具有電解電容器的低頻轉(zhuǎn)換器的制造方法
【專利摘要】在本發(fā)明的一個實施例中，描述了低頻轉(zhuǎn)換器，其包括充電到輸入電壓的第一電解電容器和耦合到第一電解電容器的第二電解電容器。第二電解電容器與低頻轉(zhuǎn)換器的輸出電壓相關(guān)聯(lián)。每個電解電容器均可以具有至少一毫法拉（mF）的電容和小于一千赫茲的開關(guān)頻率。
【專利說明】具有電解電容器的低頻轉(zhuǎn)換器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明所公開的實施例總體上涉及具有電解電容器的低頻轉(zhuǎn)換器，并且更具體地涉及具有固定比率的低頻轉(zhuǎn)換器。

【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)代社會依靠能量的隨時可用性。隨著對能量的需求增加，能夠高效地存儲能量的裝置變得越來越重要。結(jié)果，在電子學(xué)領(lǐng)域中及其外正在廣泛地使用包括電池、電容器、電解電容器(EC)(包括準電容器和雙電層電容器(EDLC)—亦稱為超級電容器等其他名稱)、混合EC等等的能量儲存裝置。具體地，電容器廣泛地用于范圍從電氣電路和功率輸送到電壓調(diào)節(jié)和電池置換的應(yīng)用。電解電容器的特征在于高能量存儲容量以及包括高功率密度、小尺寸和低重量的其他所希望的特性，并且因此已經(jīng)變?yōu)橛糜谠谌舾赡芰看鎯?yīng)用中使用的有遠景的候選。
[0003]對在處理器設(shè)計中使用多于一個的電壓來減少功率消耗和引腳數(shù)繼續(xù)存在相當大的興趣。高性能電路能夠使用與用于低性能路徑的低電壓比較的較高的電壓。然而，電壓調(diào)節(jié)器(VR)在非常輕的負載條件期間貢獻顯著的功率損耗(20?50%)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0004]根據(jù)對結(jié)合圖中的附圖所進行的以下詳細描述的閱讀，將更好地理解所公開的實施例，在附圖中:
圖1-2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的能量存儲裝置的橫截面?zhèn)纫晥D圖示；
圖3是根據(jù)本發(fā)明的實施例的能量存儲裝置的多孔結(jié)構(gòu)內(nèi)的雙電層的橫截面?zhèn)纫晥D圖示；
圖4A-4B是根據(jù)本發(fā)明的實施例的一片多孔硅的橫截面?zhèn)纫晥D掃描電子顯微鏡圖像；圖5是根據(jù)本發(fā)明的實施例的在電解質(zhì)和能量存儲裝置的多孔結(jié)構(gòu)之間的層的橫截面?zhèn)纫晥D圖示；
圖6圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的開關(guān)電容器電路的電路圖；
圖7圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的開關(guān)電容器電路的電路圖；
圖8和9圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的示出操作模式的開關(guān)電容器電路的等效電路圖；
圖10和11圖示出根據(jù)本發(fā)明的其他實施例的開關(guān)電容器電路的輸入和輸出波形；
圖12圖示出根據(jù)本發(fā)明的其他實施例的分壓器電路的電路圖；
圖13圖示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的降壓轉(zhuǎn)換器電路的電路圖；
圖14圖示出根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的降壓轉(zhuǎn)換器電路的電路圖；
圖15圖示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的倍壓器電路的電路圖；
圖16圖示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電壓反相器電路的電路圖；
圖17是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的、操作開關(guān)電容器電路的方法的流程圖； 圖18是根據(jù)本發(fā)明的實施例的移動電子裝置的框圖圖示；和圖19是根據(jù)本發(fā)明的實施例的微電子裝置的框圖圖示。
[0005]為了圖示的簡單和清楚起見，繪制的圖圖示出構(gòu)造的通用方式，并且可以省略公知的特征和技術(shù)的描述和細節(jié)，以避免不必要地使所描述的本發(fā)明的實施例的討論模糊。另外，對繪制的圖中的要素不一定按比例進行繪制。例如，可以相對于其他要素擴大圖中的一些要素的尺寸，以幫助改善對本發(fā)明的實施例的理解?？梢砸岳硐牖绞绞境瞿承﹫D，以便幫助理解，諸如在真實世界條件下本來將可能相當?shù)馗粚ΨQ和整齊的結(jié)構(gòu)被示出為具有直線、銳角和/或平行平面等等的情況。不同的圖中的相同的附圖標記表示相同的要素，而類似的附圖標記可以表示但是不一定表示類似的要素。
[0006]如果有的話，在描述中和在權(quán)利要求中的術(shù)語“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等等用于區(qū)分類似的要素，而不一定用于描述特定連續(xù)的或按時間的順序。應(yīng)當理解，在適當?shù)那闆r下，這樣使用的術(shù)語是可互換的，使得在本文描述的本發(fā)明的實施例例如能夠按照并非所圖示出的那些或另外在本文描述的那些的順序操作。類似地，如果方法在本文被描述為包括一系列步驟，則在本文呈現(xiàn)的這樣的步驟的次序不一定是可以執(zhí)行這樣的步驟的僅有的次序，并且可以可能地省略某些所陳述的步驟，和/或可以可能地將沒有在本文描述的某些其他步驟添加到方法。此外，術(shù)語“包括”、“包括”、“具有”和其任何變體意圖覆蓋非排它性包括，使得包括一系列要素的過程、方法、產(chǎn)品或設(shè)備不一定限于那些要素，而是可以包括沒有明確地列出的或者對于這樣的過程、方法、產(chǎn)品或設(shè)備來說固有的其他要素。
[0007]如果有的話，在描述中和在權(quán)利要求中的術(shù)語“左”、“右”、“前”、“后”、“頂部”、“底部”、“之上”、“之下”等等用于描述的目的，而非一定用于描述永久的相對位置，除非另外特別地或者通過上下文指出。應(yīng)當理解，在適當?shù)那闆r下，這樣使用的術(shù)語是可互換的，以使得本文中描述的本發(fā)明的實施例例如能夠按照并非所圖示出的或另外在本文描述那些的其他方位操作。如在本文所使用的術(shù)語“耦合”被定義為以電氣或非電氣方式直接地或間接地連接。視使用措詞“靠近”的上下文的情況，在本文被描述為彼此“靠近”的對象可以彼此物理接觸、非常接近于彼此，彼此處于相同的通用區(qū)域或范圍。本文中措詞“在一個實施例中”的出現(xiàn)不一定都指的是相同的實施例。

【具體實施方式】
[0008]電壓調(diào)節(jié)器(VR)在非常輕的負載條件期間貢獻顯著的功率損耗(2(Γ50%)。需要開發(fā)在極其輕的負載條件之下能夠非常高效地操作的VR解決方案。本發(fā)明的實施例提供使用具有極其低的開關(guān)頻率的獨特的電解電容器的獨特的開關(guān)電容器VR，以實現(xiàn)在輕負載條件之下降低損耗的目標。能夠利用電解電容器來制造并且利用小于或等于I千赫茲(例如，小于100Hz、小于1Hz)的開關(guān)頻率來設(shè)計功率轉(zhuǎn)換器電路。這能夠降低由于對電容器進行充電和放電所造成的損耗。由于與電容*電壓2*開關(guān)頻率成比例的開關(guān)損耗，通常在非常輕的負載(例如，典型的備用條件)下由電壓調(diào)節(jié)器消耗總平臺功率的50%以上。以非常低的開關(guān)頻率(例如，小于100Hz)工作的本公開的轉(zhuǎn)換器能夠?qū)溆脫p耗降低到非常小的值(例如，小于轉(zhuǎn)換器的備用損耗的10%)，從而導(dǎo)致用于移動和手持平臺的非常長的電池壽命。能夠通過使用多孔硅電解電容器來實現(xiàn)單片集成。電解電容器中的固態(tài)的或凝膠電解質(zhì)使集成簡化。能夠通過設(shè)計具有平面的且淺的孔(例如，I至25微米)的多孔硅電解電容器來實現(xiàn)超低有效串聯(lián)電阻(ESR)。例如，ESR能夠具有0.0Ol至I ohm的范圍。另外，該轉(zhuǎn)換器電路與降壓轉(zhuǎn)換器的組合能夠被用于提高效率并且由此降低降壓轉(zhuǎn)換器所需要的電感器的尺寸。替代地，也能夠使用電解電容器來制備低頻開關(guān)電容器倍壓器或電壓反相器。
[0009]本設(shè)計不同于用于轉(zhuǎn)換器的先前的方式，因為本設(shè)計包括具有高電容(例如，毫法拉至法拉)的電解電容器。與先前的方式的數(shù)百kHz至幾MHz相比，本設(shè)計的開關(guān)頻率相當?shù)?例如，小于1kHz)。與經(jīng)歷諸如電磁干擾(EMI)或射頻干擾之類的噪音問題的高頻轉(zhuǎn)換器對比，低頻轉(zhuǎn)換器不具有噪音問題。本設(shè)計能夠應(yīng)用于平臺級別的電壓調(diào)節(jié)器以及完全集成的管芯上硅級別的實施方式兩者。
[0010]在一個方面中，通用技術(shù)使能量存儲裝置到封裝上或者電子裝置的主體中的集成簡化。這樣的技術(shù)可以用于將導(dǎo)電性多孔結(jié)構(gòu)應(yīng)用到各個襯底和表面，并且制造用于需要薄的形狀因數(shù)的應(yīng)用的薄能量存儲裝置。例如，在一個實施例中，能量存儲裝置被集成在移動電子裝置的殼體中。
[0011]能夠?qū)⒛芰看鎯ρb置直接地形成到或傳遞到襯底上，該襯底用于使用諸如多孔硅、石墨烯、碳納米管、納米線之類的材料或其他多孔材料將微電子器件與其他微晶片封裝。能量存儲裝置能夠用于在微處理器中為諸如加速模式(turbo mode)的電路功能提供功率，這是因為與諸如電路板電容器之類的其他能量源相比他們將被定位成與微處理器更接近。能量存儲裝置還可以是硅橋襯底的一部分。常規(guī)的硅橋可以是具有連接兩個管芯的導(dǎo)電接線的無源襯底。能量存儲裝置可以被形成在連接兩個管芯的硅橋上。以這樣的方式，將能量存儲裝置定位成非常接近于微處理器以便例如在加速模式期間向微處理器快速提供功率可以是可能的。
[0012]盡管在本文的大部分討論將集中于電解電容器(包括準電容器和雙電層電容器)，但除EC、混合EC以及電池之外，“能量存儲裝置”的命名明確地包括燃料電池和存儲能量的類似裝置。根據(jù)本發(fā)明的實施例的能量存儲裝置能夠被用于廣泛的各種的應(yīng)用，包括在汽車、公共汽車、火車、飛機、其他交通車輛、家庭能量存儲裝置、由太陽能或風(fēng)能發(fā)電機(尤其是能量采收裝置)生成的能量的儲存裝置、微電子學(xué)裝置、移動電子裝置和許多其他裝置中。
[0013]電解電容器根據(jù)與支配常規(guī)平行板電容器的原理類似的原理進行操作，但是某些重要區(qū)別的確適用。一個顯著區(qū)別涉及電荷分離機構(gòu)。對于EC的一個重要類別，這通常采取所謂的雙電層或EDL而不是常規(guī)電容器的電介質(zhì)的形式。在高表面面積的電極和電解質(zhì)之間的界面由離子的電化學(xué)行為產(chǎn)生EDL，并且不管這些層是如此靠近在一起的事實，EDL導(dǎo)致電荷的有效分離(物理分離距離是單個納米數(shù)量級)。因此，典型的EDL電容器可以被認為在其EDL中存儲電荷。EDL的每個層是導(dǎo)電性的，但是雙層屬性阻止電流流經(jīng)它們之間的邊界。(以下與圖4結(jié)合進一步討論EDL)。
[0014]如在常規(guī)的電容器中真實的，EDL電容器中的電容與電極的表面面積成比例，并且與電荷分離距離成反比。在EDL電容器中可實現(xiàn)的非常高的電容部分地由于可歸因于多孔結(jié)構(gòu)的非常高的表面面積和可歸因于EDL的納米標度電荷分離距離，其由于電解質(zhì)的存在而發(fā)生，如以上解釋的。
[0015]另一個類別的電解電容器是準電容器，其中代替EDL電容，不同種類的電容——其從本源上是感應(yīng)電流的而非靜電的一能夠以某些類型的電極出現(xiàn)。該不同種類的電容被稱作“準電容”。準電容器是像電容器一樣動作但是也顯示出導(dǎo)致電荷存儲的反應(yīng)的能量存儲裝置。通常，準電容器的電極之一涂覆有諸如Mn02、RuO2, N1x, Nb2O5, V2O5等等的過渡金屬氧化物或涂覆有其他材料，包括Mo2N、VN、W2N、W2C (碳化鎢)、Mo2C、VC、適當?shù)膶?dǎo)電聚合物或類似的材料。能夠與諸如氫氧化鉀(KOH)之類的電解質(zhì)一起使用這些材料；當裝置被充電時，電解質(zhì)將在允許以類似于電池的能量存儲的方式存儲能量的反應(yīng)中與所述材料反應(yīng)。更具體地，這些材料通過高度可逆的表面和表面下的氧化還原(感應(yīng)電流)反應(yīng)來存儲能量，但是同時雙電層能量存儲機構(gòu)保持就位并且提供用于高功率的電勢。
[0016]混合電解電容器是將EC和電池的屬性組合的能量存儲裝置。在一個示例中，涂覆有鋰離子材料的電極與電解電容器組合，以便產(chǎn)生具有EC的快速充電和放電特性以及電池的高能量密度的裝置。在另一方面，像電池一樣，混合EC與電解電容器相比具有較短的預(yù)期壽命。
[0017]圖1-2是根據(jù)本發(fā)明的實施例的能量存儲裝置100的橫截面視圖。如圖1和2中所圖示的，能量存儲裝置100包括導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)110和導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)120。導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)110和120中的至少一個包括多孔結(jié)構(gòu)。在圖1-2中所圖示的實施例中，兩個導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)都包括導(dǎo)電性多孔結(jié)構(gòu)。在所圖示出的特定實施例中，多孔結(jié)構(gòu)包含多個溝道，每一個溝道具有到多孔結(jié)構(gòu)的表面的開口。該特征可以是用于形成多孔結(jié)構(gòu)的以下描述的電化學(xué)蝕刻過程的結(jié)果。舉例來說，多孔結(jié)構(gòu)可以被形成在諸如導(dǎo)電材料或半導(dǎo)電的材料之類的導(dǎo)電性材料內(nèi)。替代地，多孔結(jié)構(gòu)可以被形成在已經(jīng)涂覆有導(dǎo)電膜(例如，諸如氮化鈦(TiN)之類的ALD導(dǎo)電薄膜)的絕緣材料(例如礬土)內(nèi)。在這點上，具有更高的導(dǎo)電性的材料是有利的，這是因為它們使有效串聯(lián)電阻降低。在所圖示的實施例中，導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)110和導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)120兩者都包括這樣的多孔結(jié)構(gòu)。相應(yīng)地，在一些實施例中，導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)110包括具有到對應(yīng)的多孔結(jié)構(gòu)的表面115的開口 112的溝道111，并且導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)120包括具有到對應(yīng)的多孔結(jié)構(gòu)的表面125的開口 122的溝道121。在僅僅導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)110和120之一包括具有多個溝道的多孔結(jié)構(gòu)的實施例中，另一個導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)能夠例如是金屬電極或多晶硅結(jié)構(gòu)。在其他的實施例中，多孔結(jié)構(gòu)與圖1-2中圖示的形態(tài)相比具有不同的形態(tài)，這可以是例如氣凝膠或電紡技術(shù)的結(jié)果。
[0018]如剛剛描述的，在實施例中，通過電化學(xué)蝕刻，導(dǎo)電性多孔結(jié)構(gòu)被形成在導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)內(nèi)。在導(dǎo)電性襯底是硅的情況下，電化學(xué)蝕刻電解液例如可以包括氫氟酸(HF)或HF乙醇溶液。在利用電化學(xué)蝕刻來形成導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)的多孔結(jié)構(gòu)的情況下，能夠通過各種方式來提供導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)。例如，導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)能夠是硅晶圓的一部分，或者是沉積在襯底上的硅層。能夠使用諸如外延沉積和化學(xué)氣相淀積(CVD)之類的技術(shù)來生長硅。在實施例中，可以采用較不昂貴的方法，該方法中能夠在各種襯底和表面上沉積硅層。在實施例中，能夠利用硅顆粒的熱噴涂(例如等離子噴涂)來形成硅層。在實施例中，硅顆粒是多晶硅。在另一個實施例中，能夠利用鑄造技術(shù)來形成硅顆粒的硅層。除硅之外，也可以使用諸如多孔鍺和多孔錫之類的其他材料。使用多孔硅的可能的優(yōu)點包括其與現(xiàn)存硅技術(shù)的兼容性。作為針對該材料的現(xiàn)存技術(shù)的結(jié)果，多孔鍺享有類似的優(yōu)點，并且與硅相比，享有另外的可能的優(yōu)點——其自然氧化物(氧化鍺)是水溶性的，并且因此容易去除。(形成在硅的表面上的自然氧化物可以捕獲電荷——這是不合需要的結(jié)果。)多孔鍺也與硅技術(shù)高度地兼容。使用多孔錫(其是零帶隙材料)的可能的優(yōu)點包括其相對于某些其他導(dǎo)電和半導(dǎo)電材料的增強的導(dǎo)電率。也可以對于多孔結(jié)構(gòu)使用其他材料，包括碳化硅、諸如硅和鍺的合金之類的合金，和諸如銅、鋁、鎳、鈣、鎢、鑰和錳之類的金屬。
[0019]在實施例中，利用氣凝膠技術(shù)來形成導(dǎo)電性多孔結(jié)構(gòu)。例如，能夠?qū)⒛z沉積在襯底上，并且然后經(jīng)由諸如超臨界干燥和冷凍干燥之類的過程從凝膠中提取液體組分。能夠通過使用襯底表面的受控紋理來實現(xiàn)對襯底的氣凝膠粘合。可能適合于利用氣凝膠技術(shù)形成導(dǎo)電性多孔結(jié)構(gòu)的材料包括硅、碳、釩、鑰、釕和錳。使用這樣的干燥過程的可能的優(yōu)點是低溫處理的使用可能與在微電子器件封裝中使用的聚合體兼容。在實施例中，使用厚的光刻膠和電紡導(dǎo)電納米結(jié)構(gòu)(例如碳納米管)把導(dǎo)電性多孔結(jié)構(gòu)形成到襯底上。
[0020]能量存儲裝置100的各種配置是可能的。在圖1的實施例中，例如，能量存儲裝置100包括兩個不同的導(dǎo)電性多孔結(jié)構(gòu)(S卩，導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)110和導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)120)，在這些結(jié)構(gòu)之間已經(jīng)利用分離物130將兩個不同的導(dǎo)電性多孔結(jié)構(gòu)面對面結(jié)合在一起。作為另一個示例，在圖2的實施例中，能量存儲裝置100包括單平面導(dǎo)電性多孔結(jié)構(gòu)，其中通過包含分離物130的溝槽231把第一區(qū)段(導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)110)與第二區(qū)段(導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)120)分離。導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)之一將是正側(cè)，并且另一個導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)將是負側(cè)。
[0021]圖2示出連接導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)110和導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)120的小材料橋。如果置之不理(leftunaddressed)，該橋可以充當兩個導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)之間的電短路。然而，存在若干可能的解決方案。例如，可以使用拋光操作來去除該橋。根據(jù)本發(fā)明的實施例，然后可以通過一些其他手段或通過分離物130將導(dǎo)電結(jié)構(gòu)保持分開。替代地，導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)可以被形成在晶片的重摻雜頂層或區(qū)域中，而溝槽向下延伸至下層輕摻雜襯底，該襯底不是很好的導(dǎo)體。替代地，可以對橋執(zhí)行諸如氧化步驟之類的另外的處理以使其較不導(dǎo)電，或者可以使用絕緣體上硅結(jié)構(gòu)。
[0022]還應(yīng)注意，對圖1-2中的多孔結(jié)構(gòu)的描繪是高度理想化的，僅僅提出一個示例，如所有溝道111和121被示出為僅僅垂直地擴展。實際上，溝道會在多個方向上分叉以產(chǎn)生可以看起來像圖4B中示出的多孔結(jié)構(gòu)的纏結(jié)的、混亂的圖案。
[0023]圖4B是多孔硅層的橫截面?zhèn)纫晥D掃描電子顯微鏡(SEM)圖像400。用電化學(xué)方式蝕刻硅層以形成根據(jù)本發(fā)明的實施例的多孔硅結(jié)構(gòu)。在圖4B中圖示的實施例中，未蝕刻的硅的層402保留在蝕刻的多孔硅結(jié)構(gòu)411的下面。在一個實施例中，未蝕刻層402充當多孔結(jié)構(gòu)411 (和對應(yīng)的能量存儲裝置，未示出)的支撐結(jié)構(gòu)。圖4A是在圖4B中示出的多孔硅結(jié)構(gòu)411的頂視圖SEM圖像400。
[0024]再次參考圖1-2，分離物130阻止陽極和陰極的物理接觸(這將將造成裝置中的電氣故障)，同時允許離子電荷載體的傳遞。例如，分離物130能夠是滲透膜或其他多孔聚合體分離物。除聚合體分離物之外，若干其他分離物類型也是可能的。這些包括非紡織纖維片、液體膜、聚合體電解質(zhì)、固體離子導(dǎo)體，等等。分離物130可以是向能量存儲裝置100提供結(jié)構(gòu)剛度的固體或半固體(例如，凝膠)材料。在實施例中，分離物130是固體或半固體電解質(zhì)，兩者都允許離子電荷載體的傳遞并且阻止兩個導(dǎo)電結(jié)構(gòu)的物理接觸。在實施例中，固體或半固體電解質(zhì)分離物130滲透到如圖1-2中所圖示的并且在以下段落中更詳細地被描述的導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)110、120中的至少一個的多孔結(jié)構(gòu)中。以這樣的方式，除提供間隔體的角色之外，分離物130還可以借助于與電解質(zhì)150混合或化學(xué)結(jié)合和/或與多孔結(jié)構(gòu)進行附加的機械聯(lián)鎖或化學(xué)結(jié)合來向能量存儲裝置100提供附加負載承載結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。在實施例中，固體或半固體電解質(zhì)包括提供結(jié)構(gòu)剛度的聚合物基體。為了提供附加的離子傳遞，離子液體能夠與分離物130中的聚合物基體混合。聚合物基體也可以包括共聚合體。例如，共聚合體能夠包括提供聚合物基體的結(jié)構(gòu)支柱的第一聚合體，以及提供增加的離子導(dǎo)電率的第二聚合體。舉例來說，共聚合體能夠包括聚酰亞胺支柱和用于離子導(dǎo)電率的聚環(huán)氧乙烷。在實施例中，聚酰亞胺的分子量高于聚環(huán)氧乙烷的分子量。
[0025]圖1-2中還圖示出電解質(zhì)150，電解質(zhì)150引起EDL。在一些實施例中，電解質(zhì)150是有機的。根據(jù)本發(fā)明的實施例可以使用的一種類型的電解質(zhì)是離子溶液(液體或固體)。另一種是包括含離子溶劑的電解質(zhì)(例如，Li2S04、LiPF6X作為一個示例，電解質(zhì)能夠是諸如乙腈中的四乙銨四氟硼酸鹽之類的有機材料的液體或固體溶液。其他示例包括基于硼酸、硼酸鈉或弱有機酸的溶液。有機電解質(zhì)和固態(tài)的電解質(zhì)也是可能的。在特定實施例中，電解質(zhì)150是液體電解質(zhì)溶液，并且分離物130是固體或半固體電解質(zhì)。然而，電解質(zhì)150也可以是用于形成分離物130的相同的材料。使用圓圈和點的隨機排列在附圖中表示電解質(zhì)150和固體或半固體電解質(zhì)分離物130,其中用未填充的圓圈來表不電解質(zhì)150,并且用點來表示固體或半固體電解質(zhì)分離物130。該表示意圖傳達如下思想:電解質(zhì)130、150是包含自由離子的物質(zhì)(液體或固體，包括膠狀的材料)。為了方便起見而選擇圓圈和點，并且圓圈和點不意圖暗示關(guān)于成份或質(zhì)量的任何限制，包括關(guān)于離子的尺寸、形狀或數(shù)量的任何限制。也選擇圓圈和點來清楚地圖示出固體或半固體電解質(zhì)分離物130到導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)110、120的多孔結(jié)構(gòu)中的滲透以及電解質(zhì)150到固體或半固體電解質(zhì)分離物130中的滲透的可能性。在圖1-2中圖示的特定實施例中，電解質(zhì)130、150被圖示為在溝道111、121 (或孔)的表面115、125處的區(qū)域中混合。根據(jù)本發(fā)明的實施例，能夠控制電解質(zhì)130、150的混合的量。例如，在另一個實施例中，電解質(zhì)130 (由點表示)滲透溝道111、121 (或其他多孔結(jié)構(gòu))的大部分，并且甚至可以完全地滲透溝道111、121 (或其他多孔結(jié)構(gòu))。同樣地，能夠控制電解質(zhì)150 (由未填充的圓圈表示的)到電解質(zhì)150中的滲透。
[0026]圖3示意地描繪形成在具有電解質(zhì)150的溝道111之一內(nèi)的雙電層(EDL)330。將理解的是，盡管在溝道111內(nèi)僅僅示出電解質(zhì)150，但電解質(zhì)130也可以存在于溝道111內(nèi)，并且取決于滲透的量而貢獻EDL。EDL330由兩個電荷層組成，其之一是溝道111的側(cè)壁的電荷(在圖3中被描繪為正的，但其也能夠是負的)，并且其另一個由電解質(zhì)中的自由離子形成。EDL330使表面以電氣方式絕緣，因此提供電容器起作用所需的電荷分離。由于電解質(zhì)離子和電極表面電荷之間的小的(大致Inm)的分離，EDLC的大電容以及因此的能量存儲電勢出現(xiàn)。
[0027]再次參考圖1-2，能量存儲裝置100還可以在多孔結(jié)構(gòu)的至少一部分上以及溝道111和/或溝道121中的至少一些中包括導(dǎo)電性涂層140。這樣的導(dǎo)電性涂層可能是必要的，以便維持或增強多孔結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電率，或者其在降低ESR從而提高性能方面可以是有幫助的。例如，具有較低ESR的裝置能夠遞送較高功率(這在更大的加速度、更多馬力等等方面可以是明顯的)。相比之下，至少部分地由于大部分能量作為熱量被浪費的事實，較高的ESR(在典型的電池內(nèi)部普遍的條件)限制可用能量的量。舉例來說，導(dǎo)電性涂層140可以是硅化物。作為另一個示例，導(dǎo)電性涂層140可以是諸如像鋁、銅和鎢的金屬涂層，或諸如氮化鎢、氮化鈦、氮化鉭，和氮化釩之類的其他電導(dǎo)體。每一個所列出的材料具有在現(xiàn)存CMOS技術(shù)中被使用的優(yōu)點。也可以使用諸如鎳和鈣之類的其他金屬作為導(dǎo)電性涂層140?？梢允褂弥T如電鍍、化學(xué)氣相淀積(CVD)和/或原子層沉積(ALD)之類的過程來應(yīng)用這些材料。
[0028]在一些實施例中，可以在電解質(zhì)150和多孔結(jié)構(gòu)110的溝道111之間放置介電層515，如圖5所圖示的。在圖5中未示出EDL，以避免不必要地使該圖復(fù)雜?？梢砸虢殡妼?15以進一步增強能量存儲裝置的電容，或者為了其他理由，諸如但不限于表面鈍化和潤濕性增強。
[0029]在一些實施例中，可以在電解質(zhì)和至少一些溝道之間放置介電層和導(dǎo)電涂層兩者。通過使用兩個層，允許針對特定參數(shù)獨立地優(yōu)化每個層。例如，可以優(yōu)化介電層以提供好的表面鈍化，而可以優(yōu)化導(dǎo)電層以提供低ESR。
[0030]如先前描述的，本發(fā)明的實施例提供使能量存儲裝置例如到電子裝置的封裝和殼體中的集成簡化的通用方法。例如，能量存儲裝置可以被集成到移動電話、膝上計算機或平板的殼體中，或被集成到移動電話、膝上計算機或平板的結(jié)構(gòu)中。例如，可以通過在殼體上形成能量存儲裝置或者在能量存儲裝置之上層壓殼體來完成這一點。
[0031]圖6圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的開關(guān)電容器電路的電路圖。開關(guān)電容器電路600包括輸入電壓602 (例如，5伏特);時鐘信號604 (例如，Vl=O伏特、V2=5伏特、TD=O,Trise=I納秒、Tfal 1=1納秒、脈沖寬度=100毫秒，并且PER=200毫秒);反相器606，用于反轉(zhuǎn)時鐘信號；電阻器Rl (例如，I毫歐)；R3 (例如，100毫歐)；R4 (例如，2歐姆)；R6 (例如，50毫歐);R7 (例如，10千歐);R8 (例如，10千歐)和R9 (例如，I千歐)。通用開關(guān)S1-S4 (例如，晶體管、二極管、M0SFET，等等)允許電路在用于電解電容器C3 (例如，2法拉)和Cl (例如，I法拉)的充電和放電模式之間進行切換。開關(guān)可以具有假定的5毫歐RDSm。在一個實施例中，負載610包括C1、R3、R9和R4。R9表示恒定負載，而R4表示取決于開關(guān)608的位置的瞬態(tài)負載。Cl和C3的電容可以非常高(例如，至少I毫法拉)并且在長時段內(nèi)保持充電。如果期望，人們能夠添加與Cl和C3并聯(lián)的常規(guī)多層片式陶瓷電容器(例如，20微法)。
[0032]圖7圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的分壓器電路的電路圖。分壓器電路700是電路600的簡化版本。電解電容器Cf對應(yīng)于圖6的C3并且電解電容器Cb對應(yīng)于圖6的Cl。在一個實施例中，輸出電壓Vw大致等于2:1分壓器電路700的輸入電壓Vin的一半。當時鐘信號712為高(邏輯“I”)時，SI和S3閉合，并且當時鐘信號712為低(邏輯“O”)時，SI和S3開路。當時鐘信號714為高(邏輯I)時，S2和S4閉合，并且當時鐘信號714為低(邏輯O)時，S2和S4開路。分壓器電路可以具有50%的占空比。
[0033]圖8和9圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的示出操作模式的分壓器電路的等效電路圖。電路800示出電路700的充電模式，其中基于時鐘信號812和814，開關(guān)SI和S3處于閉合位置中，并且開關(guān)S2和S4處于開路位置中。電路900示出電路700的放電模式，其中基于時鐘信號，開關(guān)S2和S4處于閉合位置中，并且開關(guān)SI和S3處于開路位置中。在一個實施例中，輸出電壓Vra大致等于2:1分壓器電路800和900的輸入電壓Vin的一半。
[0034]在具有100毫秒RC時間常數(shù)、具有I法拉的一個浮動電解電容器C3和I法拉的輸出電容器Cl的情況下，使用5Hz的開關(guān)頻率對電路600執(zhí)行仿真。仿真使用1.2Α/微秒的負載di/dt，并且是使用行為模型的離散實施方式。通用開關(guān)具有假定5毫歐姆的RDSm。如果需要，人們能夠在輸出處添加常規(guī)多層片式陶瓷電容器以處理di/dt事件。事實上，開關(guān)電容器VR應(yīng)當具有高的di/dt，這是因為不存在電感器來限制電流的上升。
[0035]圖10和11圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的開關(guān)電容器電路的輸入和輸出波形。通過電路600的仿真來生成輸入和輸出波形。圖10圖示出輸入電壓信號1010大致為5伏特并且輸出電壓信號1020大致為2.5伏特，其中基于圖6的開關(guān)608的閉合(這降低負載電阻并且增加輸出電流)，輸出電流1030在4秒的時間從2.5mA上升到1.2A。
[0036]圖11圖示出對于大致2.5mA的輸出電流，輸出電壓信號1110大致為2.5伏特，并且對于波動電壓1120，在基于圖6的開關(guān)608的閉合(這降低負載電阻并且增加輸出電流)在4秒的時間輸出電流為1.2A的情況下,輸出電壓信號大致為2.4伏特，。
[0037]在一個實施例中，諸如在本文描述的電路之類的電路包括第一電解電容器和耦合到第一電解電容器的第二電解電容器，當利用開關(guān)把第一電解電容器耦合到輸入電壓源時，第一電解電容器充電到輸入電壓。第二電解電容器可以是與電路的輸出電壓相關(guān)聯(lián)的輸出電容器。每個電解電容器可以具有至少一毫法拉(HiF)的電容和小于一千赫茲或小于一百赫茲的開關(guān)頻率。每個電解電容器可以包括一對多孔半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和將該一對多孔半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分離并且滲透該一對多孔半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的固體或半固體電解質(zhì)層，其中每個多孔半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含載入到多個孔中的電解質(zhì)。替代地，能夠用活性碳或其他多孔材料來替換多孔半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。每個電解電容器可以具有基于形成在具有淺孔或溝道(例如，I至25微米)的平面結(jié)構(gòu)中的孔或溝道的超低有效串聯(lián)電阻。淺孔或溝道降低離子電荷載體需要行進的距離，從而導(dǎo)致超低有效串聯(lián)電阻(例如，0.001至I歐姆)。每個電解電容器可以與電路單片地集成或者位于電路外部。電路的輸出電壓大致等于輸入電壓乘以固定比率，該固定比率可以從以下比率中選擇:1 / 2、2 / 3和I / 3。
[0038]在實施例中，電路包括多相式轉(zhuǎn)換器。在另一個實施例中，電路包括多相式升壓轉(zhuǎn)換器?；陔娐返囊髞碓O(shè)計每個電解電容器的參數(shù)，其中可設(shè)計參數(shù)包括電壓、有效串聯(lián)電阻、品質(zhì)因數(shù)和尺寸。例如，如果設(shè)計僅僅需要具有100微法拉電容的電容器，那么電容器可以被設(shè)計為多孔半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)是平面的并且具有淺孔或溝道。這將把有效串聯(lián)電阻降低到超低值。轉(zhuǎn)換器電路能夠切換到激活狀態(tài)中，以解決電路需要，諸如解決電壓或電源下降。
[0039]圖12圖示出根據(jù)本發(fā)明的其他實施例的分壓器電路的電路圖。分壓器電路1200是電路700的修改版本。電解電容器Cfi和Cf2替換圖7的CF，并且電解電容器CA、Cb和Cc替換了圖7的CB。在一個實施例中,輸出電壓V121tl大致等于輸入電壓Vin的三分之二,并且輸出電壓V122tl大致等于分壓器電路1200的輸入電壓Vin的三分之一。當時鐘信號1212為高(邏輯I)時，開關(guān)S1、S3和S5可以是閉合的，并且當時鐘信號1212為低(邏輯O)時，開關(guān)S1、S3和S5可以是開路的。當時鐘信號1214為高(邏輯I)時，開關(guān)S2、S4和S6可以是閉合的，并且當時鐘信號1214為低(邏輯O)時，開關(guān)S2、S4和S6可以是開路的。分壓器電路可以具有大致33%的占空比。
[0040]圖13圖示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的降壓轉(zhuǎn)換器電路的電路圖。降壓轉(zhuǎn)換器電路1300包括輸入電壓源1302、開關(guān)1304 (例如，晶體管開關(guān))、換向二極管1306、電感器1310、電阻器1312，和電解電容器1320。換向指的是電壓極性或電流方向的反轉(zhuǎn)。換向二極管1306的目的是每當電壓反轉(zhuǎn)極性時進行動作。降壓轉(zhuǎn)換器是遞降DC至DC轉(zhuǎn)換器。兩個開關(guān)1304和1306控制電感器1310。電路1300在當開關(guān)1304閉合并且開關(guān)1306開路時將電感器1310連接到輸入源電壓以在電感器中存儲能量與當開關(guān)1304開路并且開關(guān)1306閉合時將電感器放電到包括電容器1320和電阻器1312的負載1330中之間交替。
[0041]圖14圖示出根據(jù)本發(fā)明的另一個實施例的降壓轉(zhuǎn)換器電路的電路圖。降壓轉(zhuǎn)換器電路1400包括輸入電壓源1402、開關(guān)1404(例如，晶體管開關(guān))、開關(guān)1406 (例如，晶體管開關(guān))、電感器1410、電阻器1412、電解電容器1420，和電容器1422。兩個開關(guān)1404和1406控制電感器1410。電路1400在當開關(guān)1404閉合并且開關(guān)1406開路時將電感器1410連接到輸入源電壓以在電感器中存儲能量與當開關(guān)1404開路并且開關(guān)1406閉合時將電感器放電到包括電容器和電阻器1412的負載1430中之間交替。
[0042]在一個實施例中，功率轉(zhuǎn)換器電路(例如，降壓轉(zhuǎn)換器電路)包括:電感器，用于在第一狀態(tài)期間被耦合到輸入電壓時進行充電以及用于在第二狀態(tài)期間進行放電。負載耦合到電感器。負載包括與電阻器并聯(lián)耦合的至少一個電解電容器。功率轉(zhuǎn)換器電路的輸出電壓小于輸入電壓。至少一個電解電容器具有至少一毫法拉(HiF)的電容和小于一千赫茲的開關(guān)頻率。至少一個電解電容器可以與功率轉(zhuǎn)換器電路單片地集成。負載可以包括與電容器并聯(lián)耦合的電解電容器。電解電容器可以被設(shè)計用于低頻性能(例如，小于I千赫茲)，并且電容器可以被設(shè)計用于高頻性能。
[0043]圖15圖示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的倍壓器電路的電路圖。倍壓器電路1500是電路700的修改版本。電路1500包括輸入電解電容器C1、在開關(guān)S2和S3兩端的電解電容器Cf,和輸出電解電容器Co。在一個實施例中,輸出電壓V。大致等于輸入電壓Vin的兩倍。當時鐘信號1512為高(邏輯I)時，開關(guān)SI和S3可以是閉合的，并且當時鐘信號1512為低(邏輯O)時，開關(guān)SI和S3可以是開路的。當時鐘信號1514為高(邏輯I)時，開關(guān)S2和S4可以是閉合的，并且當時鐘信號1514為低(邏輯O)時，開關(guān)S2和S4可以是開路的。倍壓器電路可以具有大致50%的占空比。
[0044]圖16圖示出根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的電壓反相器電路的電路圖。電壓反相器電路1600是電路700的修改版本。電路1600包括電解電容器Cf和輸出電解電容器CB。在一個實施例中，輸出電壓V。大致等于反轉(zhuǎn)的輸入電壓Vin (即，Vtj=-VinX當時鐘信號1612為高(邏輯I)時，開關(guān)SI和S3可以是閉合的，并且當時鐘信號1612為低(邏輯O)時，開關(guān)SI和S3可以是開路的。當時鐘信號1614為高(邏輯I)時，開關(guān)S2和S4可以是閉合的，并且當時鐘信號1614為低(邏輯O)時，開關(guān)S2和S4可以是開路的。電壓反相器電路可以具有大致50%的占空比。
[0045]圖17是圖示出根據(jù)本發(fā)明的實施例的、操作開關(guān)電容器電路的方法的流程圖。由處理邏輯來執(zhí)行方法1700，處理邏輯可以包括硬件(電路、專用邏輯，等等)、軟件(諸如在通用計算機系統(tǒng)或?qū)Ｓ脵C器或裝置上運行的)或兩者的組合。在一個實施例中，由與在本文討論的電路(例如，電路700)、裝置或系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)的處理邏輯來執(zhí)行方法1700。
[0046]在框1702，當?shù)诙娊怆娙萜髋c第一電解電容器串聯(lián)耦合時，向電路提供輸入電壓以對第一電解電容器和第二電解電容器充電。在框1704，當?shù)诙娊怆娙萜髋c第一電解電容器并聯(lián)耦合時，將電路的第一和第二電解電容器放電。每個電解電容器可以具有至少一毫法拉(mF)的電容和小于一千赫茲的開關(guān)頻率。每個電解電容器可以具有小于一百赫茲的或替代地小于十赫茲的開關(guān)頻率。在一個實施例中，電路的輸出電壓大致等于輸入電壓乘以從以下比率中選擇的固定比率:1 / 2、2 / 3和I / 3。
[0047]圖18是根據(jù)本發(fā)明的實施例的表示移動電子裝置1800的框圖。如圖18中所圖示的，移動電子裝置1800包括襯底1810，在其上設(shè)置微處理器1820和具有與微處理器1820相關(guān)聯(lián)的能量存儲裝置1831的轉(zhuǎn)換器1830(例如，轉(zhuǎn)換器電路、開關(guān)電容器電路、電路600、電路700、電路800、電路900、電路1200、電路1300、電路1400、電路1500、電路1600等等)。轉(zhuǎn)換器1830和能量存儲裝置1831能夠遠離微處理器1820位于襯底1810上，如以實線所圖示的。具有能量存儲裝置的轉(zhuǎn)換器也能夠位于微處理器1820本身上或在微處理器1820本身的下面，如以虛線所圖示的。在一個實施例中，能量存儲裝置1831包括通過固體或半固體電解質(zhì)層彼此分離的第一和第二導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)。在實施例中，固體或半固體電解質(zhì)層滲透第一和第二導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)中的任一個或兩個的多孔結(jié)構(gòu)。在實施例中，第一和第二導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)之一包括包含多溝道的多孔結(jié)構(gòu)。舉例來說，該實施例能夠類似于在圖1-5中示出且在隨附的文本中描述的實施例中的一個或多個。
[0048]在至少一些實施例中，能量存儲裝置1831是包含在移動電子裝置1800內(nèi)的多個能量存儲裝置(其所有在圖18中由塊1831來表示)之一。在一個或多個那些實施例中，移動電子裝置1800進一步包括與能量存儲裝置相關(guān)聯(lián)的開關(guān)網(wǎng)絡(luò)1840。當電容器放電時，其不維持恒定電壓，而是改為以指數(shù)方式衰減(與在放電期間電壓保持相對恒定的電池不同)。開關(guān)網(wǎng)絡(luò)1840包括將各個電容器接通和斷開以使得維持相對恒定的電壓的電路或一些其他機構(gòu)。例如，能量存儲裝置最初能夠彼此并聯(lián)連接，并且然后，在一定量的電壓衰減之后，能量存儲裝置的子集能夠被開關(guān)網(wǎng)絡(luò)改變成串聯(lián)連接，以使得他們的個體電壓貢獻能夠使下降的總體電壓升高。在一個實施例中，能夠使用現(xiàn)有技術(shù)中使用的現(xiàn)存硅裝置技術(shù)(例如，晶體管、可控硅整流器(SCR)等等)來實施開關(guān)網(wǎng)絡(luò)1840，而在其他的實施例中，能夠使用微機電系統(tǒng)(MEMS)繼電器或開關(guān)(可以注意，其趨向于具有非常低的電阻)來實施開關(guān)網(wǎng)絡(luò)1840。
[0049]在一些實施例中，移動電子裝置1800進一步包括與能量存儲裝置1831相關(guān)聯(lián)的傳感器網(wǎng)絡(luò)1850。在至少一些實施例中，能量存儲裝置中的每一個將具有指示能量存儲裝置的某些行為參數(shù)的其自己的傳感器。例如，傳感器可以指示現(xiàn)存的電壓電平以及進行中的放電響應(yīng)，兩者都是可以由開關(guān)網(wǎng)絡(luò)使用的參數(shù)——尤其是在被使用的介電材料(或其他電絕緣體)不是線性的而是具有隨電壓而變化的介電常數(shù)的情況下。在那些情況下，可能有利的是與傳感器網(wǎng)絡(luò)一起包括有限狀態(tài)機，諸如知道電介質(zhì)的行為是什么并且相應(yīng)地進行響應(yīng)的電壓控制單元I860。知道電介質(zhì)如何動作的電壓控制單元能夠補償任何非線性。也可以包括與能量存儲裝置1831相關(guān)聯(lián)的溫度傳感器1870，以便感測溫度(或其他安全相關(guān)的參數(shù))。在本發(fā)明的某些實施例中，移動電子裝置1800進一步包括以下中一個或多個:顯示器1881、天線/ RF元件1882、網(wǎng)絡(luò)接口 1883、數(shù)據(jù)錄入裝置1884(例如，小鍵盤或觸摸屏)、麥克風(fēng)1885、照相機1886、視頻投影儀1887、全球定位系統(tǒng)(GPS)接收機1888，等等。
[0050]圖19是表示根據(jù)本發(fā)明的實施例的微電子裝置1900的框圖。如圖19所圖示的，微電子裝置1900包括襯底1910、襯底1910上方的微處理器1920，和與微處理器1920相關(guān)聯(lián)的轉(zhuǎn)換器1930。轉(zhuǎn)換器1930 (例如，轉(zhuǎn)換器電路、開關(guān)電容器電路、電路600、電路700、電路800、電路900、電路1200、電路1300、電路1400、電路1500、電路1600，等等)包括能量存儲裝置1931。轉(zhuǎn)換器和能量存儲裝置能夠遠離微處理器1920位于襯底1910上(例如，管芯側(cè)電容器，或者在硅橋上)，如以實線所圖示的，或者其能夠位于微處理器1920本身上或者在微處理器1920本身的下面(例如，微處理器上方的建立層中)，如以虛線所圖示的。能量存儲裝置也能夠被集成到微電子裝置的殼體中。
[0051]在一個實施例中，處理器(例如，微處理器1920)包括向處理器提供電源的轉(zhuǎn)換器電路1930。轉(zhuǎn)換器電路包括第一電解電容器和耦合到第一電解電容器的第二電解電容器，當利用處于閉合位置中的開關(guān)被耦合到輸入電壓源時，第一電解電容器充電到輸入電壓。第二電解電容器提供要被用作電源的輸出電壓。每個電解電容器可以具有至少一毫法拉(mF)的電容。每個電解電容器可以具有小于一千赫茲的開關(guān)頻率。每個電解電容器可以與處理器單片地集成，如圖示的，其中轉(zhuǎn)換器1930和能量存儲裝置(一個或多個電解電容器1931)位于微處理器1920內(nèi)。
[0052]在一些實施例中，在這里公開的能量存儲裝置可以被用作微電子裝置1900內(nèi)的去耦電容器，與現(xiàn)存去耦電容器相比，該去耦電容器較小并且出于在本文在別處描述的理由，提供高得多的電容和低得多的阻抗。如已經(jīng)提到的，能量存儲裝置1930能夠是支撐集成電路(IC)或芯片的部分，或者其能夠位于微處理器管芯本身上或者在微處理器管芯本身的下面。舉例來說，根據(jù)本發(fā)明的實施例，其可能能夠形成微處理器管芯上的多孔硅的區(qū)域(或如上所述的類似物)并且然后產(chǎn)生正好在微處理器管芯的襯底上的高表面面積嵌入式去耦電容器。由于硅的多孔性，嵌入式電容器將具有非常高的表面面積。所公開的能量存儲裝置的其他可能的使用包括用作存儲器存儲元件(其中可以通過大大地增加每單位面積的法拉數(shù)來解決嵌入式DRAM方式的Z方向尺寸問題)或用作可能用于與電路塊、個體微處理器核等等一起使用的電壓升壓電路中的電壓轉(zhuǎn)換器的組件。
[0053]舉例來說，在該上下文中較高的電容值能夠是有利的，這是因為電路的各部分然后能夠以某一(相對低的)電壓標稱地運行，但是然后在需要較高電壓以便提高速度的地方(例如，高速緩存存儲器、輸入/輸出(I/o)應(yīng)用)，電壓能夠被升高到較高的值。與其中到處使用較高電壓的操作方案相比，該類別的操作方案將可能是優(yōu)選的；即，在僅僅少量電路要求較高電壓的情況下，可能優(yōu)選的將是，對于該小部分的電路從較低的基準電壓升高電壓，而不是對于大多數(shù)電路從較高的基準值降低電壓。未來的微處理器生成也可以利用在本文描述的類型的電壓轉(zhuǎn)換器。使更多電容可用于在封裝周圍或在微處理器管芯周圍被部署可以幫助解決在電路周圍傳遞電壓的晶體管之間的過度高的電感的現(xiàn)存問題。
[0054]盡管已經(jīng)參考特定實施例描述了本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解，在不背離本發(fā)明的精神或范圍的情況下可以進行各種改變。因此，本發(fā)明的實施例的公開意圖說明本發(fā)明的范圍并且不意圖進行限制。本發(fā)明的范圍意圖應(yīng)當僅被限制到由所附權(quán)利要求所要求的范圍。例如，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員，將很明顯的是，可以在各種實施例中實施在本文討論的能量存儲裝置以及相關(guān)的結(jié)構(gòu)和方法，并且，以上對這些實施例中的某些的討論不一定表不對所有可能的實施例的完整的描述。
[0055]另外地，已經(jīng)關(guān)于特定實施例描述了益處、其他優(yōu)點和問題的解決方案。然而，將不把益處、優(yōu)點、問題的解決方案以及可以使任何益處、優(yōu)點，或解決方案出現(xiàn)或變得更顯著的任何一個或多個要素解釋為任何或所有權(quán)利要求的關(guān)鍵性的、要求的或必要的特征或要素。
[0056]此外，如果實施例和/或限制:(I)沒有在權(quán)利要求中被明確地主張；和(2)在等同物的原則之下是或潛在地是權(quán)利要求中的表示要素和/或限制的等同物，則在專用的原則之下，在這里公開的實施例和限制不獻給公眾。
【權(quán)利要求】
1.一種電路,包括: 第一電解電容器，當利用開關(guān)被耦合到輸入電壓源時，充電到輸入電壓；和 第二電解電容器，稱合到第一電解電容器，第二電解電容器與電路的輸出電壓相關(guān)聯(lián)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，每個電解電容器均具有至少一毫法拉(mF)的電容。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，每個電解電容器均具有小于一千赫茲的開關(guān)頻率。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，每個電解電容器均具有小于一百赫茲的開關(guān)頻率。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，每個電解電容器均包括一對多孔半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，每個多孔半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)包含載入到多個孔中的電解質(zhì)；和 固體或半固體電解質(zhì)層，將所述一對多孔半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分離并且滲透所述一對多孔半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，其中，每個電解電容器均具有基于平面且淺的孔的超低有效串聯(lián)電阻。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，每個電解電容器均與所述電路單片地集成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述輸出電壓大致等于輸入電壓乘以固定比率。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電路，其中，所述固定比率是從以下比率中選擇的:1/ 2、2 / 3和 I / 3。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述電路包括多相式轉(zhuǎn)換器。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述電路包括多相式升壓轉(zhuǎn)換器。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，基于所述電路的要求來設(shè)計每個電解電容器的參數(shù)，其中所述參數(shù)包括電壓、有效串聯(lián)電阻、品質(zhì)因數(shù)和尺寸。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述電路包括倍壓器電路。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述電路被合并在電子裝置內(nèi)，所述電路與微處理器和硅襯底相關(guān)聯(lián)。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電路，其中，所述電路包括電壓反相器電路。
15.—種操作開關(guān)電容器電路的方法,包括: 當?shù)诙娊怆娙萜髋c第一電解電容器串聯(lián)稱合時，提供輸入電壓來對第一電解電容器和第二電解電容器進行充電；以及 當?shù)诙娊怆娙萜髋c第一電解電容器并聯(lián)耦合時，對第一和第二電解電容器進行放電。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，每個電解電容器均具有至少一毫法拉(mF)的電容。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，每個電解電容器均具有小于一千赫茲的開關(guān)頻率。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，每個電解電容器均具有小于一百赫茲的開關(guān)頻率。
19.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，每個電解電容器均與硅襯底相關(guān)聯(lián)。
20.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中，輸出電壓大致等于輸入電壓乘以從以下比率中選擇的固定比率:1 / 2、2 / 3和I / 3。
21.—種功率轉(zhuǎn)換器電路，包括: 電感器，當在第一狀態(tài)期間被耦合到輸入電壓時進行充電，并且在第二狀態(tài)期間進行放電；和 耦合到電感器的負載，負載包括與電阻器并聯(lián)耦合的至少一個電解電容器。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器電容器電路，其中，所述至少一個電解電容器具有至少一毫法拉(mF)的電容。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器電路，其中，所述至少一個電解電容器具有小于一千赫茲的開關(guān)頻率。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器電路，其中，所述至少一個電解電容器與功率轉(zhuǎn)換器電路單片地集成。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器電路，其中，功率轉(zhuǎn)換器電路包括降壓轉(zhuǎn)換器。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的功率轉(zhuǎn)換器電路，其中，所述至少一個電解電容器包括與第二電解電容器并聯(lián)耦合的第一電解電容器，其中第一電解電容器被設(shè)計用于低頻性能并且第二電解電容器被設(shè)計用于高頻性能。
27.一種處理器，包括: 轉(zhuǎn)換器電路，向處理器提供電源，所述轉(zhuǎn)換器電路包括: 第一電解電容器，當被耦合到輸入電壓源時，充電到輸入電壓；和耦合到第一電解電容器的第二電解電容器，第二電解電容器與所述轉(zhuǎn)換器電路的輸出電壓相關(guān)聯(lián)。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的處理器，其中，每個電解電容器均具有至少一毫法拉(mF)的電容。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的處理器，其中，每個電解電容器均具有小于一千赫茲的開關(guān)頻率。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的處理器，其中，每個電解電容器均與所述處理器單片地集成。
【文檔編號】H02M3/06GK104205624SQ201280072112
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2012年3月30日 優(yōu)先權(quán)日:2012年3月30日
【發(fā)明者】D.S.加納, P.庫馬 申請人:英特爾公司