CN110198057A - 充电电路及其电源转换电路 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种充电电路及其电源转换电路，该充电电路包括电源转换电路、电感器以及至少一转换电容器。电源转换电路包括转换开关电路以及转换控制电路，转换开关电路包括上桥开关、下桥开关以及至少一辅助开关。于切换式电源转换模式下，转换控制电路操作该转换开关电路，重复性地，导通该电感器至多个电压位准，以切换式电源转换方式将该输入电源转换为充电电源以对一电池充电。于电容式电源转换模式下，转换控制电路操作该转换开关电路，周期性地，使该至少一转换电容器周期性地对应耦接于多个对节点之间，以电容式电源转换方式将输入电源转换为充电电源。

Description

充电电路及其电源转换电路
技术领域
本发明涉及一种充电电路，特别是指一种具有切换式电源转换模式以及电容式电源转换模式的充电电路。本发明也涉及用于充电电路中的电源转换电路与充电控制方法。
背景技术
与本申请相关的在先申请有：“A 50MHz 5V 3W 90％Efficiency 3-Level BuckConverter with Real-Time Calibration，XunLiuet.al，2016 Symposium on VLSICircuits Digest of Technical Papers”，“Analysis and Design ConsiderationsofIntegrated 3-Level Buck Converters，Xun Liu et.al，IEEE TRANSACTIONS ONCIRCUITS AND SYSTEMSVol.63，No.5，May2016”以及“Constant ON-Time 3-Level BuckConverter for LowPower Applications，Brian M.Cassidyet.al，IEEE，2015”。
图1公开一种现有技术的充电电路(充电电路1)，其包含一具有直接充电能力的电源适配器(adaptor)11，于直接充电模式下，电源适配器11可提供直流电流IDC或直流电压VDC直接经由一缆线20(例如USB缆线)以及一负载开关41(load switch)对一电池50进行恒定电流(CC，constant current)或恒定电压充电，其中直流电流IDC与充电电流ICHG大致上相等。此外，充电电路1在切换式电源转换模式下，则通过切换式电源转换电路38，可将电源适配器11所提供的电源VDC(例如但不限于USB PD的5V或9V或12V的VBUS)转换为充电电流ICHG或充电电压VCHG，而对电池50进行恒定电流或恒定电压充电，在此现有技术中，充电电流ICHG可大于直流电流IDC。
图1中所示的现有技术，具有至少如下述的缺点。首先，于直接充电模式下，在使用例如USB缆线等标准缆线的情况下，其缆线的电流限额一般来说相对较低，例如约为5A或以下，充电时间因而较长。若欲加速充电时间而提高充电电流(例如8A或以上)，则必需使用线径较粗的专用快速充电缆线，除了因使用非标准缆线造成使用者的不便之外，快速充电缆线也因为线径较粗不易挠曲而不便于使用。此外，于切换式电源转换模式下，充电电流ICHG虽可大于直流电流IDC，然而在相对较大的恒定充电电流ICHG需求下，切换式电源转换电路38中，难以选用合适规格的电感器与开关(未示出)来兼顾充电电流量、电流涟波幅度、开关导通电阻、能量转换效率等各种参数的优化，导致设计优化不易实现。
本发明相较于图1的现有技术，其优点在于以共享电源转换开关而操作于切换式电源转换模式或电容式电源转换模式，可根据实际需求提供倍增的充电电流对电池充电，可缩短充电时间，却又可以使用如USB缆线等标准缆线，在相对较低的缆线电流下操作，方便使用者的应用，因此，可同时具有切换式电源转换模式以及电容式电源转换模式的优点，此外，由于共享电源转换开关，因而不致提高制造成本。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的缺陷与不足，提出一种充电电路及其电源转换电路，其可根据实际需求提供倍增的充电电流对电池充电，可缩短充电时间，却又可以使用如USB缆线等标准缆线，在相对较低的缆线电流下操作，方便使用者的应用，且提高制造成本。
为了实现上述发明目的，就其中一个观点言，本发明提供了一种充电电路，具有一切换式电源转换模式与一电容式电源转换模式，用以转换第一输入电源而于一输出节点产生一充电电源而对一电池充电，其中该第一输入电源具有一输入电压以及一输入电流，该充电电源包括一充电电压以及一充电电流；该充电电路包含：一回路开关电路，耦接于第一节点与该输出节点之间；电源回路晶体管，耦接于第二节点与该输出节点之间；一电感器，与该电源回路晶体管串联，耦接于第三节点与该第二节点之间；一电源转换电路，与该回路开关电路耦接于该第一节点，且与该电感器的电流流入端耦接于该第三节点，该电源转换电路包括：一转换开关电路，包括：一上桥开关；一下桥开关；以及至少一辅助开关，与该上桥开关与该下桥开关耦接；其中该上桥开关、该下桥开关以及该至少一辅助开关耦接于该第一输入电源、该第一节点、该第三节点以及一接地节点之间；以及一转换控制电路，用以产生一转换开关控制信号以控制该转换开关电路，且产生一回路控制信号以控制该回路开关电路与电源回路晶体管；以及至少一转换电容器，耦接于该转换开关电路；其中于该切换式电源转换模式下，该回路开关电路控制为不导通，且该转换控制电路操作该上桥开关、该下桥开关以及该至少一辅助开关，重复性地，于多个时段将该电感器的电流流入端导通至对应的多个电压位准，以二阶或以上位准的切换式电源转换方式将该第一输入电源于该第二节点转换为一切换输出电压，其中该转换控制电路控制该电源回路晶体管的导通程度以转换该切换输出电压为该充电电源；且于该电容式电源转换模式下，该回路开关电路控制为导通，且该转换控制电路操作该上桥开关、该下桥开关以及该至少一辅助开关，于多个充电转换时段中，使该至少一转换电容器周期性地对应耦接于至少一充电比例电压节点、该第一输入电源、以及该接地节点其中的一对节点之间，以电容式电源转换方式将该第一输入电源转换为该充电电源；其中该第一节点耦接于该至少一充电比例电压节点中的一节点。
在一较佳实施例中，于该电容式电源转换模式下，该充电电流的位准大致为该输入电流位准的一预设的增流倍数，及/或该充电电压的位准大致为该输入电压位准的一预设的电压比例。
在一较佳实施例中，该充电电路还包含一电源发送单元，用以将一第二输入电源转换为该第一输入电源，其中该电源发送单元调节该输入电压于一预设的电压位准，或调节该输入电流于一预设的电流位准。
在一较佳实施例中，该上桥开关、该下桥开关以及该至少一辅助开关分别各具有一平均电流，其中于该切换式电源转换模式下以及该电容式电源转换模式下，各该平均电流分别都相关于该充电电流。
在一较佳实施例中，该第一节点与该第三节点直接连接。
在一较佳实施例中，该充电电路还包括至少一连接器或至少一连接器以及一缆线，用以耦接该电源发送单元以及该电源转换电路，其中电源发送单元、该至少一连接器以及该缆线符合通用串行总线供电规范(USB PD)及/或通用串行总线Type C规范(USB typeC)及/或通用串行总线快充规范(USB Quick Charge)。
在一较佳实施例中，该至少一辅助开关包括第一辅助开关以及第二辅助开关；其中该上桥开关与该第一辅助开关串联耦接于该第一输入电源与该第一输出节点之间，且共同连接于第四节点；该下桥开关与该第二辅助开关串联耦接于该第一输出节点与该接地节点之间，且共同连接于第五节点；该转换电容器耦接于该第四节点与该第五节点之间，且该第三节点直接连接于该第一节点、该第四节点或该第五节点其中之一；其中该多个转换时段包括第一与第二转换时段；其中于该电容式电源转换模式下，该转换控制电路控制该多个转换开关，使该转换电容器的第一端于该第一转换时段与该第二转换时段中分别对应切换而电性连接于该输入电压与该第一节点之间，且使该转换电容器的第二端于该第一转换时段与该第二转换时段中分别对应切换而电性连接于该第一节点与该接地节点之间，使得该充电电流的位准大致为该输入电流位准的2倍。
在一较佳实施例中，该第三节点直接连接于该第一节点，且于该电容式电源转换模式下操作于一稳态时，该第三节点的电压大致上为一直流电压。
在一较佳实施例中，该回路开关电路与该电源回路晶体管的至少之一，与该电源转换电路整合于一集成电路中，或封入一集成电路封装中。
在一较佳实施例中，于一直接充电模式中，该转换控制电路操作该转换开关电路以及该回路开关电路与电源回路晶体管，使得该充电电源直接电性导通于该第一输入电源。
在一较佳实施例中，于该切换式电源转换模式下，该电感器的电流流入端切换于该输入电压与该接地节点之间，以二阶位准进行切换式电源转换。
在一较佳实施例中，于该切换式电源转换模式下，该电感器的电流流入端切换于该输入电压、该接地节点以及一第三电压位准之间，以三阶位准进行切换式电源转换，其中该第三电压位准通过切换该转换电容器而得。
在一较佳实施例中，该第三节点直接连接于该第一节点，且于该切换式电源转换模式下，该电感器的电流流入端切换于该输入电压、该接地节点以及一第三电压位准之间，以三阶位准进行切换式电源转换，其中该第三电压位准通过切换该转换电容器而得。
就另一个观点言，本发明也提供了一种电源转换电路，用于一充电电路中，其中该充电电路具有一切换式电源转换模式与一电容式电源转换模式，用以转换第一输入电源而于一输出节点产生一充电电源而对一电池充电，其中该第一输入电源具有一输入电压以及一输入电流，该充电电源包括一充电电压以及一充电电流；该充电电路包含：一回路开关电路，耦接于第一节点与该输出节点之间；电源回路晶体管，耦接于第二节点与该输出节点之间；一电感器，与该电源回路晶体管串联，耦接于第三节点与该第二节点之间；该电源转换电路，与该回路开关电路耦接于该第一节点，且与该电感器的电流流入端耦接于该第三节点；以及至少一转换电容器；该电源转换电路包括：一转换开关电路，包括：一上桥开关；一下桥开关；以及至少一辅助开关，与该上桥开关与该下桥开关耦接；其中该上桥开关、该下桥开关以及该至少一辅助开关耦接于该第一输入电源、该第一节点、该第三节点以及一接地节点之间；其中该至少一转换电容器耦接于该转换开关电路；以及一转换控制电路，用以产生一转换开关控制信号以控制该转换开关电路，且产生一回路控制信号以控制该回路开关电路与电源回路晶体管；其中于该切换式电源转换模式下，该回路开关电路控制为不导通，且该转换控制电路操作该上桥开关、该下桥开关以及该至少一辅助开关，重复性地，于多个时段将该电感器的电流流入端导通至对应的多个电压位准，以二阶或以上位准的切换式电源转换方式将该第一输入电源于该第二节点转换为一切换输出电压，其中该转换控制电路控制该电源回路晶体管的导通程度以转换该切换输出电压为该充电电源；且于该电容式电源转换模式下，该回路开关电路控制为导通，且该转换控制电路操作该上桥开关、该下桥开关以及该至少一辅助开关，于多个充电转换时段中，使该至少一转换电容器周期性地对应耦接于至少一充电比例电压节点、该第一输入电源、以及该接地节点其中的一对节点之间，以电容式电源转换方式将该第一输入电源转换为该充电电源；其中该第一节点耦接于该至少一充电比例电压节点中的一节点。
以下通过具体实施例详加说明，当更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所实现的功效。
附图说明
图1显示一种具有直接充电模式的现有技术充电电路的示意图；
图2显示本发明的具有切换式电源转换模式以及电容式电源转换模式的充电电路的一实施例示意图；
图3A-3B显示本发明的具有切换式电源转换模式以及电容式电源转换模式的充电电路中，回路开关电路的实施例示意图；
图3C显示本发明的具有切换式电源转换模式以及电容式电源转换模式的充电电路中，电源回路晶体管的实施例示意图；
图4显示本发明的具有切换式电源转换模式以及电容式电源转换模式的充电电路的一具体实施例示意图；
图5A与5B显示本发明的具有切换式电源转换模式以及电容式电源转换模式的充电电路的具体实施例示意图；
图6显示本发明的具有切换式电源转换模式以及电容式电源转换模式的充电电路中，电源回路晶体管与电源转换电路的一实施例示意图。
图中符号说明
1，2，3，4 充电电路
10 电源发送单元
20 缆线
30 电源转换电路
31 转换开关电路
32 转换控制电路
321 电源回路控制电路
322 直接充电控制电路
40 连接器
50 电池
70 系统电路
80 回路开关电路
90 电源回路晶体管
91 井区
CF 转换电容器
CP1，CP2 回路控制信号
ICHG 充电电流
IIN 输入电流
L 电感器
ND1，ND2，ND3 节点
ND4，ND5 节点
NR1，NRM 充电比例电压节点
OUT 输出节点
SA1，SA2 辅助开关
SL 下桥开关
SP3 回路开关电路
SU 上桥开关
VCHG 充电电压
VIN 输入电压
PX 输入电源
具体实施方式
本发明中的附图均属示意，主要意在表示各电路间的耦接关系，以及各信号波形之间的关系，至于电路、信号波形与频率则并未依照比例绘制。
请参阅图2，图中所示为本发明的充电电路的一种实施例(充电电路2)，充电电路2具有一切换式电源转换模式与一电容式电源转换模式，用以转换输入电源PI而于输出节点OUT产生一充电电源而对电池50充电，其中输入电源PI具有输入电压VIN以及输入电流IIN，而充电电源则包括充电电压VCHG以及充电电流ICHG。充电电路2包含回路开关电路80，电源回路晶体管90，电感器L，电源转换电路30，以及至少一转换电容器(包括例如但不限于转换电容器CF)。其中回路开关电路80耦接于第一节点ND1与输出节点OUT之间；电源回路晶体管90耦接于第二节点ND2与输出节点OUT之间；电感器L与电源回路晶体管90串联，且电感器L耦接于第三节点ND3与第二节点ND2之间；电源转换电路30与回路开关电路80耦接于第一节点ND1，且与电感器L耦接于第三节点ND3。
请继续参阅图2，电源转换电路30包括转换开关电路31以及转换控制电路32，其中转换开关电路31包括上桥开关SU，耦接于第一输入电源PI，下桥开关SL，耦接于一接地节点，以及至少一辅助开关(包括例如但不限于如图中的第一辅助开关SA1)，与上桥开关SU与下桥开关SL耦接；其中上桥开关SU、下桥开关SL以及该至少一辅助开关耦接于第一输入电源PI、第一节点ND1、第三节点ND3以及一接地节点之间。转换控制电路32则用以产生转换开关控制信号CTRL以控制转换开关电路31，此外，转换控制电路32还产生一回路控制信号CP(包括例如CP1与CP2)以控制回路开关电路80与电源回路晶体管90。该至少一转换电容器(包括例如但不限于转换电容器CF)耦接于转换开关电路31。
根据本发明，于切换式电源转换模式下，回路开关电路80控制为不导通，且转换控制电路32操作上桥开关SU、下桥开关SL以及该至少一辅助开关，重复性地，例如于一导通时段导通电感器L至第一输入电源PI，且于一不导通时段导通电感器L至接地节点，以切换式电源转换方式将第一输入电源PI于第二节点ND2转换为一切换输出电压VS，其中转换控制电路32控制电源回路晶体管90的导通程度以转换切换输出电压VS为充电电源；其中“切换式电源转换方式”可为例如但不限于降压式(buck)、升压式(boost)或升降压式(buck-boost)等切换式电源转换。此外，所述的“切换式电源转换方式”也可不限于二阶位准(2level)切换式电源转换方式，也就是如上述导通电感器L至输入电源PI或接地节点二者之一，在一实施例中，也可同时应用转换电容器(如CF)，而以例如但不限于三阶位准(3level)(或更多阶段的位准)切换式电源转换方式进行切换式电源转换，以提升切换式电源转换模式的电源转换效率。举例而言，电感器L的电流流入端切换于输入电压VIN、接地节点以及一第三电压位准中的至少二者之间，其中第三电压位准通过切换转换电容器CF而得。其中，有关三阶位准(或更多阶段的位准)切换式电源转换方式的细节，可参考“Analysis and Design Considerations ofIntegrated 3-Level Buck Converters，XunLiu et.al，IEEE TRANSACTIONS ON CIRCUITS AND SYSTEMSVol.63，No.5，May2016”，在此不予赘述。
此外，根据本发明，于电容式电源转换模式下，回路开关电路80控制为导通，且转换控制电路32操作上桥开关SU、下桥开关SL以及该至少一辅助开关(如SA1)，于多个充电转换时段中，使该至少一转换电容器(如CF)周期性地对应耦接于至少一充电比例电压节点(例如但不限于图中的NR1-NRM)、第一输入电源PI、以及接地节点其中的一对节点之间，以电容式电源转换方式将第一输入电源PI转换为充电电源；其中第一节点ND1耦接于至少一充电比例电压节点中的一节点(例如图中ND1连接于充电比例电压节点NR1。在一实施例中，于电容式电源转换模式下，根据上述的操作，充电电流ICHG的位准大致为输入电流IIN位准的一预设的增流倍数K，在一较佳实施例中，K为大于1的实数，也就是，充电电流ICHG大于输入电流IIN，因此本发明的充电电路可以在输入电流IIN不变的情况下，以相对较大的充电电流ICHG对电池50充电，缩短充电时间。在一实施例中，根据上述的操作，充电电压VCHG的位准大致为输入电压位准VIN的一预设的电压比例J，在一较佳实施例中，J小于1，以实现电容式降压电源转换模式。就一观点而言，本发明的电源转换电路30于电容式电源转换模式下，其操作可如例如但不限于除法式的电荷泵(divider charge pump)。本实施例中，第三节点ND3直接连接于第一节点ND1，而在其他实施例中，并不限于此。
需说明的是：因电路零件的本身的寄生效应或是零件间相互的匹配不一定为理想，因此，虽然欲使充电电流ICHG的位准大致上为该预设的输入电流IIN位准的一预设的增流倍数K，但实际产生的充电电流ICHG的位准可能并不是预设的输入电流IIN位准的准确的K倍，而仅是接近K倍，此即前述的“大致上”为该预设的直流电流位准的一预设的增流倍数K之意，本文中其他提到“大致上”之处亦同。此外值得注意的是，在具有多个充电比例电压节点的实施例中，所述的增流倍数K，会随着充电电源耦接的节点而有所不同；而在仅有一个充电比例电压节点的实施例中，增流倍数K为2，也就是充电电流ICHG的位准大致上为该预设的直流电流位准的2倍，但在其他实施例中，K不限于为整数。
请继续参阅图2，根据本发明，在一实施例中，上桥开关SU、下桥开关SL以及该至少一辅助开关分别各具有一平均电流IAVG，其中于切换式电源转换模式下以及电容式电源转换模式下，各平均电流分别都相关于充电电流ICHG。就一观点而言，上桥开关SU、下桥开关SL以及该至少一辅助开关在切换式电源转换模式下以及电容式电源转换模式下，都共享于电容充放电及/或电感器的切换，就另一观点而言，上桥开关SU、下桥开关SL以及该至少一辅助开关在切换式电源转换模式下以及电容式电源转换模式下，都操作于充电电流ICHG的直接或间接的电流路径上。如前所述，就一观点而言，在一实施例中，由于于不同操作模式下共享至少部分的转换开关，因而不致提高制造成本。
请继续参阅图2，本发明的充电电路2还可包含一电源发送单元10，用以将另一输入电源PX转换为输入电源PI。所述电源发送单元10可例如为一电源适配器，将交流形式的输入电源(对应于PX)转换为前述的输入电源PI，或可为一直流直流转换电路，将来自例如移动电源(power bank)中的电池电源(对应于PX)转换为前述的输入电源PI。在一实施例中，电源发送单元10可输出恒定电流，支持直接充电模式，不经过电容式电源转换或切换式电源转换而直接对电池50充电(例如通过转换控制电路操作转换开关电路以及第一与电源回路晶体管而直接导通输入电源PI至充电电源)。在一实施例中，电源发送单元10调节输入电压VIN于一预设的电压位准，或调节输入电流IIN于一预设的电流位准。在一实施例中，于电容式电源转换模式下，当电源发送单元10调节输入电流IIN于预设的电流位准时，根据上述的操作，充电电流ICHG的位准大致为输入电流IIN位准的一预设的增流倍数K，因此如前所述，可以相对较大的充电电流ICHG对电池50充电，缩短充电时间。
请继续参阅图2，本发明的充电电路2还可包括至少一连接器或至少一连接器以及一缆线(如图中所示的缆线20以及连接器40)，用以耦接电源发送单元10以及电源转换电路30，其中电源发送单元10、该至少一连接器(例如连接器40)以及缆线(例如缆线20)符合通用串行总线供电规范(USB PD)及/或通用串行总线Type C规范(USB type C)及/或通用串行总线快充规范(USB Quick Charge)。需说明的是，根据本发明，在电容式电源转换模式下，可以以较大的充电电流(例如K倍)对电池充电，却仍维持较小的输入电流IIN(也就是流经缆线的电流)，因此可使用例如标准USB缆线，对使用者来说具有极佳的便利性。
根据本发明，充电电路除了对电池充电外，还可对一系统电路供电。请继续参阅图2，在一实施例中，充电电路2可例如但不限于通过第二节点ND2而以切换输出电压VS对系统电路70供电。在一实施例中，于电容式电源转换模式下，也可控制电源回路晶体管90，以通过第二节点ND2对系统电路70供电。其中，系统电路例如但不限于手机系统中的中央处理单元。在一实施例中，电源回路晶体管90可控制为导通，使得充电电源直接电性连接于切换输出电压VS，而在一实施例中，电源回路晶体管90可根据电池50的电压状态与系统电路70的电源需求而控制其导通程度，例如但不限于控制电源回路晶体管90以调节电源回路晶体管90的导通电阻，或是控制电源回路晶体管90以调节充电电压VCHG或充电电流ICHG等。
请参阅图3A-3B，图中显示本发明的具有切换式电源转换模式以及电容式电源转换模式的充电电路中，回路开关电路(例如回路开关电路80)的实施例示意图，如图3A与3B所示，回路开关电路可包括至少一对晶体管开关(如M1与M2)，用以控制电流回路的导通，以及对应的一对电流方向互异的本体二极管(如D1与D2)，以防止逆向电流，其耦接方式可为例如但不限于图3A与3B中的耦接关系，具体而言，该对电流方向互异的本体二极管D1与D2，其电流流入端可互相耦接(如图3A)或不互相耦接(如图3B)。
此外，请参阅图3C，图中显示本发明的具有切换式电源转换模式以及电容式电源转换模式的充电电路中，电源回路晶体管(例如电源回路晶体管90)的实施例示意图；在一实施例中，电源回路晶体管可包括单一晶体管，而在一实施例中，回路开关电路可包括多个晶体管。在一实施例中，如图所示，电源回路晶体管90包括可切换偏压位准的井区91，其可根据电源回路晶体管90的漏源极电压关系或是电流方向而适应性地切换井区91的偏压位准，例如但不限于使其电性连接于电源回路晶体管90的漏极或是源极。
请参阅图4，图中所示为本发明的充电电路的一种具体实施例(充电电路4)，本实施例中，该至少一辅助开关包括第一辅助开关SA1以及第二辅助开关SA2，其中上桥开关SU与第一辅助开关SA1串联耦接于第一输入电源PI与第一输出节点ND1之间，且共同连接于第四节点ND4；下桥开关SL与第二辅助开关SA2串联耦接于第一输出节点ND1与接地节点之间，且共同连接于第五节点ND5；转换电容器耦接于第四节点ND4与第五节点ND5之间，本实施例中，第三节点ND3直接连接于第一节点ND1。其中多个转换时段包括第一与第二转换时段；其中于电容式电源转换模式下，转换控制电路32控制转换开关电路31(包括上述的上桥开关SU、下桥开关SL以及辅助开关SA1与SA2)，使转换电容器CF的第一端(如图中的第四节点ND4)于第一转换时段与第二转换时段中分别对应切换而电性连接于输入电压与第一节点之间，且使转换电容器CF的第二端(如图中的第五节点ND5)于第一转换时段与第二转换时段中分别对应切换而电性连接于第一节点与接地节点之间，使得充电电流ICHG的位准大致为输入电流位准的2倍。
本实施例中，第一节点ND1可对应于前述的分压节点(例如图3实施例中的分压节点NR1)。本实施例中，第一节点ND1与第三节点ND3直接连接，而在其他实施例中，并不限于此。值得注意的是，在第三节点ND3直接连接于第一节点ND1的实施例中，于电容式电源转换模式下，于操作稳态时，第三节点ND3的电压位准并不会具有大幅度切换式的电压变化，也就是第三节点ND3的电压大致上为一直流电压，因而也不会在电感L上造成不必要的电感电流。
请继续参阅图4，于切换式电源转换模式下，在一实施例中，可同时应用转换电容器(如CF)，而以例如但不限于三阶位准(或更多阶段的位准)切换式电源转换方式进行切换式电源转换，以提升切换式电源转换模式的电源转换效率。其他可能的操作方式同前述图2的实施例，在此不予重复赘述。
请继续参阅图4，在一实施例中，转换控制电路32可包含一电源回路控制电路321，用以产生回路控制信号CP2以控制电源回路晶体管90。在一实施例中，转换控制电路32可包含一直接充电控制电路322，用以产生回路控制信号CP1以控制回路开关电路80。
请继续参阅图4，在一实施例中，转换开关电路31还可包括回路开关SP3，用以控制输入电源PI的导通与否，在本实施例中，回路开关SP3可包括一晶体管，其包括一本体二极管，其中本体二极管的电流导通方向与转换开关电路中其他开关的本体二极管为反向，用以防止逆向电流。
请参阅图5A与5B，图中所示为本发明的充电电路的一种实施例(充电电路5A与5B)，在一实施例中，第三节点ND3可直接连接于第四节点ND4或第五节点ND5，仍可实现上述的操作。具体而言，充电电路5A与5B于电容式电源转换模式的操作与图4的实施例相同，而在切换式电源转换模式下，充电电路5A例如可以将辅助开关SA1、SA2以及下桥开关SL视为一串联而成的下桥开关，与上桥开关SU共同进行例如二阶位准切换式电源转换方式，而充电电路5B例如可以将辅助开关SA1、SA2以及上桥开关SU视为一串联而成的上桥开关，与下桥开关SL共同进行例如二阶位准切换式电源转换方式。
请参阅图6，图中所示为本发明的充电电路的一种具体实施例(充电电路6)，本实施例中，电源回路晶体管90与电源转换电路30整合于一集成电路中或封入一集成电路封装中(例如图中的60)。当然，本发明的精神并不限于此，在一实施例中，回路开关电路与电源回路晶体管中的至少之一，与电源转换电路30可整合于一集成电路中，或封入一集成电路封装中。
以上已针对较佳实施例来说明本发明，但以上所述，仅为使本领域技术人员易于了解本发明的内容，并非用来限定本发明的权利范围。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，也可以组合应用。此外，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，举例而言，前述的实施例中(例如充电电路4)，以一转换电容器CF进行电容式电源转换，然而根据本发明，也可包括多个转换电容器，如此可降低充电电压或电流的输出连波。又例如，充电电路4中的开关网络，以串联实现上述的双电源转换模式，然而根据本发明的精神并不限于此，也可以并联或串并联混用的方式而实现。又例如，本发明所称“根据某信号进行处理或运算或产生某输出结果”，不限于根据该信号的本身，也包含于必要时，将该信号进行电压电流转换、电流电压转换、及/或比例转换等，之后根据转换后的信号进行处理或运算产生某输出结果。由此可知，在本发明的相同精神下，本领域技术人员可以想到各种等效变化以及各种组合，其组合方式甚多，在此不一一列举说明。因此，本发明的范围应涵盖上述及其他所有等效变化。

Claims (25)

1.一种充电电路，其特征在于，具有一切换式电源转换模式与一电容式电源转换模式，用以转换第一输入电源而于一输出节点产生一充电电源而对一电池充电，其中该第一输入电源具有一输入电压以及一输入电流，该充电电源包括一充电电压以及一充电电流；该充电电路包含：
一回路开关电路，耦接于第一节点与该输出节点之间；
一电源回路晶体管，耦接于第二节点与该输出节点之间；
一电感器，与该电源回路晶体管串联，耦接于第三节点与该第二节点之间；
一电源转换电路，与该回路开关电路耦接于该第一节点，且与该电感器的电流流入端耦接于该第三节点，该电源转换电路包括：
一转换开关电路，包括：
一上桥开关；
一下桥开关；以及
至少一辅助开关，与该上桥开关与该下桥开关耦接；
其中该上桥开关、该下桥开关以及该至少一辅助开关耦接于该第一输入电源、该第一节点、该第三节点以及一接地节点之间；以及
一转换控制电路，用以产生一转换开关控制信号以控制该转换开关电路，且产生一回路控制信号以控制该回路开关电路与该电源回路晶体管；以及
至少一转换电容器，耦接于该转换开关电路；
其中于该切换式电源转换模式下，该回路开关电路控制为不导通，且该转换控制电路操作该上桥开关、该下桥开关以及该至少一辅助开关，重复性地，于多个时段将该电感器的电流流入端导通至对应的多个电压位准，以二阶或以上位准的切换式电源转换方式将该第一输入电源于该第二节点转换为一切换输出电压，其中该转换控制电路控制该电源回路晶体管的导通程度以转换该切换输出电压为该充电电源；
且于该电容式电源转换模式下，该回路开关电路控制为导通，且该转换控制电路操作该上桥开关、该下桥开关以及该至少一辅助开关，于多个充电转换时段中，使该至少一转换电容器周期性地对应耦接于至少一充电比例电压节点、该第一输入电源、以及该接地节点其中的一对节点之间，以电容式电源转换方式将该第一输入电源转换为该充电电源；其中该第一节点耦接于该至少一充电比例电压节点中的一节点。
2.权利要求1所述的充电电路，其中，于该电容式电源转换模式下，该充电电流的位准大致为该输入电流位准的一预设的增流倍数，及/或该充电电压的位准大致为该输入电压位准的一预设的电压比例。
3.权利要求2所述的充电电路，其中，还包含一电源发送单元，用以将一第二输入电源转换为该第一输入电源，其中该电源发送单元调节该输入电压于一预设的电压位准，或调节该输入电流于一预设的电流位准。
4.权利要求1所述的充电电路，其中，该上桥开关、该下桥开关以及该至少一辅助开关分别各具有一平均电流，其中于该切换式电源转换模式下以及该电容式电源转换模式下，各该平均电流分别都相关于该充电电流。
5.权利要求1所述的充电电路，其中，该第一节点与该第三节点直接连接。
6.权利要求1所述的充电电路，其中，还包括至少一连接器或至少一连接器以及一缆线，用以耦接该电源发送单元以及该电源转换电路，其中电源发送单元、该至少一连接器以及该缆线符合通用串行总线供电规范(USB PD)及/或通用串行总线Type C规范(USB typeC)及/或通用串行总线快充规范(USB Quick Charge)。
7.权利要求1所述的充电电路，其中，
该至少一辅助开关包括第一辅助开关以及第二辅助开关；
其中该上桥开关与该第一辅助开关串联耦接于该第一输入电源与该第一输出节点之间，且共同连接于第四节点；该下桥开关与该第二辅助开关串联耦接于该第一输出节点与该接地节点之间，且共同连接于第五节点；该转换电容器耦接于该第四节点与该第五节点之间，且该第三节点直接连接于该第一节点、该第四节点或该第五节点其中之一；
其中该多个转换时段包括第一与第二转换时段；其中于该电容式电源转换模式下，该转换控制电路控制该多个转换开关，使该转换电容器的第一端于该第一转换时段与该第二转换时段中分别对应切换而电性连接于该输入电压与该第一节点之间，且使该转换电容器的第二端于该第一转换时段与该第二转换时段中分别对应切换而电性连接于该第一节点与该接地节点之间，使得该充电电流的位准大致为该输入电流位准的2倍。
8.权利要求1所述的充电电路，其中，该第三节点直接连接于该第一节点，且于该电容式电源转换模式下操作于一稳态时，该第三节点的电压大致上为一直流电压。
9.权利要求1所述的充电电路，其中，该回路开关电路与该电源回路晶体管的至少之一，与该电源转换电路整合于一集成电路中，或封入一集成电路封装中。
10.权利要求1所述的充电电路，其中，于一直接充电模式中，该转换控制电路操作该转换开关电路以及该回路开关电路与该电源回路晶体管，使得该充电电源直接电性导通于该第一输入电源。
11.权利要求1所述的充电电路，其中，于该切换式电源转换模式下，该电感器的电流流入端切换于该输入电压与该接地节点之间，以二阶位准进行切换式电源转换。
12.权利要求1所述的充电电路，其中，于该切换式电源转换模式下，该电感器的电流流入端切换于该输入电压、该接地节点以及一第三电压位准之间，以三阶位准进行切换式电源转换，其中该第三电压位准通过切换该转换电容器而得。
13.权利要求7所述的充电电路，其中，该第三节点直接连接于该第一节点，且于该切换式电源转换模式下，该电感器的电流流入端切换于该输入电压、该接地节点以及一第三电压位准之间，以三阶位准进行切换式电源转换，其中该第三电压位准通过切换该转换电容器而得。
14.一种电源转换电路，其特征在于，用于一充电电路中，其中该充电电路具有一切换式电源转换模式与一电容式电源转换模式，用以转换第一输入电源而于一输出节点产生一充电电源而对一电池充电，其中该第一输入电源具有一输入电压以及一输入电流，该充电电源包括一充电电压以及一充电电流；该充电电路包含：一回路开关电路，耦接于第一节点与该输出节点之间；一电源回路晶体管，耦接于第二节点与该输出节点之间；一电感器，与该电源回路晶体管串联，耦接于第三节点与该第二节点之间；该电源转换电路，与该回路开关电路耦接于该第一节点，且与该电感器的电流流入端耦接于该第三节点；以及至少一转换电容器；该电源转换电路包括：
一转换开关电路，包括：
一上桥开关；
一下桥开关；以及
至少一辅助开关，与该上桥开关与该下桥开关耦接；
其中该上桥开关、该下桥开关以及该至少一辅助开关耦接于该第一输入电源、该第一节点、该第三节点以及一接地节点之间；其中该至少一转换电容器耦接于该转换开关电路；
以及
一转换控制电路，用以产生一转换开关控制信号以控制该转换开关电路，且产生一回路控制信号以控制该回路开关电路与该电源回路晶体管；
其中于该切换式电源转换模式下，该回路开关电路控制为不导通，且该转换控制电路操作该上桥开关、该下桥开关以及该至少一辅助开关，重复性地，于多个时段将该电感器的电流流入端导通至对应的多个电压位准，以二阶或以上位准的切换式电源转换方式将该第一输入电源于该第二节点转换为一切换输出电压，其中该转换控制电路控制该电源回路晶体管的导通程度以转换该切换输出电压为该充电电源；
且于该电容式电源转换模式下，该回路开关电路控制为导通，且该转换控制电路操作该上桥开关、该下桥开关以及该至少一辅助开关，于多个充电转换时段中，使该至少一转换电容器周期性地对应耦接于至少一充电比例电压节点、该第一输入电源、以及该接地节点其中的一对节点之间，以电容式电源转换方式将该第一输入电源转换为该充电电源；其中该第一节点耦接于该至少一充电比例电压节点中的一节点。
15.权利要求14所述的电源转换电路，其中，于该电容式电源转换模式下，该充电电流的位准大致为该输入电流位准的一预设的增流倍数，及/或该充电电压的位准大致为该输入电压位准的一预设的电压比例。
16.权利要求15所述的电源转换电路，其中，该充电电路还包含一电源发送单元，用以将一第二输入电源转换为该第一输入电源，其中该电源发送单元调节该输入电压于一预设的电压位准，或调节该输入电流于一预设的电流位准。
17.权利要求14所述的电源转换电路，其中，该上桥开关、该下桥开关以及该至少一辅助开关分别各具有一平均电流，其中于该切换式电源转换模式下以及该电容式电源转换模式下，各该平均电流分别都相关于该充电电流。
18.权利要求14所述的电源转换电路，其中，该第一节点与该第三节点直接连接。
19.权利要求14所述的电源转换电路，其中，
该至少一辅助开关包括第一辅助开关以及第二辅助开关；
其中该上桥开关与该第一辅助开关串联耦接于该第一输入电源与该第一输出节点之间，且共同连接于第四节点；该下桥开关与该第二辅助开关串联耦接于该第一输出节点与该接地节点之间，且共同连接于第五节点；该转换电容器耦接于该第四节点与该第五节点之间，且该第三节点直接连接于该第一节点、该第四节点或该第五节点其中之一；
其中该多个转换时段包括第一与第二转换时段；其中于该电容式电源转换模式下，该转换控制电路控制该多个转换开关，使该转换电容器的第一端于该第一转换时段与该第二转换时段中分别对应切换而电性连接于该输入电压与该第一节点之间，且使该转换电容器的第二端于该第一转换时段与该第二转换时段中分别对应切换而电性连接于该第一节点与该接地节点之间，使得该充电电流的位准大致为该输入电流位准的2倍。
20.权利要求14所述的电源转换电路，其中，该第三节点直接连接于该第一节点，且于该电容式电源转换模式下操作于一稳态时，该第三节点的电压大致上为一直流电压。
21.权利要求14所述的电源转换电路，其中，该回路开关电路与该电源回路晶体管的至少之一，与该电源转换电路整合于一集成电路中，或封入一集成电路封装中。
22.权利要求14所述的电源转换电路，其中，于一直接充电模式中，该转换控制电路操作该转换开关电路以及该回路开关电路与电源回路晶体管，使得该充电电源直接电性导通于该第一输入电源。
23.权利要求14所述的电源转换电路，其中，于该切换式电源转换模式下，该电感器的电流流入端切换于该输入电压与该接地节点之间，以二阶位准进行切换式电源转换。
24.权利要求14所述的电源转换电路，其中，于该切换式电源转换模式下，该电感器的电流流入端切换于该输入电压、该接地节点以及一第三电压位准之间，以三阶位准进行切换式电源转换，其中该第三电压位准通过切换该转换电容器而得。
25.权利要求19所述的电源转换电路，其中，该第三节点直接连接于该第一节点，且于该切换式电源转换模式下，该电感器的电流流入端切换于该输入电压、该接地节点以及一第三电压位准之间，以三阶位准进行切换式电源转换，其中该第三电压位准通过切换该转换电容器而得。
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