CN107040131B - 可调式直流电压产生电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种可调式直流电压产生电路，包含：一共振电路，包含串联配置的一电感以及一输入电容，用于接收一输入信号，并在该电感与该输入电容之间的一输出节点产生一共振信号；一整流电路，耦接于该输出节点，用于整流该共振信号；一电流控制单元，与该共振电路形成串联配置；一稳压电容，耦接于该整流电路的输出端，用于提供电压值大于该输入信号的一直流输出信号；以及一控制电路，耦接于该整流电路的输出端以及该电流控制单元，用于依据一设定信号调整流经该电流控制单元的电流大小，以改变该直流输出信号。由于前述可调式直流电压产生电路中并未使用任何功率开关，故能避免切换损失的产生，并大幅简化控制电路的电路复杂度。

Description

可调式直流电压产生电路
技术领域
本发明有关电压放大电路，尤指一种具有高电压放大倍率的可调式直流电压产生电路。
背景技术
切换式电压转换电路(switching boost converter)的应用非常广泛，但缺点之一是电压放大倍率不够大，通常很难超过十倍。切换式电压转换电路的另一项缺点，是需要使用较复杂的控制电路来控制功率开关的切换运作，所以电路的设计复杂度较高。再者，切换式电压转换电路也很难避免因功率开关的切换运作所导致的切换损失(switchingloss)。
发明内容
有鉴于此，如何以更精简的电路架构来提供更有弹性且更大的电压放大倍率，实为业界有待解决的问题。
本说明书提供一种可调式直流电压产生电路的实施例，其包含：一共振电路，包含串联配置的一电感以及一输入电容，用于接收一输入信号，并在该电感与该输入电容之间的一输出节点产生一共振信号；一整流电路，耦接于该输出节点，用于整流该共振信号；一电流控制单元，与该共振电路形成串联配置；一稳压电容，耦接于该整流电路的输出端，用于提供电压值大于该输入信号的一直流输出信号；以及一控制电路，耦接于该整流电路的输出端以及该电流控制单元，用于依据一设定信号调整流经该电流控制单元的电流大小，以改变该直流输出信号。
本说明书另提供一种可调式直流电压产生电路的实施例，其包含：一共振电路，包含串联配置的一电感以及一输入电容，用于接收一输入信号，并在该电感与该输入电容之间的一输出节点产生一共振信号；一整流电路，耦接于该输出节点，用于整流该共振信号；一电流控制单元，耦接于该整流电路的输入端，并与该电感或该输入电容形成并联配置；一稳压电容，耦接于该整流电路的输出端，用于提供电压值大于该输入信号的一直流输出信号；以及一控制电路，耦接于该整流电路的输出端以及该电流控制单元，用于依据一设定信号调整流经该电流控制单元的电流大小，以改变该直流输出信号。
本说明书另提供一种可调式直流电压产生电路的实施例，其包含：一共振电路，包含串联配置的一电感以及一输入电容，用于接收一输入信号，并在该电感与该输入电容之间的一输出节点产生一共振信号；一整流电路，耦接于该输出节点，用于整流该共振信号；一电流控制单元，耦接于该整流电路的输出端，并与该电感或该输入电容形成并联配置；一稳压电容，耦接于该整流电路的输出端，用于提供电压值大于该输入信号的一直流输出信号；以及一控制电路，耦接于该整流电路的输出端以及该电流控制单元，用于依据一设定信号调整流经该电流控制单元的电流大小，以改变该直流输出信号。
上述实施例的优点之一，是可调式直流电压产生电路产生的直流输出信号的电压值，可以高达输入信号的电压值的数十倍到百倍以上，故能大幅增加输入信号的电压放大范围。
上述实施例的另一优点，是可调式直流电压产生电路中并未使用任何功率开关，故能避免切换损失的产生，并大幅简化控制电路的电路复杂度。
本发明的其他优点将藉由以下的说明和附图进行更详细的解说。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本发明一第一实施例的可调式直流电压产生电路简化后的功能方块图。
图2为本发明一第二实施例的可调式直流电压产生电路简化后的功能方块图。
图3为本发明一第三实施例的可调式直流电压产生电路简化后的功能方块图。
图4为本发明一第四实施例的可调式直流电压产生电路简化后的功能方块图。
图5为本发明一第五实施例的可调式直流电压产生电路简化后的功能方块图。
图6为本发明一第六实施例的可调式直流电压产生电路简化后的功能方块图。
图7为本发明一第一实施例的无线充电装置简化后的功能方块图。
图8为本发明一第二实施例的无线充电装置简化后的功能方块图。
图9为本发明一第三实施例的无线充电装置简化后的功能方块图。
【符号说明】
100、300、500 可调式直流电压产生电路
110 共振电路
111 电感
113 输入电容
115 输出节点
120 整流电路
130 电流控制单元
140 稳压电容
150 控制电路
151 反馈电路
153 比较器
700、800、900 无线充电装置
710 供电单元
720 阻抗匹配网络
721 电阻
723 变容器
725 输出电容
730 充电电感
740 阻抗匹配控制电路
具体实施方式
以下将配合相关附图来说明本发明的实施例。在附图中，相同的标号表示相同或类似的元件或方法流程。
图1为本发明一第一实施例的可调式直流电压产生电路(tunable DC voltagegenerating circuit)100简化后的功能方块图。如图1所示，可调式直流电压产生电路100包含有一共振电路(resonance circuit)110、一整流电路(rectifying circuit)120、一电流控制单元(current control unit)130、一稳压电容(stable capacitor)140、以及一控制电路(control circuit)150。
共振电路110包含串联配置的一电感111、一输入电容113、以及位于电感111与输入电容113之间的一输出节点(output node)115。共振电路110用于接收一输入信号VIN，并在输出节点115产生一共振信号(resonance signal)VLC。
整流电路120耦接于输出节点115，并用于整流共振信号VLC。实作上，整流电路120可用各种整流器来实现(例如，全桥整流器、半桥整流器)，或者也可以用一二极管来实现。
电流控制单元130与共振电路110形成串联配置，且可在控制电路150的控制之下影响流经输入电容113的电流大小。
稳压电容140耦接于整流电路120的输出端，用于提供电压值大于输入信号VIN的一直流输出信号VOUT。
控制电路150耦接于整流电路120的输出端以及电流控制单元130，用于依据一设定信号(setting signal)VSET调整流经电流控制单元130的电流大小，以改变直流输出信号VOUT。
请注意，为了让共振电路110中的电感111及输入电容113能产生共振效应，所以前述可调式直流电压产生电路100的输入信号VIN，必须是具有变动性的信号，而不能是一固定直流信号(DC signal)。例如，可调式直流电压产生电路100的输入信号VIN可以是一交流信号(AC signal)或一脉冲直流信号(pulsed DC signal)。
在图1的实施例中，电流控制单元130的第一端耦接于共振电路110，电流控制单元130的第二端耦接于一固定电位端(例如，接地端)，而电流控制单元130的控制端则耦接并受控于控制电路150。
由于流经输入电容113的电流大小会受到电流控制单元130的等效电阻值的影响，因此，控制电路150可藉由改变电流控制单元130的等效电阻值的方式，来调整流经电流控制单元130的电流大小，同时改变流经输入电容113的电流大小。
换言之，控制电路150可藉由改变电流控制单元130的等效电阻值，来调整流经输入电容113的电流大小，进而改变直流输出信号VOUT的电压大小。
例如，在本实施例中，控制电路150可包含一反馈电路(feedback circuit)151以及一比较器153。如图1所示，反馈电路151耦接于稳压电容140的输入端，用于产生与直流输出信号VOUT相对应的一反馈信号(feedback signal)FB。比较器153耦接于反馈电路151以及电流控制单元130，用于比较反馈信号FB与设定信号VSET，以调整电流控制单元130的等效电阻值。
实作上，电流控制单元130可用一可调式电阻或是一晶体管来实现，或是利用一晶体管串联一阻抗元件(impedance)的架构来实现。反馈电路151则可用适当的分压电阻来实现，以降低比较器153的输入信号的电压值，藉此降低比较器153的电路复杂度。
假设反馈信号FB与直流输出信号VOUT两者间的倍率关系是100比1，则当设定信号VSET被设定为2伏特，可调式直流电压产生电路100在稳态下产生的直流输出信号VOUT的电压值将可高达200伏特。换言之，只要利用一外部电路(未绘示于图1中)来改变设定信号VSET的大小，便可控制可调式直流电压产生电路100改变直流输出信号VOUT的大小，亦即改变可调式直流电压产生电路100的电压放大倍率。
在图1的可调式直流电压产生电路100中，输入信号VIN是先经过电感111才传导至输入电容113，但这只是一示范性的实施例，而非局限本发明的实际实施方式。
例如，图2为本发明一第二实施例的可调式直流电压产生电路100简化后的功能方块图。相较于图1的架构，图2的共振电路110中的电感111及输入电容113两者的位置彼此对调，因此，输入信号VIN会先经过输入电容113才传导至电感111。
前述有关图1中的其他元件的连接关系、实施方式、运作方式、以及相关优点等说明，亦适用于图2的实施例。为简明起见，在此不重复叙述。
在前述的说明中，电流控制单元130与共振电路110之间是形成串联配置，但这也只是一示范性的实施例，而非局限本发明的实际实施方式。
例如，请参考图3与图4。图3为本发明一第三实施例的可调式直流电压产生电路300简化后的功能方块图。图4为本发明一第四实施例的可调式直流电压产生电路300简化后的功能方块图。
图3与图4的可调式直流电压产生电路300与前述的可调式直流电压产生电路100的组成元件很类似，但元件间的连接关系略有不同。
在图3与图4的实施例中，电流控制单元130的第一端耦接于整流电路120的输入端，电流控制单元130的第二端耦接于一固定电位端(例如，接地端)，而电流控制单元130的控制端则耦接并受控于控制电路150。
换言之，可调式直流电压产生电路300中的电流控制单元130，是耦接于整流电路120的输入端，并与电感111或输入电容113形成并联配置，而非与共振电路110形成串联配置。
在可调式直流电压产生电路300中，流经输入电容113的电流大小同样会受到电流控制单元130的等效电阻值的影响。因此，控制电路150同样可藉由改变电流控制单元130的等效电阻值，来调整流经输入电容113的电流大小，进而改变直流输出信号VOUT的电压大小。
相较于图3的架构，图4的共振电路110中的电感111及输入电容113两者的位置则是彼此对调，因此，输入信号VIN会先经过输入电容113才传导至电感111。
前述有关图1中的其他元件的连接关系、实施方式、运作方式、以及相关优点等说明，亦适用于图3与图4的实施例。为简明起见，在此不重复叙述。
在前述图3与图4的架构中，电流控制单元130是耦接于整流电路120的输入端，但这也只是一示范性的实施例，而非局限本发明的实际实施方式。
例如，请参考图5与图6。图5为本发明一第五实施例的可调式直流电压产生电路500简化后的功能方块图。图6为本发明一第六实施例的可调式直流电压产生电路500简化后的功能方块图。
图5与图6的可调式直流电压产生电路500与前述的可调式直流电压产生电路300的组成元件很类似，但元件间的连接关系略有不同。
在图5与图6的实施例中，电流控制单元130的第一端耦接于整流电路120的输出端(而非输入端)，电流控制单元130的第二端耦接于一固定电位端(例如，接地端)，而电流控制单元130的控制端则耦接并受控于控制电路150。
换言之，可调式直流电压产生电路500中的电流控制单元130，是耦接于整流电路120的输出端，同样是与电感111或输入电容113形成并联配置，而非与共振电路110形成串联配置。
在可调式直流电压产生电路500中，流经输入电容113的电流大小同样会受到电流控制单元130的等效电阻值的影响。因此，控制电路150同样可藉由改变电流控制单元130的等效电阻值，来调整流经输入电容113的电流大小，进而改变直流输出信号VOUT的电压大小。
相较于图5的架构，图6的共振电路110中的电感111及输入电容113两者的位置则是彼此对调，因此，输入信号VIN会先经过输入电容113才传导至电感111。
前述有关实施例中的其他元件的连接关系、实施方式、运作方式、以及相关优点等说明，亦适用于图5与图6的实施例。为简明起见，在此不重复叙述。
由前述说明可知，前述的可调式直流电压产生电路100、300、或500所产生的直流输出信号VOUT的电压值，可以高达输入信号VIN的电压值的数十倍到百倍以上，故可调式直流电压产生电路100、300、或500的电压放大范围是非常宽广的因此具有很大的应用弹性。
另外，前述的可调式直流电压产生电路100、300、或500中并未使用任何功率开关(power switch)，故能避免切换损失的产生，更能使控制电路150的电路复杂度远低于传统切换式电压转换电路所需的控制电路。
如前所述，只要利用一外部电路来改变设定信号VSET的大小，便可控制前述的可调式直流电压产生电路100、300、或500改变电压放大倍率。因此，前述的可调式直流电压产生电路100、300、或500非常适用于后级电路所需的电压变动范围很大的应用中。
例如，图7为本发明一第一实施例的无线充电装置700简化后的功能方块图。无线充电装置700包含一供电单元(power supply unit)710、一阻抗匹配网络(impedancematching network)720、一充电电感(charging inductor)730、一阻抗匹配控制电路(impedance matching control circuit)740、以及前述的可调式直流电压产生电路100。
供电单元710用于提供可调式直流电压产生电路100所需的输入信号VIN。实作上，供电单元710可用各种全桥式功率放大器(full bridge power amplifier)、半桥式功率放大器(half bridge power amplifier)、D类放大器(Class-D amplifier)、或其他能产生适当的交流信号或脉冲直流信号的电路来实现。
阻抗匹配网络720耦接于可调式直流电压产生电路100的输出端，用于匹配充电电感730的阻抗。例如，阻抗匹配网络720可包含一电阻721、一变容器(varactor)723、以及一输出电容725。电阻721耦接于可调式直流电压产生电路100的输出端与变容器723的输入端之间。输出电容725耦接于变容器723的输入端与充电电感730之间。
充电电感730耦接于供电单元710的输出端以及阻抗匹配网络720的输出端之间，用于以感应形式将能量传递给另一装置(例如，具有无线电力接收设备的移动装置)，以对该装置进行无线充电。
阻抗匹配控制电路740耦接于供电单元710的输出端以及前述控制电路150的输入端，用于产生前述的设定信号VSET。阻抗匹配控制电路740可依据输入信号VIN来估测输出电容725与充电电感730两处的信号相位，并藉由调整设定信号VSET大小的方式，通过可调式直流电压产生电路100的运作而将输出电容725与充电电感730两处的信号相位调整成彼此匹配，以提高无线充电装置700的整体能量转换效率。
如前所述，图7的共振电路110中的电感111及输入电容113两者的位置可以彼此对调。
请参考图8与图9。图8为本发明一第二实施例的无线充电装置800简化后的功能方块图。图9为本发明一第三实施例的无线充电装置900简化后的功能方块图。无线充电装置800及无线充电装置900都与图7的无线充电装置700的架构很类似，但无线充电装置800以前述的可调式直流电压产生电路300来取代无线充电装置700中的可调式直流电压产生电路100，而无线充电装置900则是以前述的可调式直流电压产生电路500来取代无线充电装置700中的可调式直流电压产生电路100。
前述有关图7中的其他元件的连接关系、实施方式、运作方式、以及相关优点等说明，亦适用于图8与图9的实施例。为简明起见，在此不重复叙述。
在说明书及权利要求书中使用了某些词汇来指称特定的元件。然而，所属技术领域的技术人员应可理解，同样的元件可能会用不同的名词来称呼。说明书及权利要求书并不以名称的差异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基准。在说明书及权利要求书所提及的「包含」为开放式的用语，故应解释成「包含但不限定于」。另外，「耦接」在此包含任何直接及间接的连接手段。因此，若文中描述第一元件耦接于第二元件，则代表第一元件可通过电性连接或无线传输、光学传输等信号连接方式而直接地连接于第二元件，或者通过其他元件或连接手段间接地电性或信号连接至该第二元件。
在此所使用的「及/或」的描述方式，包含所列举的其中之一或多个项目的任意组合。另外，除非说明书中特别指明，否则任何单数格的用语都同时包含复数格的涵义。
说明书及权利要求书中的「电压信号」，在实作上可采用电压形式或电流形式来实现。说明书及权利要求书中的「电流信号」，在实作上也可用电压形式或电流形式来实现。
以上仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (9)

1.一种可调式直流电压产生电路(100)，包含：
一共振电路(110)，包含串联配置的一电感(111)以及一输入电容(113)，用于接收一输入信号(VIN)，并在该电感(111)与该输入电容(113)之间的一输出节点(115)产生一共振信号(VLC)；
一整流电路(120)，耦接于该输出节点(115)，用于整流该共振信号(VLC)；
一电流控制单元(130)，与该电感(111)以及该输入电容(113)形成串联配置；
一稳压电容(140)，耦接于该整流电路(120)的输出端，用于提供电压值大于该输入信号(VIN)的一直流输出信号(VOUT)；以及
一控制电路(150)，耦接于该整流电路(120)的输出端以及该电流控制单元(130)，用于依据一设定信号(VSET)调整流经该电流控制单元(130)的电流大小，以改变该直流输出信号(VOUT)；
其中，该输入信号(VIN)是一交流信号或一脉冲直流信号，而非一固定直流信号，该电流控制单元(130)包含一可调式电阻或是一晶体管，且该电流控制单元(130)的等效电阻值是由该控制电路(150)所控制。
2.如权利要求1所述的可调式直流电压产生电路(100)，其中，该控制电路(150)包含：
一反馈电路(151)，耦接于该稳压电容(140)的输入端，用于产生与该直流输出信号(VOUT)相对应的一反馈信号(FB)；以及
一比较器(153)，耦接于该反馈电路(151)以及该电流控制单元(130)，用于比较该反馈信号与该设定信号(VSET)，以调整该电流控制单元(130)的等效电阻值。
3.一种可调式直流电压产生电路(300)，包含：
一共振电路(110)，包含串联配置的一电感(111)以及一输入电容(113)，用于接收一输入信号(VIN)，并在该电感(111)与该输入电容(113)之间的一输出节点(115)产生一共振信号(VLC)；
一整流电路(120)，耦接于该输出节点(115)，用于整流该共振信号(VLC)；
一电流控制单元(130)，耦接于该整流电路(120)的输入端，并与该电感(111)或该输入电容(113)形成并联配置；
一稳压电容(140)，耦接于该整流电路(120)的输出端，用于提供电压值大于该输入信号(VIN)的一直流输出信号(VOUT)；以及
一控制电路(150)，耦接于该整流电路(120)的输出端以及该电流控制单元(130)，用于依据一设定信号(VSET)调整流经该电流控制单元(130)的电流大小，以改变该直流输出信号(VOUT)；
其中，该输入信号(VIN)是一交流信号或一脉冲直流信号，而非一固定直流信号。
4.如权利要求3所述的可调式直流电压产生电路(300)，其中，该电流控制单元(130)包含一可调式电阻或是一晶体管，且该电流控制单元(130)的等效电阻值是由该控制电路(150)所控制。
5.如权利要求4所述的可调式直流电压产生电路(300)，其中，该控制电路(150)包含：
一反馈电路(151)，耦接于该稳压电容(140)的输入端，用于产生与该直流输出信号(VOUT)相对应的一反馈信号(FB)；以及
一比较器(153)，耦接于该反馈电路(151)以及该电流控制单元(130)，用于比较该反馈信号与该设定信号(VSET)，以调整该电流控制单元(130)的等效电阻值。
6.一种可调式直流电压产生电路(500)，包含：
一共振电路(110)，包含串联配置的一电感(111)以及一输入电容(113)，用于接收一输入信号(VIN)，并在该电感(111)与该输入电容(113)之间的一输出节点(115)产生一共振信号(VLC)；
一整流电路(120)，耦接于该输出节点(115)，用于整流该共振信号(VLC)；
一电流控制单元(130)，其中，该电流控制单元(130)的一端耦接于该整流电路(120)的输出端，且该电流控制单元(130)的另一端耦接于一固定电位端；
一稳压电容(140)，耦接于该整流电路(120)的输出端，用于提供电压值大于该输入信号(VIN)的一直流输出信号(VOUT)；以及
一控制电路(150)，耦接于该整流电路(120)的输出端以及该电流控制单元(130)，用于依据一设定信号(VSET)调整流经该电流控制单元(130)的电流大小，以改变该直流输出信号(VOUT)。
7.如权利要求6所述的可调式直流电压产生电路(500)，其中，该输入信号(VIN)是一交流信号或一脉冲直流信号，而非一固定直流信号。
8.如权利要求6所述的可调式直流电压产生电路(500)，其中，该电流控制单元(130)包含一可调式电阻或是一晶体管，且该电流控制单元(130)的等效电阻值是由该控制电路(150)所控制。
9.如权利要求8所述的可调式直流电压产生电路(500)，其中，该控制电路(150)包含：
一反馈电路(151)，耦接于该稳压电容(140)的输入端，用于产生与该直流输出信号(VOUT)相对应的一反馈信号(FB)；以及
一比较器(153)，耦接于该反馈电路(151)以及该电流控制单元(130)，用于比较该反馈信号与该设定信号(VSET)，以调整该电流控制单元(130)的等效电阻值。
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