CN116566192A - 切换电容式电压转换电路及切换电容式电压转换方法 - Google Patents
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Abstract
一种切换电容式电压转换电路及切换电容式电压转换方法。该切换电容式电压转换电路用以将第一电压转换为第二电压，包括：切换电容转换器及控制电路。切换电容转换器包括：至少二电容；多个开关；及至少一电感。于切换电容转换器从目前的转换模式切换为下一个转换模式之间的模式切换期间，多个开关中至少二顺向开关，操作于单向导通模式，其中于单向导通模式中，每个顺向开关具有朝该第二电压顺向导通的电流通道。
Description
技术领域
本发明涉及一种切换电容式电压转换电路，特别涉及一种可降低模式切换期间的涌浪电流的切换电容式电压转换电路及切换电容式电压转换方法。
背景技术
图1显示一已知谐振切换电容式电压转换器10。此已知谐振切换电容式电压转换器10当其开关操作于谐振频率且切换于具有零电流切换/零电压切换的柔性切换状态时，能够提供高效率操作。然而，此已知谐振切换电容式电压转换器10的输入电压Vin对于输出电压Vout仅具有固定的2转1转换比例。
有鉴于此，本发明即针对上述现有技术的不足，提出一种创新的切换电容式电压转换电路。
发明内容
于一观点中，本发明提供一种切换电容式电压转换电路，用以将一第一电压转换为一第二电压，该切换电容式电压转换电路包括：一切换电容转换器，耦接于该第一电压与该第二电压之间；以及一控制电路，用以根据一电压转换比例，决定该切换电容转换器操作于具有该电压转换比例的一转换模式，并根据该转换模式产生一控制信号以控制该切换电容转换器，而将该第一电压转换为该第二电压；其中该切换电容转换器包括：至少二电容；多个开关，与该至少二电容耦接；以及至少一电感；其中，该控制信号包括一充电操作信号及至少一放电操作信号，以控制该多个开关的切换，而将该第一电压转换为该第二电压；其中，在该转换模式的一充电程序中，通过该充电操作信号控制该多个开关的切换，使至少一该电容与对应的该电感串联于该第一电压与该第二电压之间，以形成一充电路径并谐振操作；其中，在该转换模式的至少一放电程序中，通过该放电操作信号控制该多个开关的切换，使该电容与对应的该电感串联于该第二电压与一直流电位之间，而同时形成或轮流形成多个放电路径并谐振操作；其中，在该转换模式中，该充电程序与该至少一放电程序彼此重复地交错排序，以将该第一电压转换为该第二电压；其中，在该转换模式中，该充电操作信号与该至少一放电操作信号，分别各自切换至一导通位准一段导通期间，且该多个段导通期间彼此不重叠，以使该充电程序与该至少一放电程序彼此不重叠；其中，当该控制电路将目前的该转换模式切换为下一个转换模式之间的一模式切换期间，该控制信号改变为一模式切换控制信号，其包括一模式切换充电信号、至少一模式切换放电信号以及一单向导通信号；其中该单向导通信号用以控制该多个开关中至少二顺向开关，操作于一单向导通模式，其中于该单向导通模式中，每个该顺向开关具有朝该第二电压顺向导通的一电流通道；其中，该模式切换充电信号与该模式切换放电信号，控制除了操作于该单向导通模式的该至少二顺向开关外的其他该开关的切换，而将该第一电压转换为该第二电压。
于另一观点中，本发明提供一种切换电容式电压转换方法，用以将一切换电容转换器的一第一电压转换为一第二电压，该切换电容转换器包括至少二电容、多个开关以及至少一电感，该切换电容式电压转换方法包含：根据一电压转换比例，决定该切换电容转换器操作于具有该电压转换比例的一转换模式，并根据该转换模式产生一控制信号，以控制该切换电容转换器中该多个开关的切换，而将该第一电压转换为该第二电压，其中该控制信号包括一充电操作信号及至少一放电操作信号；于该转换模式的一充电程序中，通过该充电操作信号控制该多个开关的切换，使至少一该电容与对应的该电感串联于该第一电压与该第二电压之间，以形成一充电路径并谐振操作；在该转换模式的至少一放电程序中，通过该放电操作信号控制该多个开关的切换，使该电容与对应的该电感串联于该第二电压与一直流电位之间，而同时形成或轮流形成多个放电路径并谐振操作；在该转换模式中，该充电程序与该至少一放电程序彼此重复地交错排序，以将该第一电压转换为该第二电压；在该转换模式中，该充电操作信号与该至少一放电操作信号，分别各自切换至一导通位准一段导通期间，且该多个段导通期间彼此不重叠，以使该充电程序与该至少一放电程序彼此不重叠；于将目前的该转换模式切换为下一个转换模式之间的一模式切换期间，该控制信号改变为一模式切换控制信号，其包括一模式切换充电信号、至少一模式切换放电信号以及一单向导通信号；以该单向导通信号控制该多个开关中至少二顺向开关，使其操作于一单向导通模式，其中于该单向导通模式中，每个该顺向开关具有朝该第二电压顺向导通的一电流通道；以及以该模式切换充电信号与该模式切换放电信号，控制除了操作于该单向导通模式的该至少二顺向开关外的其他该开关的切换，而将该第一电压转换为该第二电压。
于一实施例中，操作于该单向导通模式的该至少二顺向开关为恒导通，或恒不导通但具有朝该第二电压顺向的内接二极管。
于一实施例中，于该模式切换期间，该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的占空比对应低于前一个该充电操作信号及/或该放电操作信号的占空比，且该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的占空比自一预设值逐渐增加，以于该模式切换期间，使对应的该电容的一电容跨压逐渐增加或减少。
于一实施例中，该控制电路包括：一占空比决定电路，用以比较一渐升节点的一渐升电压与一周期波形信号，而产生一占空比信号；一占空比分配电路，用以根据该占空比信号而分别产生该模式切换充电信号与该至少一模式切换放电信号；以及一渐升电压产生电路，与该占空比决定电路耦接，用以于该模式切换期间，产生该渐升节点的该渐升电压；其中该渐升节点的该渐升电压于该模式切换期间逐渐上升，以使得该模式切换充电信号与该至少一模式切换放电信号的占空比对应逐渐上升。
于一实施例中，该切换电容转换器包括串并联式切换电容转换器(series-parallel switched capacitor converter)。
于一实施例中，该直流电位为接地电位。
于一实施例中，该控制电路包括：一电流感测电路，用以感测流经该至少一电感的电流，以产生至少一电流感测信号；以及一控制信号产生电路，与该电流感测电路耦接，用以根据该电流感测信号而产生该控制信号。
于一实施例中，该控制电路还包括一电压感测电路，用以感测该第二电压，以产生一电压感测信号。
于一实施例中，于该模式切换期间，该控制电路调降该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的占空比至一预设值，以限制流经该电感的一电感电流。
于一实施例中，该转换模式包括一第一转换模式及一第二转换模式，当该控制电路调降该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的该占空比至该预设值之后，该控制电路将该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的该占空比逐渐增加，直到该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的一切换周期与该切换电容转换器于该第一转换模式或该第二转换模式的一谐振频率对应。
于一实施例中，该转换模式包括一第一转换模式及一第二转换模式，在该模式切换期间，当该第二电压到达该第二转换模式或该第一转换模式的一预设电压一段预设期间时，该多个开关中具有朝该第二电压顺向的该内接二极管的该至少二顺向开关转为由该充电操作信号及/或该放电操作信号所控制。
于一实施例中，该切换电容式电压转换电路具有双向转换功能。
本发明的优点在于本发明通过在模式切换期间，降低占空比至预设值且逐渐增加占空比并使电感电流续流，可降低模式切换期间所产生的涌浪电流、可提供具有不同电压转换比例的更多的操作模式、可在模式切换期间限制切换电流且在模式切换期间无需停止或重置切换电容转换器。
以下通过具体实施例详加说明，会更容易了解本发明的目的、技术内容、特点及其所实现的效果。
附图说明
图1为已知的谐振切换电容式电压转换器的示意图。
图2A是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的电路示意图。
图2B是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的相关信号的信号波形示意图。
图2C是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的控制电路的方块示意图。
图3A是根据本发明的另一实施例显示一切换电容式电压转换电路的电路示意图。
图3B是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的相关信号的信号波形示意图。
图4A是根据本发明的再一实施例显示一切换电容式电压转换电路的电路示意图。
图4B是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的相关信号的信号波形示意图。
图5A是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的模式切换期间的开关状态栏表。
图5B是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路中的控制电路示意图。
图5C是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的控制电路于模式切换期间的相关信号的信号波形示意图。
图5D是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的相关信号的信号波形示意图。
图5E为图5D中第二转换模式切换至第一转换模式(轮流)的局部放大图。
图5F为图5D中的第一转换模式(轮流)转换至第二转换模式的局部放大图。
图6A是根据本发明的另一实施例显示一切换电容式电压转换电路的模式切换期间的开关状态栏表。
图6B是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的相关信号的信号波形示意图。
图7是根据本发明的又一实施例显示一切换电容式电压转换电路的电路示意图。
图8是根据本发明的再一实施例显示一切换电容式电压转换电路的电路示意图。
图中符号说明
10：谐振切换电容式电压转换器
20，30，40，60，70：切换电容式电压转换电路
201，601，701：控制电路
2011：电流感测电路
2012：控制信号产生电路
2013：电压感测电路
202，602，702：切换电容转换器
C1～C4，Ca，CV2：电容
Cd：电流感测信号
CLK：时钟信号
CS2：电流源
GA：充电操作信号
GA’：模式切换充电信号
GB，GC：放电操作信号
GB’，GC’：模式切换放电信号
GD’：单向导通信号
I1：第一电流
I2：第二电流
IC1：电容电流
IL：电感电流
L：电感
Lgc-H：信号
Q1～Q13：开关
S2：重置开关
Srst：重置信号
t1～t4：导通期间
V1：第一电压
V2：第二电压
Va：渐升电压
Vd：电压感测信号
Vin：输入电压
Vm：中间信号
Vout：输出电压
Vramp：周期波形信号
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。
图2A是根据本发明的一实施例显示切换电容式电压转换电路的电路示意图。如图2A所示，切换电容式电压转换电路20用以将第一电压V1转换为第二电压V2或将第二电压V2转换为第一电压V1。切换电容式电压转换电路20包括控制电路201及切换电容转换器202。切换电容转换器202耦接于第一电压V1与第二电压V2之间。控制电路201用以根据电压转换比例，决定切换电容转换器202操作于具有该电压转换比例的转换模式，而产生控制信号以控制切换电容转换器202，而将第一电压V1转换为第二电压V2或将第二电压V2转换为第一电压V1。其中，前述电压转换比例为第一电压V1与第二电压V2的比例。
于本实施例中，控制信号包括充电操作信号GA及至少一放电操作信号GB，通过充电操作信号GA或放电操作信号GB控制多个开关Q1～Q7的切换，使切换电容转换器202操作于第一转换模式(同时放电)、第一转换模式(轮流放电)或第二转换模式。于本实施例中，切换电容转换器202操作于第一转换模式(同时放电)，亦即第一电压V1与第二电压V2的比例为3：1，且放电路径并联且于放电程序中同时放电。切换电容转换器202包括至少二电容C1及C2、多个开关Q1～Q7以及至少一电感L。多个开关Q1～Q7与至少二电容C1及C2耦接。
在第一转换模式(同时放电)的充电程序中，通过充电操作信号GA控制开关Q1、Q2及Q3的切换，使至少二电容C1及C2与对应的电感L串联于第一电压V1与第二电压V2之间，以形成充电路径并谐振操作。在第一转换模式(同时放电)的至少一放电程序中，通过放电操作信号GB控制开关Q4～Q7的切换，使至少二电容C1及C2与对应的电感L分别串联于第二电压V2与直流电位(在本实施例中，直流电位为接地电位)之间，而“同时”形成多个放电路径并谐振操作。在第一转换模式(同时放电)中，充电程序与至少一放电程序彼此重复地交错排序，以将第一电压V1转换为第二电压V2或将第二电压V2转换为第一电压V1。在第一转换模式(同时放电)中，充电操作信号GA与至少一放电操作信号GB分别各自切换至一导通位准一段导通期间，且多个段导通期间彼此不重叠，以使充电程序与至少一放电程序彼此不重叠。
图2B是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的相关信号的信号波形示意图。第二电压V2、电感电流IL、电容电流IC1、充电操作信号GA及放电操作信号GB如图2B所示。如图2B所示，在第一转换模式(同时放电)中，充电操作信号GA与至少一放电操作信号GB分别各自切换至一导通位准一段导通期间，且多个段导通期间彼此不重叠，以使充电程序与至少一放电程序彼此不重叠。
图2C是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的控制电路的方块示意图。请同时参照图2C及图2A，控制电路201包括电流感测电路2011、控制信号产生电路2012及电压感测电路2013。电流感测电路2011用以感测流经至少一电感L的电流，以产生至少一电流感测信号Cd，而控制信号产生电路2012与电流感测电路2011耦接，用以根据电流感测信号Cd而产生控制信号例如充电操作信号GA及放电操作信号GB。电压感测电路2013用以感测第二电压V2，以产生电压感测信号Vd。需说明的是，控制电路201也可以仅根据第一电压V1与第二电压V2的电压转换比例，而决定充电操作信号GA及放电操作信号GB，以开回路的方式控制切换电容转换器202，而不需要如图2C所示的实施例，根据电流感测信号Cd而产生控制信号例如充电操作信号GA及放电操作信号GB，以闭回路的反馈方式控制切换电容转换器202。
图3A是根据本发明的另一实施例显示一切换电容式电压转换电路的电路示意图。于本实施例中，切换电容转换器202操作于第一转换模式(轮流放电)。本实施例与图2A的实施例的差别在于，本实施例在第一转换模式(轮流放电)的至少一放电程序中，通过放电操作信号GB及GC分别控制开关Q4及Q5与开关Q6及Q7的切换，使至少二电容C1及C2与对应的电感L分别串联于第二电压V2与直流电位(在本实施例中，直流电位为接地电位)之间，而“轮流”形成多个放电路径并谐振操作。
图3B是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的相关信号的信号波形示意图。第二电压V2、电感电流IL、电容电流IC1、充电操作信号GA、放电操作信号GB及放电操作信号GC如图3B所示。如图3B所示，在第一转换模式(轮流放电)中，充电操作信号GA与放电操作信号GB及放电操作信号GC分别各自切换至一导通位准一段导通期间，且多个段导通期间彼此不重叠，以使充电程序与至少一放电程序彼此不重叠。
图4A是根据本发明的再一实施例显示一切换电容式电压转换电路的电路示意图。图4A的实施例类似于图2A的实施例，其不同在于，于本实施例中，开关Q6恒导通，开关Q3及Q7恒不导通，使得切换电容转换器202操作于第二转换模式，亦即第一电压V1与第二电压V2的电压转换比例为2：1。在第二转换模式的充电程序中，通过充电操作信号GA控制开关Q1及Q2的切换，使至少一电容C1与对应的电感L串联于第一电压V1与第二电压V2之间，以形成充电路径并谐振操作。在第二转换模式的至少一放电程序中，通过放电操作信号GB控制开关Q4及Q5的切换，使至少一电容C1与对应的电感L串联于第二电压V2与直流电位之间，而形成放电路径并谐振操作。
图4B是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的相关信号的信号波形示意图。第二电压V2、电感电流IL、电容电流IC1、充电操作信号GA及放电操作信号GB如图4B所示。如图4B所示，在第二转换模式中，充电操作信号GA与放电操作信号GB分别各自切换至一导通位准一段导通期间，且多个段导通期间彼此不重叠，以使充电程序与至少一放电程序彼此不重叠。
图5A是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的模式切换期间的开关状态栏表。参照图5A左侧，当控制电路将201将目前的转换模式，例如第二转换模式，切换为下一个转换模式，例如为第一转换模式(轮流放电)之间的模式切换期间，控制信号改变为模式切换控制信号，其包括模式切换充电信号GA’、模式切换放电信号GB’与GC’以及单向导通信号GD’。其中单向导通信号GD’用以控制多个开关Q1～Q7中顺向开关Q2、Q3、Q5、Q7，操作于单向导通模式，其中于单向导通模式中，顺向开关Q2、Q3、Q5、Q7中的每一个开关具有朝第二电压V2顺向导通的电流通道，如图4A与图3A中虚线箭号所示意。其中，模式切换充电信号GA’与模式切换放电信号GB’与GC’，控制除了操作于单向导通模式的顺向开关Q2、Q3、Q5、Q7外的其他开关Q1、Q4、Q6的切换，而将第一电压V1转换为第二电压V2。
模式切换充电信号GA’与模式切换放电信号GB’与GC’，与充电操作信号GA与放电操作信号GB与GC类似。在模式切换期间的充电程序中，通过模式切换充电信号GA’控制开关Q1的切换，加上开关Q2与开关Q3朝第二电压V2顺向导通的电流通道，使电容C1及C2与对应的电感L串联于第一电压V1与第二电压V2之间，以形成充电路径但并不必须谐振操作。在模式切换期间的至少一放电程序中，通过模式切换放电信号GB’与GC’控制开关Q4与Q6的切换，加上开关Q5与开关Q7朝第二电压V2顺向导通的电流通道，使电容C1及C2与对应的电感L分别串联于第二电压V2与直流电位(在本实施例中，直流电位为接地电位)之间，而轮流形成多个放电路径但并不必须谐振操作。在模式切换期间(轮流放电)中，模式切换期间的充电程序与模式切换期间的至少一放电程序彼此重复地交错排序，以将第一电压V1转换为第二电压V2。在模式切换期间(轮流放电)中，模式切换充电信号GA’与至少一模式切换放电信号GB’与GC’分别各自切换至一导通位准一段导通期间，且多个段导通期间彼此不重叠，以使模式切换期间的充电程序与模式切换期间的至少一放电程序彼此不重叠。
请继续参阅图5A，举例而言，多个开关Q1～Q7中具有朝第二电压V2顺向的内接二极管的至少二顺向开关(例如但不限于开关Q2、Q3、Q5、Q7)操作于单向导通模式，多个开关Q1～Q7中除了具有朝第二电压V2顺向的内接二极管的至少二顺向开关以外的开关(例如但不限于开关Q1、Q4、Q6)受模式切换充电信号GA’以及模式切换放电信号GB’与GC’所控制。于单向导通模式中，具有朝第二电压V2顺向的内接二极管的至少二顺向开关例如但不限于开关Q2、Q3、Q5、Q7。于模式切换期间，开关Q2、Q3、Q5、Q7恒导通，或恒不导通但具有朝第二电压V2顺向的内接二极管。
其中，模式切换充电信号GA’及模式切换放电信号GB’与GC’操作开关Q1、Q4、Q6的方式，与充电操作信号GA及放电操作信号GB控制多个开关Q1～Q7的切换的方式相似。
请参照图5A右侧，当控制电路将201将目前的转换模式，例如第一转换模式(轮流放电)，切换为下一个转换模式，例如第二转换模式之间的模式切换期间，控制信号改变为模式切换控制信号，其包括模式切换充电信号GA’、模式切换放电信号GB’与GC’以及单向导通信号GD’。其中单向导通信号GD’用以控制多个开关Q1～Q7中顺向开关Q2、Q3、Q5、Q7，操作于单向导通模式，其中于单向导通模式中，顺向开关Q2、Q3、Q5、Q7中的每一个开关具有朝第二电压V2顺向导通的电流通道。其中，模式切换充电信号GA’与模式切换放电信号GB’，控制除了操作于单向导通模式的顺向开关Q2、Q3、Q5、Q7外的其他开关Q1、Q4、Q6的切换(模式切换充电信号GA’控制开关Q1、Q6，模式切换放电信号GB’控制开关Q4)，而将第一电压V1转换为第二电压V2。
于一实施例中，于模式切换期间，控制电路201可控制模式切换充电信号GA’及/或模式切换放电信号GB’与GC’的占空比，对应低于前一个充电操作信号GA及/或放电操作信号GB与GC的占空比，且模式切换充电信号GA’及/或模式切换放电信号GB’与GC’的占空比自预设值逐渐增加，以于模式切换期间，使对应的电容C1及/或C2的电容跨压，逐渐增加或逐渐减少，并限制流经电感L的电感电流IL的改变速度。于一实施例中，当控制电路201控制模式切换充电信号GA’及/或模式切换放电信号GB’与GC’的占空比至预设值之后，控制电路201将模式切换充电信号GA’及/或模式切换放电信号GB’的占空比逐渐增加，直到模式切换充电信号GA’及/或模式切换放电信号GB’与GC’的切换周期与下一个切换电容转换器202操作的转换模式的谐振频率对应。于一实施例中，在切换电容转换器202从第一转换模式切换为第二转换模式或从第二转换模式切换为第一转换模式之后，当第二电压V2到达第二转换模式或第一转换模式的预设电压一段预设期间时，多个开关Q1～Q7中具有朝第二电压V2顺向的内接二极管的至少二顺向开关(例如不限于开关Q2、Q3、Q5、Q7)转为由充电操作信号GA及/或放电操作信号GB所控制。
于一实施例中，于模式切换期间，控制电路201可控制模式切换充电信号GA’及/或模式切换放电信号GB’与GC’的占空比至预设值并逐渐增加，以于多个开关Q1～Q7中具有朝第二电压V2顺向的内接二极管的至少顺向二开关(例如但不限于开关Q2、Q3、Q5、Q7)恒导通，或恒不导通但具有朝第二电压V2顺向的内接二极管时，使流经对应的电感L的电感电流IL经由至少一顺向导通的电流通道而续流，进而使朝第二电压V2流动的电感电流IL处于一状态。于一实施例中，上述状态为朝第二电压V2流动的电感电流IL为非谐振电流。于一较佳实施例中，上述状态为朝第二电压V2流动的电感电流IL为线性斜坡电流。
举例而言，请同时参照图5A及图3A及4A，于模式切换期间，控制电路201控制模式切换充电信号GA’及/或模式切换放电信号GB’与GC’的占空比至预设值并逐渐增加，以于多个开关Q1～Q7中具有朝第二电压V2顺向的内接二极管的至少二顺向开关(例如但不限于开关Q2、Q3、Q5、Q7)不导通时，使对应的电感L的一端经由至少二顺向开关(例如顺向开关Q3及Q7及/或顺向开关Q2及Q5)中的内接二极管(body diode)而导通于直流电位，进而使得朝第二电压V2流动的电感电流IL为线性斜坡电流。
于一替代性实施例中，于模式切换期间，控制电路201控制模式切换充电信号GA’及/或模式切换放电信号GB’与GC’的占空比至预设值并逐渐增加，以于多个开关Q1～Q7中具有朝第二电压V2顺向的内接二极管的至少二顺向开关(例如但不限于顺向开关Q2、Q3、Q5、Q7)恒导通时，使对应的电感L的一端经由恒导通的至少二顺向开关(例如顺向开关Q3及Q7及/或顺向开关Q2及Q5)而导通于直流电位，进而使得朝第二电压V2流动的电感电流IL为线性斜坡电流。
图5B是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路中的控制电路示意图。本实施例显示控制电路201的一较具体的示范性实施例，但本发明的控制电路201也可以其他架构加以实施。如图5B所示，于一实施例中，控制电路201包括占空比决定电路2011、占空比分配电路2012以及渐升电压产生电路2013。占空比决定电路2011用以比较渐升电压产生电路2013于电流源CS2及电容Ca间的渐升节点所产生的渐升电压Va与周期波形信号Vramp，而产生占空比信号Vd。其中周期波形信号Vramp例如但不限于为如图5C所示的三角波。占空比分配电路2012用以根据占空比信号Vd而分别产生模式切换充电信号GA’与模式切换放电信号GB’与GC’。于一实施例中，如图5B所示，占空比决定电路2011包括比较器与逻辑与门，占空比分配电路2012包括正反器与逻辑与门。渐升电压产生电路2013包含电流源CS2、电容Ca以及重置开关S2。
在模式切换期间，渐升电压产生电路2013的电流源CS2对电容Ca充电，使渐升节点上的渐升电压Va逐渐上升，在占空比决定电路2011比较渐升电压Va与周期波形信号Vramp时，将使得占空比信号Vd的占空比逐渐上升，进而使模式切换充电信号GA’与模式切换放电信号GB’与GC’的占空比也逐渐增加，使第一电压V1转换为第二电压V2或第二电压V2转换为第一电压V1时，降低涌浪电流。
在一种实施例中，当渐升电压Va上升超过周期波形信号Vramp的最大值时，占空比分配电路2012根据占空比信号Vd所产生的模式切换充电信号GA’与模式切换放电信号GB’与GC’，可直接进入第一转换模式(轮流放电)或第二转换模式。当然，进入第一转换模式(轮流放电)或第二转换模式后，也可以关闭占空比分配电路2012，而由其他电路产生充电操作信号GA与至少一放电操作信号GB。此外，渐升电压产生电路2013可根据重置信号Srst，于适当时点(例如于下一个模式切换期间开始之前)导通重置开关S2，对电容Ca放电，以重置渐升电压Va。
图5C是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的控制电路于模式切换期间的相关信号的信号波形示意图。渐升节点的渐升电压Va、周期波形信号Vramp、时钟信号CLK、占空比信号Vd、模式切换充电信号GA’及模式切换放电信号GB’显示于图5C中。如图5C所示，渐升节点的渐升电压Va于模式切换期间逐渐上升。如图5C所示，在模式切换期间，多个段导通期间t1～t4的时间长度逐渐增加。因此，于一实施例中，占空比由一预设值逐渐增加至50％。
图5D是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的相关信号的信号波形示意图。图5E为图5D中第二转换模式切换至第一转换模式(轮流放电)相关信号于模式切换期间的局部放大图。图5F为图5D中的第一转换模式(轮流放电)切换至第二转换模式的局部放大图。第二电压V2、第二电流I2、电感电流IL、电容跨压VC1、电容跨压VC2显示于图5D、5E及5F。由图5D、5E及5F可知，切换电容式电压转换电路于模式切换期间通过逐渐增加导通期间的时间长度可进一步降低涌浪电流。
图6A是根据本发明的另一实施例显示一切换电容式电压转换电路的模式切换期间的开关状态栏表。参照图6A左侧，当控制电路将201将目前的转换模式，例如第二转换模式切换为下一个转换模式，例如为第一转换模式(同时放电)之间的模式切换期间，控制信号改变为模式切换控制信号，其包括模式切换充电信号GA’、模式切换放电信号GB’以及单向导通信号GD’。其中单向导通信号GD’用以控制多个开关Q1～Q7中顺向开关Q2、Q3、Q5、Q7，操作于单向导通模式，其中于单向导通模式中，顺向开关Q2、Q3、Q5、Q7中的每一个开关具有朝第二电压V2顺向导通的电流通道。其中，模式切换充电信号GA’与模式切换放电信号GB’，控制除了操作于单向导通模式的顺向开关Q2、Q3、Q5、Q7外的其他开关Q1、Q4、Q6的切换，而将第一电压V1转换为第二电压V2。
请继续参阅图6A，举例而言，多个开关Q1～Q7中具有朝第二电压V2顺向的内接二极管的至少二顺向开关(例如但不限于开关Q2、Q3、Q5、Q7)操作于单向导通模式，多个开关Q1～Q7中除了具有朝第二电压V2顺向的内接二极管的至少二顺向开关以外的开关(例如但不限于开关Q1、Q4、Q6)受模式切换充电信号GA’或模式切换放电信号GB’所控制。于单向导通模式中，具有朝第二电压V2顺向的内接二极管的至少二顺向开关(例如但不限于开关Q2、Q3、Q5、Q7)恒导通，或恒不导通但电流可流经朝第二电压V2顺向的内接二极管。
请参照图6A右侧，当控制电路将201将目前的转换模式，例如第一转换模式(同时放电)，切换为下一个转换模式，例如第二转换模式之间的模式切换期间，控制信号改变为模式切换控制信号，其包括模式切换充电信号GA’、模式切换放电信号GB’以及单向导通信号GD’。其中单向导通信号GD’用以控制多个开关Q1～Q7中顺向开关Q2、Q3、Q5、Q7，操作于单向导通模式，其中于单向导通模式中，顺向开关Q2、Q3、Q5、Q7中的每一个开关具有朝第二电压V2顺向导通的电流通道。其中，模式切换充电信号GA’与模式切换放电信号GB’，控制除了操作于单向导通模式的顺向开关Q2、Q3、Q5、Q7外的其他开关Q1、Q4、Q6的切换(模式切换充电信号GA’控制开关Q1、Q6，模式切换放电信号GB’控制开关Q4)，而将第一电压V1转换为第二电压V2。
于一实施例中，于模式切换期间，控制电路201可控制模式切换充电信号GA’及/或模式切换放电信号GB’与GC’的占空比，对应低于前一个充电操作信号GA及/或放电操作信号GB与GC的占空比，且模式切换充电信号GA’及/或模式切换放电信号GB’与GC’的占空比自预设值逐渐增加，以于模式切换期间，使对应的电容C1及/或C2的电容跨压，逐渐增加或逐渐减少，并限制流经电感L的电感电流IL的改变速度。于一实施例中，当控制电路201控制模式切换充电信号GA’及/或模式切换放电信号GB’与GC’的占空比至预设值之后，控制电路201将模式切换充电信号GA’及/或模式切换放电信号GB’的占空比逐渐增加，直到模式切换充电信号GA’及/或模式切换放电信号GB’与GC’的切换周期与下一个切换电容转换器202操作的转换模式的谐振频率对应。于一实施例中，在切换电容转换器202从第一转换模式切换为第二转换模式或从第二转换模式切换为第一转换模式之后，当第二电压V2到达第二转换模式或第一转换模式的预设电压一段预设期间时，多个开关Q1～Q7中具有朝第二电压V2顺向的内接二极管的至少二顺向开关(例如不限于开关Q2、Q3、Q5、Q7)转为由充电操作信号GA及/或放电操作信号GB所控制。
于一实施例中，于模式切换期间，控制电路201可控制模式切换充电信号GA’及/或模式切换放电信号GB’与GC’的占空比至预设值并逐渐增加，以于多个开关Q1～Q7中具有朝第二电压V2顺向的内接二极管的至少二顺向开关(例如但不限于开关Q2、Q3、Q5、Q7)恒导通，或恒不导通但电流可流经朝第二电压V2顺向的内接二极管时，使流经对应的电感L的电感电流IL经由至少一顺向导通的电流通道而续流，进而使朝第二电压V2流动的电感电流IL处于一状态。于一实施例中，上述状态为朝第二电压V2流动的电感电流IL为非谐振电流。于一较佳实施例中，上述状态为朝第二电压V2流动的电感电流IL为线性斜坡电流。
举例而言，请同时参照图6A及图2A及4A，于模式切换期间，控制电路201控制模式切换充电信号GA’及/或模式切换放电信号GB’与GC’的占空比至预设值并逐渐增加，以于多个开关Q1～Q7中具有朝第二电压V2顺向的内接二极管的至少二顺向开关(例如但不限于开关Q2、Q3、Q5、Q7)不导通时，使对应的电感L的一端经由至少二顺向开关(例如顺向开关Q3及Q7及/或顺向开关Q2及Q5)中的内接二极管(body diode)而导通于直流电位，进而使得朝第二电压V2流动的电感电流IL为线性斜坡电流。
于一替代性实施例中，于模式切换期间，控制电路201控制模式切换充电信号GA’及/或模式切换放电信号GB’与GC’的占空比至预设值并逐渐增加，以于多个开关Q1～Q7中具有朝第二电压V2顺向的内接二极管的至少二顺向开关(例如但不限于开关Q2、Q3、Q5、Q7)恒导通时，使对应的电感L的一端经由恒导通的至少二顺向开关(例如开关Q3及Q7及/或开关Q2及Q5)而导通于直流电位，进而使得朝第二电压V2流动的电感电流IL为线性斜坡电流。
图6B是根据本发明的一实施例显示一切换电容式电压转换电路的相关信号的信号波形示意图。第二电压V2、第二电流I2、电感电流IL、电容跨压VC1、电容跨压VC2显示于图6B。由图6B可知，切换电容式电压转换电路于模式切换期间通过逐渐增加导通期间的时间长度可进一步降低涌浪电流。
图7是根据本发明的再一实施例显示一切换电容式电压转换电路的电路示意图。如图7所示，本发明的切换电容式电压转换电路60的切换电容转换器602包含电容C1～C3、开关Q1～Q10、电感L。开关Q1-Q3分别与对应的电容C1-C3串联，而开关Q4与电感L串联。
开关Q1-Q10可根据对应的操作信号，切换所对应的电容C1-C3与电感L的电连接关系。在充电程序中，根据充电操作信号GA，开关Q1-Q4为导通，开关Q5-Q10为不导通，使得电容C1-C3彼此串联后与电感L串联于第一电压V1与第二电压V2之间，以形成一充电路径。在放电程序中，根据放电操作信号GB，开关Q5-Q10导通，开关Q1-Q4不导通，使电容C1～C3彼此并联后串联电感L于第二电压V2与接地电位之间，而形成多个放电路径。应注意者为，上述充电程序与上述放电程序于不同的时间段重复地交错进行，而非同时进行，以将第一电压V1转换为第二电压V2或将第二电压V2转换为第一电压V1。于本实施例中，每个电容C1～C3的直流偏压均为第二电压V2，故本实施例中的电容C1～C3需要耐较低的额定电压，故可使用较小体积的电容器。
本实施例的控制电路601及操作方式可类似于图2A、2C、3A、4A、5A及6A的控制电路架构及操作方式加以实施，请参照关于图2A、2C、3A、4A、5A及6A的详细叙述。于模式切换期间的电感电流续流的方式类似于图5A及6A，采用例如但不限于开关Q2、Q3、Q4、Q6、Q8、Q10，请参照关于5A及6A的详细叙述。
图8是根据本发明的又一实施例显示一切换电容式电压转换电路的电路示意图。如图8所示，本发明的切换电容式电压转换电路70的切换电容转换器702包含电容C1～C4、开关Q1～Q13、电感L。开关Q1-Q4分别与对应的电容C1-C4串联，而开关Q5与电感L串联。
开关Q1-Q13可根据对应的操作信号，切换所对应的电容C1-C4与电感L的电连接关系。在充电程序中，根据充电操作信号GA，开关Q1-Q5为导通，开关Q6-Q13为不导通，使得电容C1-C4彼此串联后与电感L串联于第一电压V1与第二电压V2之间，以形成一充电路径。在放电程序中，根据放电操作信号GB，开关Q6-Q13导通，开关Q1-Q5不导通，使电容C1～C4彼此并联后串联电感L于第二电压V2与接地电位之间，而形成多个放电路径。应注意者为，上述充电程序与上述放电程序于不同的时间段重复地交错进行，而非同时进行，以将第一电压V1转换为第二电压V2或将第二电压V2转换为第一电压V1。于本实施例中，每个电容C1～C4的直流偏压均为第二电压V2，故本实施例中的电容C1～C4需要耐较低的额定电压，故可使用较小体积的电容器。
本实施例的控制电路701及操作方式可类似于图2A、2C、3A、4A、5A及6A的控制电路架构及操作方式加以实施，请参照关于图2A、2C、3A、4A、5A及6A的详细叙述。于模式切换期间的电感电流续流的方式类似于图5A及6A，采用例如但不限于开关Q2、Q3、Q4、Q5、Q7、Q9、Q11、Q13，请参照关于5A及6A的详细叙述。
本发明如上所述提供了一种切换电容式电压转换电路，其通过在模式切换期间降低占空比至预设值且逐渐增加占空比并使电感电流续流，可降低模式切换期间所产生的涌浪电流、可提供具有不同电压转换比例的更多的操作模式、可在模式切换期间限制切换电流且在模式切换期间无需停止或重置切换电容转换器。
以上所述的实施例，将第一电压V1转换为第二电压V2的电路，也适用于第二电压V2转换为第一电压V1。控制电路根据第二电压V2的位准，而选择第一电压V1与第二电压V2间的比例，进而产生控制信号，以将第二电压V2转换为第一电压V1。其中，控制电路201根据第一电压V1而选择使切换电容转换器202操作于第二转换模式、第一转换模式(同时放电)及第一转换模式(轮流放电)中其中一者；同样的电路也可以操作为控制电路201根据第二电压V2而选择使切换电容转换器202操作于一转二模式、一转三模式(同时放电)及一转三模式(轮流放电)中其中一者。
需说明的是，以上所有实施例中，切换电容式电压转换电路具有双向转换功能，也就是可将第一电压V1转换为第二电压V2或将第二电压V2转换为第一电压V1。当切换电容式电压转换电路应用于第二电压V2转换为第一电压V1时，在模式切换期间，其中单向导通信号用以控制多个开关中顺向开关操作于单向导通模式，其中于单向导通模式中，顺向开关中的每一个开关则需具有朝第一电压V1顺向导通的电流通道。
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最广的权利范围。所说明的各个实施例，并不限于单独应用，也可以组合应用，举例而言，两个或以上的实施例可以组合运用，而一实施例中的部分组成也可用以取代另一实施例中对应的组成部件。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，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 (23)
1.一种切换电容式电压转换电路，用以将一第一电压转换为一第二电压，该切换电容式电压转换电路包含：
一切换电容转换器，耦接于该第一电压与该第二电压之间；以及
一控制电路，用以根据一电压转换比例，决定该切换电容转换器操作于具有该电压转换比例的一转换模式，并根据该转换模式产生一控制信号以控制该切换电容转换器，而将该第一电压转换为该第二电压；
其中，该切换电容转换器包括：
至少二电容；
多个开关，与该至少二电容耦接；以及
至少一电感；
其中，该控制信号包括一充电操作信号及至少一放电操作信号，以控制该多个开关的切换，而将该第一电压转换为该第二电压；
其中，在该转换模式的一充电程序中，通过该充电操作信号控制该多个开关的切换，使至少一该电容与对应的该电感串联于该第一电压与该第二电压之间，以形成一充电路径并谐振操作；
其中，在该转换模式的至少一放电程序中，通过该放电操作信号控制该多个开关的切换，使该电容与对应的该电感串联于该第二电压与一直流电位之间，而同时形成或轮流形成多个放电路径并谐振操作；
其中，在该转换模式中，该充电程序与该至少一放电程序彼此重复地交错排序，以将该第一电压转换为该第二电压；
其中，在该转换模式中，该充电操作信号与该至少一放电操作信号，分别各自切换至一导通位准一段导通期间，且该多个段导通期间彼此不重叠，以使该充电程序与该至少一放电程序彼此不重叠；
其中，当该控制电路将目前的该转换模式切换为下一个转换模式之间的一模式切换期间，该控制信号改变为一模式切换控制信号，其包括一模式切换充电信号、至少一模式切换放电信号以及一单向导通信号；
其中，该单向导通信号用以控制该多个开关中至少二顺向开关，操作于一单向导通模式，其中于该单向导通模式中，每个该顺向开关具有朝该第二电压顺向导通的一电流通道；
其中，该模式切换充电信号与该模式切换放电信号，控制除了操作于该单向导通模式的该至少二顺向开关外的其他该开关的切换，而将该第一电压转换为该第二电压。
2.如权利要求1所述的切换电容式电压转换电路，其中，操作于该单向导通模式的该至少二顺向开关为恒导通，或恒不导通但具有朝该第二电压顺向的内接二极管。
3.如权利要求1所述的切换电容式电压转换电路，其中，于该模式切换期间，该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的占空比对应低于前一个该充电操作信号及/或该放电操作信号的占空比，且该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的占空比自一预设值逐渐增加，以于该模式切换期间，使对应的该电容的一电容跨压逐渐增加或减少。
4.如权利要求1所述的谐振切换式电源转换电路，其中，该控制电路包括：
一占空比决定电路，用以比较一渐升节点的一渐升电压与一周期波形信号，而产生一占空比信号；
一占空比分配电路，用以根据该占空比信号而分别产生该模式切换充电信号与该至少一模式切换放电信号；以及
一渐升电压产生电路，与该占空比决定电路耦接，用以于该模式切换期间，产生该渐升节点的该渐升电压；
其中，该渐升节点的该渐升电压于该模式切换期间逐渐上升，以使得该模式切换充电信号与该至少一模式切换放电信号的占空比对应逐渐上升。
5.如权利要求1所述的切换电容式电压转换电路，其中，该切换电容转换器包括串并联式切换电容转换器。
6.如权利要求1所述的切换电容式电压转换电路，其中，该直流电位为接地电位。
7.如权利要求1所述的切换电容式电压转换电路，其中，该控制电路包括：
一电流感测电路，用以感测流经该至少一电感的电流，以产生至少一电流感测信号；以及
一控制信号产生电路，与该电流感测电路耦接，用以根据该电流感测信号而产生该控制信号。
8.如权利要求7所述的切换电容式电压转换电路，其中，该控制电路还包括一电压感测电路，用以感测该第二电压，以产生一电压感测信号。
9.如权利要求1所述的切换电容式电压转换电路，其中，于该模式切换期间，该控制电路调降该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的占空比至一预设值，以限制流经该电感的一电感电流。
10.如权利要求9所述的切换电容式电压转换电路，其中，该转换模式包括一第一转换模式及一第二转换模式，当该控制电路调降该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的该占空比至该预设值之后，该控制电路将该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的该占空比逐渐增加，直到该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的一切换周期与该切换电容转换器于该第一转换模式或该第二转换模式的一谐振频率对应。
11.如权利要求1所述的切换电容式电压转换电路，其中，该转换模式包括一第一转换模式及一第二转换模式，在该模式切换期间，当该第二电压到达该第二转换模式或该第一转换模式的一预设电压一段预设期间时，该多个开关中具有朝该第二电压顺向的该内接二极管的该至少二顺向开关转为由该充电操作信号及/或该放电操作信号所控制。
12.如权利要求1所述的切换电容式电压转换电路，其中，该切换电容式电压转换电路具有双向转换功能。
13.一种切换电容式电压转换方法，用以将一切换电容转换器的一第一电压转换为一第二电压，该切换电容转换器包括至少二电容、多个开关以及至少一电感，该切换电容式电压转换方法包含：
根据一电压转换比例，决定该切换电容转换器操作于具有该电压转换比例的一转换模式，并根据该转换模式产生一控制信号，以控制该切换电容转换器中该多个开关的切换，而将该第一电压转换为该第二电压，其中该控制信号包括一充电操作信号及至少一放电操作信号；
于该转换模式的一充电程序中，通过该充电操作信号控制该多个开关的切换，使至少一该电容与对应的该电感串联于该第一电压与该第二电压之间，以形成一充电路径并谐振操作；
在该转换模式的至少一放电程序中，通过该放电操作信号控制该多个开关的切换，使该电容与对应的该电感串联于该第二电压与一直流电位之间，而同时形成或轮流形成多个放电路径并谐振操作；
在该转换模式中，该充电程序与该至少一放电程序彼此重复地交错排序，以将该第一电压转换为该第二电压；
在该转换模式中，该充电操作信号与该至少一放电操作信号，分别各自切换至一导通位准一段导通期间，且该多个段导通期间彼此不重叠，以使该充电程序与该至少一放电程序彼此不重叠；
于将目前的该转换模式切换为下一个转换模式之间的一模式切换期间，该控制信号改变为一模式切换控制信号，其包括一模式切换充电信号、至少一模式切换放电信号以及一单向导通信号；
以该单向导通信号控制该多个开关中至少二顺向开关，使其操作于一单向导通模式，其中于该单向导通模式中，每个该顺向开关具有朝该第二电压顺向导通的一电流通道；以及
以该模式切换充电信号与该模式切换放电信号，控制除了操作于该单向导通模式的该至少二顺向开关外的其他该开关的切换，而将该第一电压转换为该第二电压。
14.如权利要求13所述的切换电容式电压转换方法，其中，操作于该单向导通模式的该至少二顺向开关为恒导通，或恒不导通但具有朝该第二电压顺向的内接二极管。
15.如权利要求13所述的切换电容式电压转换方法，其中，还包含：
于该模式切换期间，调整该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的占空比对应低于前一个该充电操作信号及/或该放电操作信号的占空比；以及
于该模式切换期间，调整该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的占空比自一预设值逐渐增加，以于该模式切换期间，使对应的该电容的一电容跨压逐渐增加或减少。
16.如权利要求13所述的切换电容式电压转换方法，其中，还包含：
比较一渐升节点的一渐升电压与一周期波形信号，而产生一占空比信号；
根据该占空比信号而分别产生该模式切换充电信号与该至少一模式切换放电信号；以及
于该模式切换期间，产生该渐升节点的该渐升电压；
其中该渐升节点的该渐升电压于该模式切换期间逐渐上升，以使得该模式切换充电信号与该至少一模式切换放电信号的占空比对应逐渐上升。
17.如权利要求13所述的切换电容式电压转换方法，其中，该切换电容转换器包括串并联式切换电容转换器。
18.如权利要求13所述的切换电容式电压转换方法，其中，该直流电位为接地电位。
19.如权利要求13所述的切换电容式电压转换方法，其中，还包含：
感测流经该至少一电感的电流，以产生至少一电流感测信号；以及
根据该电流感测信号而产生该充电操作信号及该至少一放电操作信号。
20.如权利要求19所述的切换电容式电压转换方法，其中，还包含：感测该第二电压，以产生一电压感测信号。
21.如权利要求13所述的切换电容式电压转换方法，其中，还包含：
于该模式切换期间，调降该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的占空比至一预设值，以限制流经该电感的一电感电流。
22.如权利要求21所述的切换电容式电压转换方法，其中，该转换模式包括一第一转换模式及一第二转换模式，在调降该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的该占空比至该预设值之后，还包含：将该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的该占空比逐渐增加，直到该模式切换充电信号及/或该模式切换放电信号的一切换周期与该切换电容转换器于该第一转换模式或该第二转换模式的一谐振频率对应。
23.如权利要求13所述的切换电容式电压转换方法，其中，该转换模式包括一第一转换模式及一第二转换模式，在从该第一转换模式切换为该第二转换模式或从该第二转换模式切换为该第一转换模式之后，当该第二电压到达该第二转换模式或该第一转换模式的一预设电压一段预设期间时，该多个开关中具有朝该第二电压顺向的该内接二极管的该至少二顺向开关转为由该充电操作信号及/或该放电操作信号所控制。
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