 가지는 이상화된 회로들의 분석에 초점을 두었다고 이해되어야 할 것이다. 실제로는 스위치들은 예들 들어 일반적으로 내부 저항 및 용량성의 특징들을 보이는 트랜지스터들로 구현된다. 출력 전류 부하는 인덕터를 사용하여 구현될 수 있어, 듀티 사이클의 일부 동안 정전류로서 모델링될 수 있고, 에너지로서 실제로 등락을 거듭하는 전류는 전하 펌프로부터 인덕터로 전달된다. 물리적 커패시터들은 미세하게 상이한 커패시턴스를 가질 수 있고, 따라서 전하 밸런싱에 대한 이상적인 분석은 정확하게 일치하지는 않을 수도 있다. 그럼에도 불구하고, 위에서 개시된 접근은 직접적으로, 또는 예를 들어, 수치적 회로 시뮬레이션 기법들을 사용하여, 이상적 회로보다는 실제 회로에서의 전하 밸런스를 달성하기 위해 상태 지속구간을 결정하는 회로의 비 이상적인 특성을 확인하기 위해 상기 접근들의 비 이상적 구현들에 적용할 수 있다.
상기 개시된 하나 이상의 접근들에 따라 제어된 전하 펌프의 구현들은 개시된 바와 같이 상태 시퀀스를 따르고 그에 따라 스위치들을 설정하도록 구성된 제어기를 사용할 수 있다. 도 12를 참조하면, 전력 컨버터 (100) 의 실 실시예는 경로 (132) 상에 제어 신호들을 제공하고 경로 (134) 상의 센서 신호들을 수신하는 제어기 (120) 에 커플링된 전하 펌프 (110) 를 포함한다. 전하 펌프 (110) 는 커패시터들 (112) 및 스위치들 (114) 를 포함한다. 터미널 (116) (즉, 고 전압 터미널) 은 전하 펌프 (110) 를 전력 소스 (150), 예를 들어, 전압원 (예를 들어, 25 volts 에서) 으로 커플링한다. 다른 터미널 (118) 은 전하 펌프 (110) 를 로드 (140) 에 커플링된 제 1 조정기 회로 (130) 로 커플링한다. 제어기 (120) 는 제어기 (120) 에 기능성을 부여하는 구성 데이터 (124) (및/또는 프로세서 명령어들) 로 구성된 프로그래밍 가능한 프로세서 (122) 를 포함한다.
일부 실시예들에서, 제어기 (120) 는 예를 들어 전하 펌프 (110) 및 제 1 조정기 회로 (130) 양쪽의 공통적인 기본 클록킹 레이트를 유지 (즉, 전하 펌프 (110) 의 순환 주파수의 배수 2x, 4x, 10x, 100x, 등 에서 제 1 조정기 회로 (130) 를 스위칭) 하기 위해, 제 1 조정기 회로 (130) 역시 제어한다. 일부 구현들에서, 제어기 (120) 는 스위치들 (114) (예를 들어, 트랜지스터들) 의 적어도 일부를 포함하는 집적화된 디바이스에 전체로서 또는 일부로서 집적될 수 있다.
대안적인 전력 컨버터 (101) 가 도 3 에 도시되고, 여기서 제 2 조정기 회로 (160) 는 도 12 에서와 같은 부하 (140) 과 전하 펌프 (110) 사이 대신에 전력 소스 (150) 및 전하 펌프 (110) 사이에 커플링된다. 일부 실시예들에서, 제어기 (120) 는 전하 펌프 (110) 내의 커패시터들 (112) 의 전하 밸런싱을 용이하게 하기 위해 부하 (140) 를 제어한다. 다른 실시예들에서, 제어기 (120) 는 제 2 조정기 회로 (160) 을 제어하고, 다른 실시예들에서는, 제어기 (120) 는 부하 (140) 및 제 2 조정기 회로 (160) 양쪽 모두를 제어한다.
또 다른 하나의 대안적인 전력 컨버터 (102) 가 도 14 에서 도시된다. 이 실시예는 전력 컨버터 (100) 및 전력 컨버터 (101) 의 조합이다. 이 구현에서, 부하 (140) 와 전하 펌프 (110) 사이에 커플링된 제 1 조정기 회로 (130); 및 전력 소스 (150) 및 전하 펌프 (110) 사이에 커플링된 제 2 조정기 회로 (160) 가 존재한다. 일부 실시예들에서 제어기 (120) 는 공통의 기본 클록킹을 유지하기 위해 적어도 제 1 조정기 회로 (130) 또는 제 2 조정기 회로 (160) 를 제어한다.
다른 실시예들에서, 제 1 조정기 회로 (130) 또는 제 2 조정기 회로 (160) 는 컨버터 대신에 LC 필터와 같은 마그네틱 필터이다. 만약 제 1 조정기 회로 (130) 가 가 마그네틱 필터이면, 전력 컨버터 (102) 의 조정 능력은 오로지 제 2 조정기 회로 (160) 에 의해 달성되고, 단열 동작은 전류 부하로서 동작하는 제 1 조정기 회로 (130) 에 기인하여 부분적으로 가능하다. 유사하게, 만약 제 2 조정기 회로 (160) 가 마그네틱 필터이면, 전력 컨버터 (102) 의 조정 능력은 오로지 제 1 조정기 회로 (130) 에 의해 달성되고, 단열 동작은 전류원으로서 동작하는 제 2 조정기 회로 (160) 에 기인하여 부분적으로 가능하다.
구현에서, 디바이스들은 예를 들어 반드시 동일한 커패시턴스를 가지지는 않는 커패시터들 (112), 또한 전하 펌프 (110) 내의 스위치들 (114) 을 통하는 회로 경로들 내의 0 이 아닌 저항들을 가져, 이상적이지 않은 것으로 이해되어야 할 것이다. 일부 실시예들에서, 제어기 (120) 는 이상화된 분석에 따라 스위치들 (114) 를 제어한다. 다른 실시예들에서, 비 이상적인 특성들의 효과는 예들 들어, 분명한 회로 분석 (예들 들어, 시뮬레이션) 또는 적응적으로 경로 (134) 상의 센서 신호들에 기초하는 상태 순환들 동안의 전하 밸런스를 달성하기 위해 관련된 상태 지속 구간들을 조정하는 것에 의해, 상태 지속 구간들을 결정하는데에 고려된다. 일부 실시예들에서, 제어기 (120) 는 예들 들어 디바이스가 제조된 이후에 구성된 특정한 상태 시간을 허용하는 소프트웨어적으로 구성 가능하다. 일부 실시예들에서, 제어기 (120) 는 디바이스의 다른 회로 컴포넌트들과 함께 구체화된 어플리케이션 특정 로직 내에서 전적으로 또는 적어도 부분적으로 구현된다.
전하 펌프 (110) 는 래더 (Ladder), 딕슨 (Dicson), 직병렬 (Series-Paralell), 피보나치 (Fibonacci) 및 더블러 (Doubler) 와 같은 많은 상이한 전하 펌프 토폴로지들을 이용하여 구현될 수 있다. 유사하게, 조정기 회로 (130), 조정기 회로 (160) 을 위한 적절한 컨버터들은 벅 컨버터, 부스트 컨버터, 벅-부스트 컨버터, 비반전 벅-부스트 컨버터, 쿡 (Cuk) 컨버터, SEPIC 컨버터, 레조넌트 컨버터, 다중 레벨 컨버터, 플라이백 (Flyback) 컨버터, 포워드 컨버터 및 풀 브릿지 컨버터를 포함한다.
상기의 개시는 본 발명을 설명하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아니라고 이해되어야 할 것이며, 본 발명의 범위는 첨부된 특허청구범위를 통해 정의될 것이다. 범위 내에 있는 다른 실시예들은 하기의 특허 청구범위 내에 포함될 것이다.

Claims (50)

  1. 전하 펌프 회로를 형성하기 위해 커패시터들에 커플링하기 위한 장치로서, 상기 장치는 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트, 스위치 엘리먼트들의 제 2 세트 및 제어기 회로를 포함하고,
    상기 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트는 상기 커패시터들 간의 전하 이동을 허용하기 위해 커패시터 엘리먼트들의 터미널들을 커플링하도록 구성된 스위치 엘리먼트들을 포함하고,
    상기 스위치 엘리먼트들의 제 2 세트는 상기 커패시터 엘리먼트들 중 적어도 일부의 터미널들을 제 1 터미널에 커플링하도록 구성된 스위치 엘리먼트들을 포함하고,
    상기 제 1 터미널은 고 전압 터미널 및 저 전압 터미널로 이루어진 그룹으로부터 선택되고,
    상기 제어기 회로는 상기 스위치 엘리먼트들에 커플링되고 상기 스위치 엘리먼트들을 상태들의 시퀀스에 걸쳐 순환 (cycle) 시키도록 구성되고,
    각각의 상태는 상기 스위치 엘리먼트들의 대응하는 구성 (configuration) 을 정의하고,
    상기 상태들 중 적어도 셋은 엘리먼트들의 쌍 간의 전하 이동을 허용하는 상기 스위치 엘리먼트들의 상이한 구성들을 정의하고,
    상기 엘리먼트들의 쌍은 제 1 커패시터 및 제 2 커패시터, 그리고 제 1 커패시터 및 상기 제 1 터미널로 이루어진 그룹으로부터 선택되고,
    상기 구성된 상태들의 순환은 상기 고 전압 터미널 및 상기 저 전압 터미널 간의 전압 변환을 제공하는, 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    스위치 엘리먼트들을 상기 커패시터들에 커플링하기 위한 터미널들을 더 포함하는, 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치 엘리먼트들에 커플링되었을 때 전하 펌프 회로를 정의하는 커패시터들을 더 포함하는, 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    집적 회로를 더 포함하고, 상기 전하 펌프 회로의 적어도 일부 및 상기 제어기 회로의 적어도 일부는 단일 집적 회로에 형성되는, 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    조정기 (regulator) 회로를 더 포함하고, 상기 조정기 회로는 상기 전하 펌프 회로의 상기 고 전압 터미널 및 상기 저 전압 터미널 중 적어도 하나에 커플링되는, 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 조정기 회로는 상기 전하 펌프 회로의 상기 저 전압 터미널에 전류 부하를 제공하도록 구성된, 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 조정기 회로는 상기 전하 펌프 회로의 상기 저 전압 터미널에 전류원 (current source) 으로서 동작하도록 구성된, 장치.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 조정기 회로는 상기 전하 펌프 회로의 상기 고 전압 터미널에 전류 부하를 제공하도록 구성된, 장치.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 조정기 회로는 상기 전하 펌프 회로의 상기 고 전압 터미널에 전류원 (current source) 으로서 동작하도록 구성된, 장치.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 조정기 회로는 상기 조정기 회로 및 상기 전하 펌프 회로 사이를 흐르는 펄스 전류를 야기하도록 구성된, 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    전하 펌프는 제 1 부분 및 제 2 부분을 가지는 펄스 순환에서 동작하고,
    상기 펄스 전류는 상기 제 1 부분 동안의 제 1 정전류 (constant current) 및 상기 제 2 부분 동안의 제 2 정전류를 가지고,
    상기 제 1 정전류의 크기 (magnitude) 가 제 2 정전류보다 큰, 장치.
  12. 제 1 항에 있어서,
    조정기 회로를 더 포함하고, 상기 조정기 회로는 상기 조정기 회로 및 상기 전하 펌프 회로 사이에 흐르는 평균 전류를 제어하도록 구성된, 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 조정기 회로는 스위치 모드 전력 컨버터인, 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 조정기 회로는 벅 (buck) 컨버터인, 장치.
  15. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기 회로는 전하 펌프 순환 시간의 부분의 대응하는 기간 동안 각각의 상태를 유지하도록 구성되고, 상기 상태들의 상기 기간들은 각 순환의 상태들의 시퀀스에 걸쳐 상기 커패시터들 각각의 밸런싱된 충전 및 방전을 유지하도록 선택되는, 장치.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기 회로는 상태 전이들에 있어서 상기 커패시터들 간의 전하의 재분배를 감소시키도록 상기 상태들의 기간들을 선택하도록 구성되는, 장치.
  17. 제 1 항에 있어서,
    상기 스위치 엘리먼트들은 상기 커패시터 엘리먼트들의 터미널들에 커플링되었을 때, 상기 전하 펌프 회로를 정의하는, 장치.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 전하 펌프 회로는 다상 (multi-phase) 전하 펌프를 포함하는, 장치.
  19. 제 17 항에 있어서,
    상기 전하 펌프 회로는 단상 (single-phase) 전하 펌프를 포함하는, 장치.
  20. 제 17 항에 있어서,
    상기 전하 펌프 회로는 캐스캐이드 배율기 (multiplier) 를 포함하는, 장치.
  21. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어기 회로는 상기 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트 및 제 2 세트 중 적어도 하나로부터 센서 신호들을 수신하고, 상기 센서 신호들에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 상태들의 시퀀스에 걸친 스위치 엘리먼트들의 순환을 적응적으로 조정하도록 구성된, 장치.
  22. 제 1 항에 있어서,
    제 1 조정기 회로 및 제 2 조정기 회로를 더 포함하고,
    상기 제 1 조정기 회로는 상기 전하 펌프 회로의 상기 고 전압 터미널에 커플링되고, 상기 제 2 조정기 회로는 상기 전하 펌프 회로의 상기 저 전압 터미널에 커플링된, 장치.
  23. 제 22 항에 있어서,
    상기 제어기 회로는 상기 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트 및 제 2 세트 중 적어도 하나로부터 센서 신호들을 수신하고, 상기 센서 신호들에 적어도 부분적으로 기초하여 상기 상태들의 시퀀스에 걸친 스위치 엘리먼트들의 순환을 적응적으로 조정하도록 구성된, 장치.
  24. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 1 조정기 회로는 마그네틱 필터를 포함하는, 장치.
  25. 제 22 항에 있어서,
    상기 제 2 조정기 회로는 마그네틱 필터를 포함하는, 장치.
  26. 제 17 항에 있어서,
    상기 전하 펌프 회로는 다중 스테이지 (multi-stage) 전하 펌프를 포함하는, 장치.
  27. 전하 펌프를 동작시키기 위한 방법으로서, 상기 전하 펌프 내에서 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트로부터의 스위치 엘리먼트들은 커패시터들 간의 전하 이동을 허용하기 위해 커패시터 엘리먼트들의 터미널들을 커플링하도록 구성되고, 스위치 엘리먼트들의 제 2 세트로부터의 스위치 엘리먼트들은 커패시터 엘리먼트들의 터미널들을 고 전압 터미널 및 저 전압 터미널로 이루어진 그룹으로부터 선택된 제 1 터미널로 커플링하도록 구성되고,
    상기 방법은, 상기 고 전압 터미널 및 상기 저 전압 터미널 간의 전압 변환을 야기하는 단계를 포함하고,
    상기 전압 변환을 야기하는 단계는 상태들의 시퀀스에 걸쳐서 상기 스위치 엘리먼트들을 순환 (cycle) 시키는 단계를 포함하고, 각 상태는 상기 스위치 엘리먼트들의 대응하는 구성 (configuration) 정의하고, 상기 상태들 중 적어도 셋은 엘리먼트들의 쌍 간의 전하 이동을 허용하는 상기 스위치 엘리먼트들의 상이한 구성들을 정의하고, 상기 엘리먼트들의 쌍은 제 1 커패시터 및 제 2 커패시터, 그리고 제 1 커패시터 및 상기 제 1 터미널로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 방법.
  28. 제 27 항에 있어서,
    조정기 (regulator) 회로 및 상기 전하 펌프 회로 사이를 흐르는 평균 전류를 유지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  29. 제 27 항에 있어서,
    상기 제 1 터미널에서의 전류를 조정함으로써 조정기 회로 및 상기 전하 펌프 회로 사이를 흐르는 평균 전류를 유지하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  30. 제 27 항에 있어서,
    상태들의 시퀀스에 걸쳐서 상기 스위치 엘리먼트들을 순환시키는 단계는, 전하 펌프 순환 시간의 부분의 대응하는 기간 동안 각각의 상태를 유지하는 단계를 포함하는, 방법.
  31. 제 30 항에 있어서,
    상기 상태들의 기간들은 각 순환의 상태들의 시퀀스에 걸쳐서 복수의 커패시터들 각각의 밸런싱된 충전 및 방전을 유지하도록 선택되는, 방법.
  32. 제 27 항에 있어서, 조정기 회로 및 상기 전하 펌프 회로 사이의 평균 전류를 제어하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  33. 제 27 항에 있어서,
    조정기 회로를 상기 제 1 터미널에 커플링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  34. 제 33 항에 있어서,
    상기 조정기 회로로 하여금 상기 전하 펌프 회로의 상기 저 전압 터미널에 전류 부하를 제공하도록 하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  35. 제 33 항에 있어서,
    상기 조정기 회로로 하여금 상기 전하 펌프 회로의 상기 고 전압 터미널에 전류 부하를 제공하도록 하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  36. 제 33 항에 있어서,
    상기 조정기 회로로 하여금 상기 전하 펌프 회로의 상기 저 전압 터미널에 전류원으로서 동작하도록 하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  37. 제 33 항에 있어서,
    상기 조정기 회로로 하여금 상기 전하 펌프 회로의 상기 고 전압 터미널에 전류원으로서 동작하도록 하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  38. 제 33 항에 있어서,
    상기 조정기 회로 및 상기 전하 펌프 회로 사이를 흐르는 펄스 전류를 야기하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  39. 제 27 항에 있어서,
    상기 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트 및 제 2 세트로부터의 스위치 엘리먼트들을 상기 커패시터 엘리먼트들의 터미널들로 커플링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  40. 제 39 항에 있어서,
    상기 스위치 엘리먼트들을 커플링하는 단계는 다상 (multi-pahse) 전하 펌프를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  41. 제 39 항에 있어서,
    상기 스위치 엘리먼트들을 커플링하는 단계는 단상 (single-phase) 전하 펌프를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  42. 제 39 항에 있어서,
    상기 스위치 엘리먼트들을 커플링하는 단계는 다중 스테이지 (multi-stage) 전하 펌프를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  43. 제 39 항에 있어서,
    상기 스위치 엘리먼트들을 커플링하는 단계는 캐스캐이드 배율기 (multiplier) 를 형성하는 단계를 포함하는, 방법.
  44. 제 29 항에 있어서,
    상기 조정기 회로가 스위치 모드 전력 컨버터가 되도록 선택하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  45. 제 29 항에 있어서,
    상기 조정기 회로가 벅 (buck) 컨버터가 되도록 선택하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  46. 제 27 항에 있어서,
    상기 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트 및 제 2 세트 중 적어도 하나로부터 센서 신호들을 수신하는 단계, 및
    상기 센서 신호들에 적어도 부분적으로 기초하여 상태들의 시퀀스에 걸친 상기 스위치 엘리먼트들의 순환을 적응적으로 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  47. 제 27 항에 있어서,
    제 1 조정기를 상기 고 전압 터미널에 커플링하는 단계, 및
    제 2 조정기를 상기 저 전압 터미널에 커플링하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  48. 제 47 항에 있어서,
    상기 제 2 조정기가 마그네틱 필터가 되도록 선택하는 단계, 및
    상기 제 1 조정기가 컨버터가 되도록 선택하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  49. 제 47 항에 있어서,
    상기 제 1 조정기가 마그네틱 필터가 되도록 선택하는 단계, 및
    상기 제 2 조정기가 컨버터가 되도록 선택하는 단계를 더 포함하는, 방법.
  50. 제 27 항에 있어서,
    상기 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트 및 제 2 세트 중 적어도 하나를 제어하는 단계, 및
    상기 스위치 엘리먼트들의 제 1 세트 및 제 2 세트 중 적어도 하나로부터 수신된 센서 신호들에 적어도 부분적으로 기초하여 상태들의 시퀀스에 걸친 상기 스위치 엘리먼트들의 순환을 적응적으로 조정하는 단계를 더 포함하는, 방법.


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