CN101686008A - 具有可调整输出电压的直流电路 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种具有可调整输出电压的直流电路，包含：一电容式充电泵、一可变电容及一处理单元。该电容式充电泵耦接于一电压源，用于依据一电容值与该电压源的一第一电压来产生一第二电压；该可变电容具有一输入端耦接于该电容式充电泵与一输出端耦接于一负载，用于提供一可调整电容值及于该输入端接收该第二电压，并将该输入端的该第二电压转换为该输出端的一输出电压；以及该处理单元耦接于该可变电容的该输入端与该输出端，用于检测该第二电压与该输出电压，并据以调整该可变电容的该可调整电容值来调整该可变电容所输出的该输出电压。

Description

具有可调整输出电压的直流电路

技术领域

本发明涉及一种具有可调整输出电压的直流电路，尤其涉及一种可以用于一磁性电容装置并且具有可调整输出电压的直流电路。

背景技术

现今应用上大都利用电池、电容或超级电容(Super capacitor)作为能量存储的元件。电容虽然在制程上较为简单，但因其存储容量小，只能当做短暂储能使用。而传统电池，主要是利用化学能的方式来进行能量存储，因此其能量存储密度明显优于一般电容，而可应用于各种电力供应装置，但是，缺点是：其所能产生的瞬间电力输出会受限于化学反应速率，而无法快速地充放电或进行高功率输出，且充放电次数有限，过度充放时易滋生各种问题；例如：目前所使用的蓄电池，虽然标榜着可重复使用，但还是有其寿命的限制。在多次充放电或长时间不使用的情况下，蓄电池的容量会下降，且容易损坏，原因在于蓄电池是利用化学能转换为电能，化学物质要常保其活性，才不至于失效变质，当原来的化合物活性都作用完或将近用完时，便无法再进行新的化学反应，进而导致蓄电池老化而宣告寿终。超级电容是一种介于电池与电容间的元件，又称双电层电容(ElectricalDouble-Layer Capacitor)，因同时通过部分物理储能、部分化学储能架构，故其具有比普通电容更大的容量，但其缺点是：因有化学材料而具化学特性，而易有如电池的漏电缺点，又加上因还有部分是物理特性的放电速度快的现象，如此一来就产生有很快就会没电的现象，无法达到有效蓄电功能。甚至，超级电容的耐压度不高，内阻较大，因而不可以用于交流电路，且如果使用不当会造成电解质泄漏等现象。因此，上述已知储能元件并无法同时达到各种电子产品所要求的寿命长(高充放电次数)、高能量存储密度、瞬间高功率输出及快速充放电等优点。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种可以用于一磁性电容装置并且具有可调整输出电压的直流电路，以解决上述的问题。

依据本发明的权利要求书，其公开一种具有可调整输出电压的直流电路，包含有：一电容式充电泵、一可变电容以及一处理单元。该电容式充电泵耦接于一电压源，用于依据一电容值与该电压源的一第一电压来产生一第二电压；该可变电容具有一输入端耦接于该电容式充电泵与一输出端耦接于一负载，用于提供一可调整电容值，以及在该输入端接收该第二电压，并将该输入端的该第二电压转换为该输出端的一输出电压；以及该处理单元耦接于该可变电容的该输入端与该输出端，用于检测该第二电压与该输出电压，并据以调整该可变电容的该可调整电容值来调整该可变电容所输出的该输出电压。

在一优选实施例中，该电压源为一磁性电容装置，其包含有至少一磁性电容。

在一优选实施例中，该磁性电容装置包含至少一个磁性电容，或包含由多个磁性电容(Mcap)以串联、并联或串并联方式组成的一磁性电容组。而在另一优选实施例中，磁性电容包含有一第一磁性电极、一第二磁性电极以及设于其间的一介电层，其中第一磁性电极与第二磁性电极内具有磁偶极以抑制该磁性电容的漏电流。

在另一优选实施例中，第一磁性电极包含有：一第一磁性层，具有排列成第一方向的磁偶极；一第二磁性层，具有排列成第二方向的磁偶极；以及一隔离层，包含有非磁性材料，设于第一磁性层与第二磁性层之间；其中第一方向与第二方向互为反向，以抑制磁性电容的漏电流。此外，在另一优选实施例中，第一磁性电极与第二磁性电极包含有稀土元素等，介电层由氧化钛(TiO3)、氧化钡钛(BaTiO3)或一半导体层所构成，此半导体层的其中一例为氧化硅。

如上所述，本发明的具有可调整输出电压的直流电路可以使得一磁性电容装置具有一固定的输出电压。

附图说明

图1为本发明的磁性电容与其他已知能量存储媒介的比较示意图。

图2为本发明一实施例中磁性电容的结构示意图。

图3为本发明的另一实施例中第一磁性电极的结构示意图。

图4为本发明另一实施例中一磁性电容组的示意图。

图5所绘示的为本发明的一实施例的一具有可调整输出电压的直流电路的简化方块图。

图6所绘示的为依据图5中的直流电路的一实施例的方块示意图。

图7所绘示的为依据图5中的直流电路的一实施例的方块示意图。

图8所绘示的为依据图5中的直流电路的一实施例的方块示意图。

【主要元件符号说明】

100：磁性电容

110、120：磁性电极

115、125、113、117：磁偶极

130：介电层

112、116：磁性层

114：隔离层

200：磁性电容组

300：直流电路

310：电容式充电泵

320：可变电容

330：处理单元

340：电压源

350：负载

312：第一开关元件

314：第二开关元件

316：电容

具体实施方式

在本说明书以及所附的权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定的元件，而本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同的名词来称呼同一个元件，本说明书及所附的权利要求书并不以名称的差异来作为区分元件的方式，而是以元件在功能上的差异来作为区分的准则，在通篇说明书及后续的请求项当中所提及的「包含有」为一开放式的用语，故应解释成「包含有但不限定于」，此外，「耦接」一词在此包含有任何直接及间接的电气连接手段，因此，如果文中描述一第一装置耦接于一第二装置，则代表该第一装置可以直接电气连接于该第二装置，或通过其他装置或连接手段间接地电气连接至该第二装置。

本发明所揭示的磁性电容装置包含有至少一磁性电容，其一特征在于使用磁性电容作为能量存储装置以及电力来源。值得注意的是，相较于一般电容，磁性电容可通过于上、下电极处形成的磁场，来抑制漏电流，并大幅提升能量存储密度，故可作为一极佳的能量存储装置或电力供应来源。

请参考图1，图1为本发明的磁性电容与其他已知能量存储媒介的比较示意图。相较于主要以化学能方式进行能量存储的其他已知能量存储媒介(例如传统电池或超级电容)，其所能产生的瞬间电力输出亦会受限于化学反应速率，而无法快速的充放电或进行高功率输出，且充放电次数有限，过度充放时易滋生各种问题。相比之下，由于磁性电容中存储的能量全部以电位能的方式进行存储，磁性电容除了具有可匹配的高能量存储密度外，更因充分保有电容的特性，而具有寿命长(高充放电次数)、无记忆效应、可进行高功率输出、快速充放电等特点，故可有效解决当前电池所遇到的各种问题。

请参考图2，图2为本发明一实施例中磁性电容100的结构示意图。如图2所示，磁性电容100包含有一第一磁性电极110、一第二磁性电极120，以及位于其间的一介电层130。其中第一磁性电极110与第二磁性电极120由具磁性的导电材料所构成，并通过适当的外加电场进行磁化，使第一磁性电极110与第二磁性电极120内分别形成磁偶极(magenetic dipole)115与125，以于磁性电容100内部构成一磁场，对带电粒子的移动造成影响，从而抑制磁性电容100的漏电流。

所需要特别强调的是，图2中磁偶极115与125的箭头方向仅为一示意图。对本领域技术人员而言，应可了解到磁偶极115与125实际上由多个整齐排列的微小磁偶极所迭加而成，且在本发明中，磁偶极115与125最后形成的方向并无限定，例如可指向同一方向或不同方向。介电层130则用来分隔第一磁性电极110与第二磁性电极120，以在第一磁性电极110与第二磁性电极120处累积电荷，存储电位能。

在本发明的一实施例中，第一磁性电极110与第二磁性电极120包含有磁性导电材质，例如稀土元素，介电层130由氧化钛(TiO₃)、氧化钡钛(BaTiO₃)或一半导体层，例如氧化硅(silicon oxide)所构成，然而本发明并不限于此，第一磁性电极110、第二磁性电极120与介电层130均可视产品的需求而选用适当的其他材料。

进一步说明磁性电容的操作原理如下。物质在一定磁场下电阻改变的现象，称为「磁阻效应」，磁性金属和合金材料一般都有这种磁电阻现象，通常情况下，物质的电阻率在磁场中仅产生轻微的减小；在某种条件下，电阻率减小的幅度相当大，比通常磁性金属与合金材料的磁电阻值高出10倍以上，而能够产生很庞大的磁阻效应。如果进一步结合Maxwell-Wagner电路模型，磁性颗粒复合介质中也可能会产生很庞大的磁电容效应。

在已知电容中，电容值C由电容的面积A、介电层的介电常数ε₀ε_r及厚度d决定，如下式。然而在本发明中，磁性电容100主要利用第一磁性电极110与第二磁性电极120中整齐排列的磁偶极来形成磁场，使内部存储的电子朝同一自旋方向转动，进行整齐的排列，故可在同样条件下，容纳更多的电荷，进而增加能量的存储密度。模拟于已知电容，磁性电容100的运作原理相当于通过磁场的作用来改变介电层130的介电常数，故而造成电容值的大幅提升。

$C=\frac{{\mathrm{\ϵ}}_0{\mathrm{\ϵ}}_{r}A}{d}$

此外，在本实施例中，第一磁性电极110与介电层130之间的界面131以及第二磁性电极120与介电层130之间的界面132均为一不平坦的表面，以通过增加表面积A的方式，进一步提升磁性电容100的电容值C。

请参考图3，图3为本发明的另一实施例中第一磁性电极110的结构示意图。如图3所示，第一磁性电极110为一多层结构，包含有一第一磁性层112、一隔离层114以及一第二磁性层116。其中隔离层114由非磁性材料所构成，而第一磁性层112与第二磁性层116则包含有具磁性的导电材料，并在磁化时，通过不同的外加电场，使得第一磁性层112与第二磁性层114中的磁偶极113与117分别具有不同的方向，例如在本发明的一优选实施例中，磁偶极113与117的方向为反向，而能进一步抑制磁性电容100的漏电流。此外，需要强调的是，磁性电极110的结构并不限于前述的三层结构，而可以类似的方式，以多个磁性层与非磁性层不断交错堆迭，再通过各磁性层内磁偶极方向的调整来进一步抑制磁性电容100的漏电流，甚至达到几乎无漏电流的效果。

此外，由于已知储能元件多半以化学能的方式进行存储，因此都需要有一定的尺寸，否则往往会造成效率的大幅下降。相较于此，本发明的磁性电容100以电位能的方式进行存储，且因所使用的材料可适用于半导体制程，故可通过适当的半导体制程来形成磁性电容100以及周边电路连接，进而缩小磁性电容100的体积与重量，由在此制作方法可使用一般半导体制程，其应为本领域技术人员所熟知，故在此不予赘述。

请参考图4，图4为本发明另一实施例中一磁性电容组200的示意图。承前所述，在本实施例中，利用半导体制程于一硅基板上制作多个小尺寸的磁性电容100，并通过适当的金属化制程，在该多个磁性电容100间形成电连接，从而构成一个包含有多个磁性电容100的磁性电容组200，再以磁性电容组200作为能量存储装置或外部装置的电力供应来源。在本实施例中，磁性电容组200内的多个磁性电容100以类似阵列的方式电连接，然而本发明并不限于此，而可根据不同的电压或电容值需求，进行适当的串联或并联，以满足各种不同装置的电力供应需求。

使用一磁性电容装置作为储能元件的电位能电池，相较于已知化学能电池，具有高储能密度、长使用寿命、体积小且重量轻薄的优势。然而，在磁性电容装置开始供电之后，其所提供的电压会不断下降，因此，本发明在此提供一种可以用于一磁性电容装置并且具有可调整输出电压的直流电路来解决电压下降的问题。

请参考图5，图5所绘示的为本发明的一实施例的一具有可调整输出电压的直流电路300的简化方块图。如图5所示，直流电路300包含有：一电容式充电泵310、一可变电容320以及一处理单元330。电容式充电泵310耦接于一电压源340，用于依据一电容值(例如C)与电压源340的一第一电压V1来产生一第二电压V2；可变电容320具有一输入端耦接于电容式充电泵310与一输出端耦接于一负载350，用于提供一可调整电容值(例如Cout)，以及在该输入端接收第二电压V2，并将该输入端的第二电压V2转换为该输出端的一输出电压Vout；以及处理单元330耦接于可变电容320的该输入端与该输出端，用于检测第二电压V2与输出电压Vout，并据以调整可变电容320的可调整电容值来调整可变电容320所输出的输出电压Vout，也就是Vout＝f(C，Cout)V2。在此请注意，上述的实施例仅作为本发明的举例说明，而不是本发明的限制条件，接着，本说明书将在以下段落中举例说明关于本发明的可以用于一磁性电容装置的直流电路300的操作方式。

请参考图6，图6所绘示的为依据图5中的直流电路300的一实施例的方块示意图。如图6所示，电容式充电泵310包含有一第一开关元件312、一第二开关元件314以及一电容316，其中电容式充电泵310的电容值为一定值C，亦即电容316的电容值为定值C。可变电容320以及电压源340分别为一磁性电容装置，其中可变电容320的电容值为一可调整值Cout。首先，假设电压源340一开始供电的一第一电压V1等于VDD以及第二电压V2等于2VDD，但是由于磁性电容装置所提供的第一电压V1会不断下降，所以本发明欲将直流电路300中可变电容320的一输出电压Vout调整为固定等于VDD，亦即处理单元330会检测电容式充电泵310所产生的第二电压V2与可变电容320的输出电压Vout，并据以调整可变电容320的可调整电容值Cout来调整可变电容320所输出的输出电压Vout，也就是Vout＝2VDD*C/(C+Cout)。在电容式充电泵310在充电的过程中，第一开关元件312以及第二开关元件314的连接状态如图7所示，当电容式充电泵310充电完成后，第一开关元件312以及第二开关元件314的连接状态如图8所示，而此时电容式充电泵310所产生的第二电压V2等于2VDD，所以处理单元330就会将可变电容320的可调整电容值Cout调整等于C，使得Vout＝VDD。假设过了一段时间后，电压源340的第一电压V1下降为VDD/2时，电容式充电泵310所产生的第二电压V2会等于VDD，所以处理单元330就会将可变电容320的可调整电容值Cout调整等于0，使得Vout＝VDD。此外，在此请注意，上述的实施例仅作为本发明的举例说明，而不是本发明的限制条件，举例来说，在另一实施例中，本发明的具有可调整输出电压的直流电路也可以用于一般具有固定输出电压的一电压源。

如上所述，本发明的具有可调整输出电压的直流电路可以使得一磁性电容装置具有一固定的输出电压。

以上所述仅为本发明的优选实施例，凡依本发明权利要求书所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (13)

1.一种具有可调整输出电压的直流电路，包含有：

一电容式充电泵，耦接于一电压源，用于依据一电容值与该电压源的一第一电压来产生一第二电压；

一可变电容，具有一输入端耦接于该电容式充电泵与一输出端耦接于一负载，用于提供一可调整电容值，以及在该输入端接收该第二电压，并将该输入端的该第二电压转换为该输出端的一输出电压；以及

一处理单元，耦接于该可变电容的该输入端与该输出端，用于检测该第二电压与该输出电压，并据以调整该可变电容的该可调整电容值来调整该可变电容所输出的该输出电压。

2.如权利要求1所述的直流电路，其中该电容式充电泵的该电容值为一定值。

3.如权利要求1所述的直流电路，其中该处理单元调整该可变电容的该可调整电容值，以将该可变电容所输出的该输出电压调整至一固定的已知电压值。

4.如权利要求1所述的直流电路，其中该电压源为一磁性电容装置，其包含有至少一磁性电容。

5.如权利要求4所述的直流电路，其中该磁性电容装置包含有多个磁性电容，且各该磁性电容以串联或并联的方式互相电连接。

6.如权利要求4所述的直流电路，其中该磁性电容包含有：

一第一磁性电极；

一第二磁性电极；以及

一介电层设于该第一磁性电极与该第二磁性电极之间；

其中该第一磁性电极与该第二磁性电极内具有磁偶极以抑制该磁性电容的漏电流。

7.如权利要求6所述的直流电路，其中该第一磁性电极包含有：

一第一磁性层，具有排列成第一方向的磁偶极；

一第二磁性层，具有排列成第二方向的磁偶极；以及

一隔离层，包含有非磁性材料，设于该第一磁性层与该第二磁性层之间；

其中该第一方向与该第二方向互为反向，以抑制该磁性电容的漏电流。

8.如权利要求4所述的直流电路，其与该磁性电容装置整合于一集成电路中。

9.如权利要求1所述的直流电路，其中该可变电容为一磁性电容装置，其包含有至少一磁性电容。

10.如权利要求9所述的直流电路，其中该磁性电容装置包含有多个磁性电容，且各该磁性电容以串联或并联的方式互相电连接。

11.如权利要求10所述的直流电路，其中该磁性电容包含有：

一第一磁性电极；

一第二磁性电极；以及

一介电层设于该第一磁性电极与该第二磁性电极之间；

其中该第一磁性电极与该第二磁性电极内具有磁偶极以抑制该磁性电容的漏电流。

12.如权利要求11所述的直流电路，其中该第一磁性电极包含有：

一第一磁性层，具有排列成第一方向的磁偶极；

一第二磁性层，具有排列成第二方向的磁偶极；以及

一隔离层，包含有非磁性材料，设于该第一磁性层与该第二磁性层之间；

其中该第一方向与该第二方向互为反向，以抑制该磁性电容的漏电流。

13.如权利要求9所述的直流电路，其设置于一集成电路中。

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