CN103825452B - 交换式电路 - Google Patents

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Abstract

本发明关于一种交换式电路，其包含有：多个储能元件；以及多个开关元件，耦接多个该储能元件，以产生一降压模式。本发明电路内部的功率开关元件和控制器，以及部分的电阻，都整合到集成电路内，有效地缩小了驱动电路的体积与重量。

Description

交换式电路
技术领域
本发明为一种交换式电路，尤其是有关于一种具有电容与开关元件的交换式电路。
背景技术
目前电子产品已走入可携式时代，迈向轻薄短小的体积与便宜的市场价格，但往往过多的外部元件，会使印刷电路板(PCB)的体积变得相当庞大，限制了产品的尺寸与造型，例如，市面上大多的电源转换电路，如直流/直流转换器(DC/DCconverter)、电荷泵(chargepump)、及交换式电容电路(switchedcapacitor)等，不论功率开关、被动元件或控制电路，都由离散元件所组成，而现今零件成本的下降幅度已趋于迟缓，并无太多的降价空间，未来还有可能因为原物料上涨而成本增加，当离散元件使用数量越多，则所需的组装费也越高，印刷电路板也越显庞大与笨重。
另外，磁性元件相较于电阻或是陶瓷电容，占有了较大的体积与成本，而发光二极管(lightemittingdiode，LED)驱动电路内的电解电容，也容易受到发光二极管热源干扰而导致寿命降低，约每增加10℃，其寿命就会缩短50%。因此设计一款无使用磁性元件无电解电容的驱动电路，将是非常必要地。为了有效地缩小产品体积与重量，集成电路(integratedcircuit，IC)技术将是一大发展。集成电路可以整合大多数外部离散元件，如晶体管、电阻、电容、二极管等，其裸晶(die)体积非常小，使用集成电路取代传统的印刷电路板，不仅可以减少体积与重量，还可以提高传输速率及可靠度。但是集成电路的制作成本却是相当昂贵，晶片面积与成本呈现正比关系。
况且，大功率级的电源转换电路，内部所使用的功率开关元件，若整合到集成电路内，占用的晶片面积比例相当庞大。一般来说，一颗大功率开关元件，其面积约占整体控制电路的5~10倍以上，如果电路内使用多颗功率开关元件时，相对会耗费了极大的制作成本。而传统的交换式电容电路，使用三颗电容产生3~4种降压模式条件下，至少会用到8~9颗功率开关元件，其晶片面积会过于庞大。
发明内容
在一实施例中，本发明提供一种交换式电路，其包含有：多个储能元件；以及多个开关元件，耦接多个该储能元件，以产生一降压模式。
所述的交换式电路，其中，多个该储能元件包括一第一储能元件、一第二储能元件与一第三储能元件，而多个该开关元件包括一第一开关元件、一第二开关元件、一第三开关元件、一第四开关元件、一第五开关元件、一第六开关元件与一第七开关元件。
所述的交换式电路，其中，该第一储能元件的一端耦接该第一、四、六开关元件，而其另一端耦接该第三、五开关元件。
所述的交换式电路，其中，该第二储能元件的一端耦接该第二、三、七开关元件，而其另一端耦接第四、五开关元件。
所述的交换式电路，其中，该第三储能元件的一端耦接该第六、七开关元件。
所述的交换式电路，其中，该储能元件为电容，而该开关元件可为双极性接面晶体管或金属氧化物半导体元件。
所述的交换式电路，其中，根据该储能元件的充放电操作与该开关元件的切换操作，进而产生该降压模式，且该降压模式为多个。
在另一实施例中，本发明一种交换式电路，其包含有：多个储能元件；以及多个开关元件，耦接多个该储能元件，以产生一降压模式与一升压模式的其中一者。
所述的交换式电路，其中，多个该储能元件包括一第一储能元件、一第二储能元件与一第三储能元件，而多个该开关元件包括一第一开关元件、一第二开关元件、一第三开关元件、一第四开关元件、一第五开关元件、一第六开关元件、一第七开关元件与一第八开关元件。
所述的交换式电路，其中，该第一储能元件的一端耦接第一、二、七开关元件，而其另一端耦接第四、五开关元件。
所述的交换式电路，其中，该第二储能元件的一端耦接该第二、四开关元件、而其另一端耦接第三、六、五、八开关元件。
所述的交换式电路，其中，该第三储能元件的一端耦接该第七、八开关元件。
所述的交换式电路，其中，该储能元件为电容，而该开关元件可为双极性接面晶体管或金属氧化物半导体元件。
所述的交换式电路，其中，根据该储能元件的充放电操作与该开关元件的切换操作，进而产生该降压模式或该升压模式，且该降压模式与该升压模式皆为多个。
与现有技术相比，本发明的有益技术效果是：
本发明提出的交换式电容电路，电路内部的功率开关元件和控制器，以及部分的电阻，都整合到集成电路内，最终外部的离散元件只剩下数个电阻和陶瓷电容等，有效地缩小了驱动电路的体积与重量，进而减少系统成本与延长灯具寿命。
附图说明
图1显示根据本发明的一实施例的一交换式电路；
图2显示图1应用电容与开关的例子；
图3显示图2的第一降压模式；
图4显示图2的第二降压模式；
图5显示图2的第三降压模式；
图6显示图2的第四降压模式；
图7显示根据本发明的另一实施例的一交换式电路；
图8显示图7应用电容与开关的例子；
图9显示图8的第一降压模式；
图10显示图8的第二降压模式；
图11显示图8的第三降压模式；
图12显示图8的第四降压模式；
图13显示图8的第一升压模式；
图14显示图8的第二升压模式；
图15显示应用本发明的电路方块图。
其中，附图标记：
C1、C2、Cout储能元件
S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7开关元件
Vin、Vout电压
11电压检测电路
12模式选择器
13交换式电路
14驱动装置
具体实施方式
为使贵审查委员能对本发明的特征、目的及功能有更进一步的认知与了解，下文特将本发明的装置的相关细部结构以及设计的理念原由进行说明，以使得审查委员可以了解本发明的特点，详细说明陈述如下：
图1显示根据本发明的一实施例的一交换式电路。该交换式电路包括：多个储能元件以及多个开关元件。多个该开关元件耦接多个该储能元件，以产生一降压模式。多个该储能元件包括一第一储能元件C1、一第二储能元件C2与一第三储能元件Cout，而多个该开关元件包括一第一开关元件S1、一第二开关元件S2、一第三开关元件S3、一第四开关元件S4、一第五开关元件S5、一第六开关元件S6与一第七开关元件S7。如图1所示，该第一储能元件C1的一端耦接该第一、四、六开关元件S1、S4、S6，而其另一端耦接该第三、五开关元件S3、S5，而该第二储能元件C2的一端耦接该第二、三、七开关元件S2、S3、S7，而其另一端耦接第四、五开关元件S4、S5，且其中该第三储能元件Cout的一端耦接该第六、七开关元件S6、S7。于本实施例，该储能元件可为电容，而该开关元件可为金属氧化物半导体(metaloxidesemiconductor，MOS)或双极性接面晶体管(bipolarjunctiontransistor，BJT)元件。且本实施例根据该储能元件的充放电操作与该开关元件的切换操作，进而产生该降压模式，且该降压模式为多个。本实施例反转了C2电容的极性，并通过开关元件S2与S3使得电容C1与C2共同接地，故可比传统的交换式电路省略一颗功率开关元件，此外，也通过开关元件S4，让两颗电容C1与C2直接与输入电源Vin共接，也可以省略一颗功率开关元件，因此本实施例仅使用7颗功率半导体便可拥有4种降压模式，不但可以提高电路的适应性，还可以降低电路的开发成本。
图2显示图1应用电容与开关的例子。图3~6显示图2的(4种)降压模式，且表一显示各降压模式的电压比(voltageratio，Vout/Vin)以及储能元件进行充电(phase1)与放电(phase2)间将导通的开关元件。
表一
图3显示图2的第一降压模式。如图3所示，当要取得输出电压与输入电压的电压比(Vout/Vin)为1时，则无论储能元件进行充电(phase1)与放电(phase2)，都需将开关元件S1、S2、S3、S4、S6导通。
图4显示图2的第二降压模式。如图4(a)所示，当要取得输出电压与输入电压的电压比(Vout/Vin)为1/2时，则于储能元件进行充电(phase1)时，需将开关元件S1、S3、S4、S7导通，而当储能元件进行放电(phase2)时，需将S2、S3、S4、S6导通，如图4(b)所示。
图5显示图2的第三降压模式。如图5(a)所示，当要取得输出电压与输入电压的电压比(Vout/Vin)为1/3时，则于储能元件进行充电(phase1)时，需将开关元件S1、S5、S7导通，而当储能元件进行放电(phase2)时，需将S2、S3、S4、S6导通，如图5(b)所示。
图6显示图2的第四降压模式。如图6(a)所示，当要取得输出电压与输入电压的电压比(Vout/Vin)为2/3时，则于储能元件进行充电(phase1)时，需将开关元件S1、S3、S4、S7导通，而当储能元件进行放电(phase2)时，需将S2、S5、S6导通，如图6(b)所示。
图7显示根据本发明的另一实施例的一交换式电路。该交换式电路，包括：多个储能元件；以及多个开关元件，耦接多个该储能元件，以产生一降压模式与一升压模式的其中一者。多个该储能元件包括一第一储能元件C1、一第二储能元件C2与一第三储能元件Cout，而多个该开关元件包括一第一开关元件S1、一第二开关元件S2、一第三开关元件S3、一第四开关元件S4、一第五开关元件S5、一第六开关元件S6、一第七开关元件S7与一第八开关元件S8。如图7所示，该第一储能元件C1的一端耦接第一、二、七开关元件S1、S2、S7，而其另一端耦接第四、五开关元件S4、S5，而该第二储能元件C2的一端耦接该第二、四开关元件S2、S4、而其另一端耦接第三、六、五、八开关元件S3、S5、S6、S8，且该第三储能元件Cout的一端耦接该第七、八开关元件S7、S8。于本实施例，揭露一个整合型交换式电容电路，可以同时达到降压与升压的特性，在8颗功率开关元件下，可作出6种切换模式(4种降压模式和2种升压模式)，实现最少开关元件及最多模式的交换式电容电路，可增加电路的后端应用适应度和降低硬体成本。
图8显示图7应用电容与开关的例子。图9~14显示图7的(4种)降压模式与(2种)升压模式，且表二显示各降压模式与升压模式的电压比(voltageratio，Vout/Vin)以及储能元件进行充电(phase1)与放电(phase2)间将导通的开关元件。
表二
图9显示图8的第一降压模式。如图9所示，当要取得输出电压与输入电压的电压比(Vout/Vin)为1时，则无论储能元件进行充电(phase1)与放电(phase2)，都需将开关元件S1、S2、S5、S6、S7导通。
图10显示图8的第二降压模式。如图10(a)所示，当要取得输出电压与输入电压的电压比(Vout/Vin)为1/2时，则于储能元件进行充电(phase1)时，需将开关元件S1、S2、S5、S8导通，而当储能元件进行放电(phase2)时，需将S2、S5、S6、S7导通，如图10(b)所示。
图11显示图8的第三降压模式。如图11(a)所示，当要取得输出电压与输入电压的电压比(Vout/Vin)为2/3时，则于储能元件进行充电(phase1)时，需将开关元件S1、S2、S5、S8导通，而当储能元件进行放电(phase2)时，需将S4、S6、S7导通，如图11(b)所示。
图12显示图8的第四降压模式。如图12(a)所示，当要取得输出电压与输入电压的电压比(Vout/Vin)为1/3时，则于储能元件进行充电(phase1)时，需将开关元件S1、S4、S8导通，而当储能元件进行放电(phase2)时，需将S2、S5、S6、S7导通，如图12(b)所示。
图13显示图8的第一升压模式。如图13(a)所示，当要取得输出电压与输入电压的电压比(Vout/Vin)为2时，则于储能元件进行充电(phase1)时，需将开关元件S1、S2、S6导通，而当储能元件进行放电(phase2)时，需将S2、S3、S7导通，如图13(b)所示。
图14显示图8的第二升压模式。如图14(a)所示，当要取得输出电压与输入电压的电压比(Vout/Vin)为3时，则于储能元件进行充电(phase1)时，需将开关元件S1、S2、S5、S6导通，而当储能元件进行放电(phase2)时，需将S3、S4、S7导通，如图14(b)所示。
图15显示应用本发明的电路方块图。如图15所示，直流电压输入Vdc_in会先经过电压检测电路11，再将检测信号供予模式选择器12去作模式切换，再依各模式提供控制信号予本发明的交换式电路13的电压输入Vin，因此，交换式电路13会输出电压Vout来推动驱动装置14(例如，发光二极管)。再者，不同的模式会切换出不同的控制信号来控制开关元件，例如，图2的电路，会切换出不同的7个控制信号来控制图2的7个开关元件。
本发明提出了一个无磁性元件无电解电容的交换式电容电路，电路内部的功率开关元件和控制器，以及部分的电阻，都整合到集成电路内，最终外部的离散元件只剩下数个电阻和陶瓷电容等，有效地缩小了驱动电路的体积与重量，进而减少系统成本与延长灯具寿命。
唯以上所述者，仅为本发明的范例实施态样尔，当不能以之限定本发明所实施的范围。即大凡依本发明申请专利范围所作的均等变化与修饰，皆应仍属于本发明专利涵盖的范围内，谨请贵审查委员明鉴，并祈惠准，是所至祷。

Claims (4)

1.一种交换式电路，其特征在于，包含有：
多个储能元件，包括一第一储能元件、一第二储能元件与一第三储能元件；以及
多个开关元件，包括一第一开关元件、一第二开关元件、一第三开关元件、一第四开关元件、一第五开关元件、一第六开关元件与一第七开关元件；
其中，该第一储能元件的一端耦接该第一、四、六开关元件，而其另一端耦接该第三、五开关元件，该第二储能元件的一端耦接该第二、三、七开关元件，而其另一端耦接第四、五开关元件，该第三储能元件的一端耦接该第六、七开关元件，藉此产生一降压模式；
该储能元件为电容，该第二储能元件的极性反转并通过该第二开关元件、该第三开关元件使得该第一储能元件、该第二储能元件共同接地；
根据该储能元件的充放电操作与该开关元件的切换操作，进而产生该降压模式，且该降压模式为多个。
2.根据权利要求1所述的交换式电路，其特征在于，该开关元件可为双极性接面晶体管或金属氧化物半导体元件。
3.一种交换式电路，其特征在于，包含有：
多个储能元件，包括一第一储能元件、一第二储能元件与一第三储能元件；以及
多个开关元件，一第一开关元件、一第二开关元件、一第三开关元件、一第四开关元件、一第五开关元件、一第六开关元件、一第七开关元件与一第八开关元件；
其中，该第一储能元件的一端耦接第一、二、七开关元件，而其另一端耦接第四、五开关元件，该第二储能元件的一端耦接该第二、四开关元件、而其另一端耦接第三、六、五、八开关元件，该第三储能元件的一端耦接该第七、八开关元件，藉此产生一降压模式与一升压模式的其中一者；
该储能元件为电容；
根据该储能元件的充放电操作与该开关元件的切换操作，进而产生该降压模式或该升压模式，且该降压模式与该升压模式皆为多个。
4.根据权利要求3所述的交换式电路，其特征在于，该开关元件可为双极性接面晶体管或金属氧化物半导体元件。
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