TW201644164A - 具模組化級段之直流對直流轉換器 - Google Patents

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Abstract

一種用於處理電力之設備包括有一在第一與第二電力轉換器端子之間具有一供電力流動之路徑的電力轉換器。該等第一與第二電力轉換器端子在運作期間係維持各別第一與第二電壓。兩個調節電路及一交換網路係設置於該路徑上。該第一調節電路包括有一磁性儲存元件及一第一調節電路端子。該第二調節電路包括有一第二調節電路端子。該第一調節電路端子係連接至該第一交換網路端子，而該第二調節電路端子係連接至該第二交換網路端子。該交換網路在一第一開關組態與一第二開關組態之間轉變。在該第一開關組態中，電荷以一第一速率在該第一電荷儲存元件中累積。相反地，在該第二開關組態中，電荷以一第二速率自該第一電荷儲存元件消損。這些速率係受到該磁性儲存元件約束。

Description

具模組化級段之直流對直流轉換器
本揭露係有關於電力供應器，而且尤其是關於電力轉換器。
許多電力轉換器包括有開關及一或多個電容器，該一或多個電容器舉例而言，係用於供電給可攜式電子裝置及消費性電子設備。切換式電力轉換器使用一開關網路，藉由將能量儲存元件(即電感器與電容器)切換成不同電氣組態，來調節輸出電壓或電流。切換型電容器轉換器乃是主要使用電容器來轉送能量之切換式電力轉換器。在此類轉換器中，電容器與開關的數量隨著變換率增加而跟著增加。該開關網路中之開關通常是以電晶體來實施之主動裝置。該開關網路可整合於單一或多個單石半導體基材上，或使用分立裝置來形成。
一般的直流對直流轉換器進行變壓及輸出調節。這通常是在諸如一降壓轉換器之單級轉換器來完成。然而，有可能將這兩種功能分割成兩個專用級段，亦即一諸如一交換網路之變換級、及一諸如一調節電路之分離調節級。該變換級將一個電壓變換成另一電壓，而該調節級確保該變換級之電壓及/或電流輸出維持所欲特性。
舉例而言，請參照圖1A，在一個轉換器10中，一交換網路12A乃於其一輸入端連接至一電壓源14。一調節電路16A之一輸入係接著連接至交換網路12A之一輸出。一負載18A係接著連接至調節電路16A之一輸出。電力順著箭頭所指的方向在電壓源14與負載18A之間流動。此一轉換器乃是在2009年5月8日提出申請之美國專利公告第2009/0278520號中作說明，其內容係以參考方式併入本文。其他轉換器乃是在美國專利第8,743,553號、美國專利第8,503,203號、美國專利第8,693,224號、美國專利第8,339,184號、美國專利第8,619,445號、美國專利第8,723,491及美國專利第8,817,501號中作說明，其全文內容係以參考方式併入本文。
在一項態樣中，本發明的特徵在於一種用於電力轉換之設備。此一設備包括有一具有一輸入端子及一輸出端子之轉換器。該轉換器包括有一具有一電感之調節電路、及連接至該電感之切換元件。這些切換元件係可控制來在交換組態之間切換。該調節電路透過該電感維持一平均直流電流。該轉換器亦包括有一具有一輸入埠及一輸出埠之交換網路。此交換網路包括有電荷儲存元件、及連接至該等電荷儲存元件之切換元件。這些切換元件係可控制來在開關組態之間切換。在一種開關組態中，該等切換元件形成電荷儲存元件之一第一布置結構，其中一電荷儲存元件係透過該交換網路之該輸入埠與該輸出埠其中一者來 充電。在另一組態中，該等切換元件形成電荷儲存元件之一第二布置結構，其中一電荷儲存元件係透過該交換網路之該輸入埠與輸出埠其中一者來放電。該交換網路與調節電路亦滿足下列至少一種組態：(1)該調節電路係連接於該轉換器之該輸出端子與該交換網路之間，該交換網路乃是一絕熱充電交換網路；(2)該調節電路係連接於該轉換器之該輸出端子與該交換網路之間，其中該交換網路乃是一多相交換網路、該交換網路與該調節電路為雙向、或該調節電路為多相；(3)該調節電路係連接於該轉換器之該輸入端子與該交換網路之一輸入埠之間，該交換網路乃是一絕熱充電交換網路；(4)該調節電路係連接於該轉換器之該輸入端子與該交換網路之一輸入埠之間，並且該交換網路係多相交換網路、該交換網路與該調節電路為雙向、或該調節電路為多相；(5)該交換網路係連接於該調節電路與一附加調節電路之間；或(6)該調節電路係連接於該交換網路與一附加交換網路之間。
本發明之實施例包括有：該交換網路包括有一可重新組配交換網路之實施例、及該交換網路包括有一多相交換網路之實施例。
其他實施例包括有：該調節電路包括有一雙向調節電路之實施例、該調節電路包括有一多相調節電路之實施例、該調節電路為雙向且包括有一切換式電力轉換器之實施例、該調節電路為雙向調節電路且包括有一共振電力轉換器之實施例、該調節電路係連接至該交換網路之一輸 出的實施例、以及該調節電路係連接於該轉換器之該輸出端子與該交換網路之間的實施例，該交換網路乃是一絕熱充電交換網路。
在其他實施例中，該調節電路係連接於該轉換器之該輸出端子與一交換網路之間，並且該交換網路乃是一多相交換網路、該交換網路與該調節電路為雙向、或該調節電路為多相。
在其他實施例中，該調節電路係連接於該轉換器之該輸入端子與該交換網路之一輸入埠之間，該交換網路乃是一絕熱充電交換網路。
在又其他實施例中，該調節電路係連接於該轉換器之該輸入端子與該交換網路之一輸入埠之間，並且該交換網路乃是一多相交換網路、該交換網路與該調節電路為雙向、或該調節電路為多相。
本發明之實施例包括：該交換網路係連接於該調節電路與一附加調節電路之間的實施例、及該調節電路係連接於該交換網路與一附加交換網路之間的實施例。
在附加實施例中，該交換網路係組配為一交流交換網路。這些實施例中亦包括有：一功率因子校正電路係連接至該交流交換網路的實施例。這些實施例中包括有：此功率因子校正電路係連接於該交流交換網路與該調節電路之間的實施例。
在另一態樣中，本發明之特徵在於一種包括有一具有一輸入端子與一輸出端子之轉換器的設備。該轉換器 包括有一具有一輸入埠及輸出埠之交換網路。此交換網路包括有電荷儲存元件、及連接至該等電荷儲存元件之切換元件。該等切換元件係可控制來將該等電荷儲存元件布置成一選定組態。在至少一種組態中，該等切換元件形成一第一組電荷儲存元件，用於透過該交換網路之該輸出埠將該等電荷儲存元件放電。在另一者中，該等切換元件形成一用於透過該交換網路之該輸入埠將該等電荷儲存元件充電之第二組電荷儲存元件。該轉換器亦包括有一雙向調節電路，該雙向調節電路係連接於該轉換器之一輸入端子與該交換網路之一輸入埠、及該轉換器之一輸出端子與該交換網路之一輸出埠中之至少一者之間。
在一些實施例中，該交換網路包括有一多相交換網路。
該等實施例中亦包括有：該雙向調節電路包括有一降壓/升壓電路的實施例、及該雙向調節電路包括有一split-pi電路的實施例。
在另一態樣中，本發明的特徵在於一具有一輸入端子與一輸出端子的轉換器。該轉換器包括有一交換網路，該交換網路具有一輸入埠與輸出埠、電荷儲存元件、及連接至該等電荷儲存元件用於將該等電荷儲存元件布置成複數種組態其中一者之切換元件。在一種組態中，該等切換元件形成一用於透過該交換網路之該輸出埠將該等電荷儲存元件放電之第一組電荷儲存元件。在另一組態中，該等切換元件形成一用於透過該交換網路之該輸入埠將該 等電荷儲存元件充電之第二組電荷儲存元件。該轉換器更包括有一組配來提供一步升電壓、並且連接於該轉換器之該輸出端子與該交換網路之一輸出埠之間的調節電路。
在又另一態樣中，本發明的特徵在於一種具有一輸入端子與輸出端子的設備、以及一種具有一輸入埠與輸出埠、電荷儲存元件、及連接至該等電荷儲存元件之切換元件的交換網路。該等切換元件係可控制用於造成該等切換元件係布置成複數種組態。在一種組態中，該等切換元件形成一用於透過該交換網路之該輸出埠將該等電荷儲存元件放電之第一組電荷儲存元件。在另一組態中，該等切換元件形成一用於透過該交換網路之該輸入埠將該等電荷儲存元件充電之第二組電荷儲存元件。該設備更包括有一連接於該轉換器之一輸入端子與該交換網路之一輸入埠之間的來源調節電路。
一些實施例亦包括有一連接於該轉換器之一輸出端子與該交換網路之一輸出埠之間的負載調節電路。
在另一態樣中，本發明的特徵在於一種製造，該製造包括有多個交換網路及調節電路，該等調節電路具有許可其模組化互連以供一直流對直流轉換器組裝之用的輸入與輸出。
在一些實施例中，至少一個交換網路包括有一切換式電容器網路。其中有的實施例之該切換式電容器網路包括有一絕熱充電切換式電容器網路。這些實施例亦包括有：該絕熱充電切換式電容器網路包括有一串級倍增器的 實施例。在這些實施例的一些實施例中，該串級倍增器係藉由互補時控電流源來驅動。
在其他實施例中，至少一個調節電路包括有一線性調節器。
實施例亦包括有：該直流對直流轉換器包括有串聯切換式電容器網路的實施例、以及該直流對直流轉換器包括有多個共享一共同交換網路之調節電路的實施例。
在另一項態樣中，本發明的特徵在於一種用於電力轉換之設備。此一設備包括有一具有一輸入端子及一輸出端子之轉換器。該轉換器包括有一調節電路及一交換網路。該調節電路透過其一電感維持一平均直流電流。該交換網路具有一輸入埠與一輸出埠，還具有電荷儲存元件。該交換網路之切換元件連接至這些電荷儲存元件。該等切換元件係可控制來在開關組態之間切換。在一種開關組態中，該等切換元件形成一第一電荷儲存元件布置結構，其中一電荷儲存元件係透過該交換網路之一第一埠來充電，而在另一組態中，該等切換元件形成一第二電荷儲存元件布置結構，其中一電荷儲存元件係透過該交換網路之一第二埠來放電。該等第一與第二埠係選自於該等輸入與輸出埠。
本發明之範疇內有六種轉換器組態。在一第一組態中，該調節電路係連接於該轉換器之該輸出端子之間，而且該交換網路乃是一絕熱充電交換網路。在一第二組態中，該調節電路係連接於該轉換器之該輸出端子與該交換 網路之間，而且該轉換器滿足一或多個待於下文定義之第二組態性質。在一第三組態中，該調節電路係連接於該轉換器之該輸入端子與該交換網路之一輸入埠之間，而且該交換網路乃是一絕熱充電交換網路。在一第四組態中，該調節電路係連接於該轉換器之該輸入端子與該交換網路之一輸入埠之間，而且該轉換器滿足一或多個待於下文說明之第四組態性質。在一第五組態中，該交換網路係連接於該調節電路與一附加調節電路之間。最後，在一第六組態中，該調節電路係連接於該交換網路與一附加交換網路之間。該等性質有一或多者乃是在該等第二與第四組態中獲得滿足，該等性質如下：該第一性質在於該交換網路乃是一多相交換網路，該第二性質在於該交換網路與該調節電路為雙向，並且該第三性質在於該調節電路為多相。
在一些實施例中，該交換網路包含有一可重新組配交換網路。在其他者中，其包含有一多相交換網路。
實施例亦包含有：該調節電路包含有一雙向調節電路的實施例。這些實施例包括有：該調節電路包含有一切換式電力轉換器的實施例、以及其包含有一共振電力轉換器的實施例。
該等實施例包括有：該調節電路包含有一多相調節電路的實施例、該調節電路係組配來運作為一磁性濾波器的實施例、以及該調節電路係連接至該交換網路之一輸出的實施例。
在一些實施例中，該轉換器處於該第一組態。在 其他者中，該轉換器處於該第二組態。在又其他者中，該轉換器處於該第三組態。本發明之範疇內亦包括有該轉換器處於該第四組態的實施例、以及該轉換器處於該第六組態的實施例。
在又其他實施例中，該轉換器處於該第五組態。這些實施例中包括有：該第五組態之該附加調節電路係組配來運作為一磁性濾波器。這些實施例可藉由將一降壓轉換器當作一調節器使用並且將工作週期拉非常長來實施，以使得該串聯電感器幾乎總是有連接。在此極限情況中，可徹底消除該開關。
進一步實施例包括有：該交換網路係組配為一交流交換網路的實施例。
一些實施例的特徵在於一連接至該交流交換網路的功率因子校正電路。這些實施例包括有：該功率因子校正電路係連接於該交流交換網路與該調節電路之間的實施例。
在一項態樣中，本發明的特徵在於一用於處理電力之設備。此一設備包括有一電力轉換器，該電力轉換器具有一介於一第一電力轉換器端子與一第二電力轉換器端子之間供電力流動的路徑。在該電力轉換器運作期間，該第一電力轉換器端子維持一第電壓，而該第二電力轉換器端子維持一低於該第一電壓之第二電壓。該電力轉換器包括有全部設置於該路徑上之第一與第二調節電路、及一交換網路。該交換網路包括有開關、一第一電荷儲存元件、 以及第一與第二交換網路端子。該第一調節電路包括有一第一磁性儲存元件及一第一調節電路端子。該第二調節電路包括有一第二調節電路端子。該電力路徑包括有該第一調節電路端子、該第二調節電路端子、該第一交換網路端子、以及該第二交換網路端子。該第一調節電路端子係連接至該第一交換網路端子，而該第二調節電路端子係連接至該第二交換網路端子。該交換網路係組配來在一第一開關組態與一第二開關組態之間轉變。當該交換組態處於該第一開關組態時，電荷以一第一速率在該第一電荷儲存元件中累積。相反地，當該交換網路處於該第二開關組態時，電荷以一第二速率自該第一電荷儲存元件消損。這兩個速率係受到該第一磁性儲存元件約束。
在一些實施例中，該交換網路更包括有一第二電荷儲存元件。當該交換網路處於該第一開關組態時，電荷以一受到該第一磁性儲存元件約束之速率，自該第二電荷儲存元件消損。相反地，當該交換網路處於該第二組態時，電荷以一受到該第一磁性儲存元件約束之速率，在該第二電荷儲存元件中累積。這些速率可相等或不同。
在其他實施例中，該第二調節電路包括有一第二磁性儲存元件、及一連接至該磁性儲存元件之開關，該開關係可控制來在至少兩種交換組態之間切換。
亦包括有：該第二調節電路更包括有回應於該電力轉換器之一測得輸出，用於控制該開關運作之一回授迴路的實施例。
在又其他實施例中，該第一磁性儲存元件包括有一濾波器。在這些實施例的一些實施例中，該濾波器具有一共振頻率。
其他實施例包括有一第三調節電路，該第三調節電路亦連接至該交換網路。兩該等第二與第三調節電路都具有電感器。這些電感器係彼此耦合。另一實施例包括有一由該等第二與第三調節電路中之電感器共享的電感器核心。
這些實施例亦包括有：該等第一與第二電荷轉移率係相等。
各種交換網路是有可能的。這些交換網路有：可重新組配交換網路、多相交換網路、多相串並聯交換網路、多相多級交換網路、串級倍增器、以及多級交換網路。
可使用不同種類的調節電路。實施例舉例而言，包括有：該等第一與第二調節電路中之至少一者包括有一雙向調節電路的實施例、該等第一與第二調節電路中之至少一者包括有一多相調節電路的實施例、該等第一與第二調節電路中之至少一者包括有一切換式電力轉換器的實施例、該等第一與第二調節電路中之至少一者包括有一共振電力轉換器、以及該等第一與第二調節電路中之至少一者包括有一磁性濾波器的實施例。
在一些實施例中，該交換網路係組配為一交流交換網路。這些實施例包括有：一功率因子校正電路係連接至該交流交換網路的實施例，舉例而言，係連接於該交流 交換網路與該第一調節電路之間。
在其他實施例中，該電力轉換器係組配來以一頻率改變該交換網路之開關組態，該頻率係有別於該等第一與第二調節電路中之至少一者之交換組態所藉以改變之一頻率。
在另一態樣中，本發明的特徵在於一種用於令一電力轉換器處理電力之方法。此一方法包括有：在一介於一第一電力轉換器端子與一第二電力轉換器端子之間供電力流動的電力路徑上，將一第一調節電路之一第一調節電路端子連接至一第一交換網路之一第一交換網路端子，以及將該第一調節電路之一第二調節電路端子連接至該第一交換網路之一第二交換網路端子，使用該第二調節電路，使該第一電力轉換器端子維持一第一電壓，藉此使該第二電力轉換器端子維持一比該第一電壓更低的第二電壓，使用該第一交換網路中之開關，將該第一交換網路配置成一容許電荷在該第一交換網路之該第一電荷儲存元件中累積之組態，使用藉由該第一調節電路中之一第一磁性儲存元件在一磁場中儲存之能量，約束該第一交換網路之一第一電荷儲存元件中之一電荷累積速率，使用該第一交換網路中之該等開關，將該第一交換網路配置成一容許電荷自該第一交換網路之該第一電荷儲存元件消損之組態，以及使用該第一調節電路中之該第一磁性儲存元件所儲存之能量，約束自該第一交換網路之該第一電荷儲存元件之一電荷消損速率。
一些作法包括有：當約束自該第一電荷儲存元件之一電荷消損速率時，約束一第二電荷儲存元件中之一電荷累積速率，以及當約束進入該第一電荷儲存元件之一電荷累積速率時，約束自該第二電荷儲存元件之一電荷消損速率。
又其他作法包括有：回應於該電力轉換器之測得輸出，控制一連接至該第二調節電路之一磁性儲存元件的開關。
在一些作法中，該第一磁性儲存元件包括有一濾波器。這些作法包括有：該濾波器具有一共振頻率的作法。此一濾波器之一實例乃是一LC濾波器或一RLC濾波器。
一些作法涉及除了已存在的兩個調節電路以外之一第三調節電路。該第三調節電路係連接至該交換網路，並且包括有一耦合至該第一調節電路之一電感器的電感器。在另一實施例中，一連接至該交換網路之第三調節電路具有一以一共同核心耦合至該第一調節電路中之一電感器的電感器。
可選擇許多種類的交換網路，包括有一可重新組配交換網路、一多相交換網路、一多相串並聯交換網路、一多相多級交換網路、一串級倍增器、以及一多級交換網路。
另外，各種不同調節電路可用於該等第一與第二調節電路中之至少一者。這些調節電路包括有一雙向調節電路、一多相調節電路、一切換式電力轉換器、一共振電 力轉換器、一降壓轉換器、一升壓轉換器、一降/升壓轉換器、一線性調節器、一庫克轉換器、一磁性儲存元件、以及一磁性濾波器。
一些作法包括有組配該交換網路成為一交流交換網路。這些作法包括有：亦包括有控制該交流交換網路之一輸出之一功率因子的作法、以及亦包括有在該交流交換網路與該第一調節電路之間連接一功率因子校正電路的作法。
其他作法亦包括有以一頻率改變該交換網路之開關組態，該頻率係有別於該等第一與第二調節電路中之至少一者之交換組態所藉以改變之一頻率。
在另一態樣中，本發明之特徵在於一種儲存一資料結構之非暫時性電腦可讀媒體，該資料結構係待藉由一可在一電腦系統上執行之程式來運作，其中，該資料結構在藉由此一程式來運作時，造成用於製作一積體電路之一程序之至少一部分，該積體電路包括有藉由該資料結構所描述之電路系統，其中該資料結構所描述之該電路系統包括有一已組配來與一電力轉換器配合使用之交換網路，該電力轉換器在一第一電力轉換器端子與一第二電力轉換器端子之間具有一供電力流動之路徑，其中，在該電力轉換器運作期間，該第一電力轉換器端子係維持一第一電壓且該第二電力轉換器端子係維持一比該第一電壓更低的第二電壓，其中該電力轉換器包含有全部設置於該路徑上之第一與第二調節電路、及該交換網路，其中該交換網路包含 有開關、及第一與第二交換網路端子，其中該第一調節電路包含有一第一磁性儲存元件及一第一調節電路端子，其中該第二調節電路包含有一第二調節電路端子，其中該電力路徑包含有該第一調節電路端子、該第二調節電路端子、該第一交換網路端子、及該第二交換網路端子，其中該第一調節電路端子係待連接至該第一交換網路端子且該第二調節電路端子係待連接至該第二交換網路端子，其中該交換網路係組配來在一第一開關組態與一第二開關組態之間轉變，其中，當該交換網路處於該第一開關組態時，電荷以一第一速率在該第一電荷儲存元件中累積，其中當該交換網路處於該第二開關組態時，電荷以一第二速率自該第一電荷儲存元件消損，以及其中該第一速率與該第二速率受到該第一磁性儲存元件約束。
本發明之這些及其他特徵經由以下詳細說明及附圖將會顯而易見，其中：
1、1A~1E、2、2A~2E、3~8、212‧‧‧開關
9A~9B‧‧‧電容器
10、10A~10F‧‧‧轉換器
12A~12D‧‧‧交換網路
13A‧‧‧交流交換網路
14‧‧‧電壓源
16A~16D‧‧‧調節電路
17A‧‧‧功率因子校正電路
18A~18C‧‧‧負載
20‧‧‧第一電容器
22‧‧‧第二電容器
24‧‧‧第一開關
26‧‧‧第二開關
102、202‧‧‧輸入
104、204‧‧‧輸出
206‧‧‧第一組
208‧‧‧第二組
210‧‧‧電荷儲存元件
圖1A展示一具有一分離之調節電路與交換網路的已知直流對直流轉換器；圖1B展示圖1A之一雙向版本；圖2至4展示具有調節電路與交換網路交替組態的直流對直流轉換器；圖5展示圖4所示電力轉換器之一特定實作態樣；圖6A及6B展示具有多個調節電路之實施例；圖7展示一RC電路； 圖8展示一切換式電容器直流對直流轉換器之一模型；圖9A及9B展示一分別在充電階段與放電階段中運作之串並聯SC轉換器；圖10展示一具有二極體之串聯泵送對稱串級倍增器；圖11展示一具有二極體之並聯泵送對稱串級倍增器；圖12展示電荷泵信號；圖13展示一具有開關之雙相對稱串聯泵送串級倍增器；圖14展示一具有開關之雙相對稱並聯泵送串級倍增器；圖15連同對應的半波版本，展示四個不同串級倍增器；圖16展示一切換式電容器轉換器以頻率為函數之輸出阻抗；圖17展示圖1B所示直流對直流轉換器之一具有一全波絕熱充電交換網路之特定實作態樣；圖18展示圖17所示直流對直流轉換器在階段A期間的情況；圖19展示圖17所示直流對直流轉換器在階段B期間的情況；圖20展示各種與4：1絕熱充電轉換器相關聯之波形；圖21展示串聯級段之絕熱充電；圖22展示圖21所示電力轉換器之一特定實作態樣；圖23展示一使用可重新組配切換式電容器級段來整流之交流電壓； 圖24展示一交流對直流電力轉換器架構；圖25展示圖24所示交流對直流電力轉換器之一特定實作態樣；圖26展示圖25所示交流對直流轉換器在交流週期正部分期間的情況；圖27展示圖25所示交流對直流轉換器在交流週期負部分期間的情況；圖28展示一具有功率因子校正之交流對直流電力轉換器架構；圖29及30展示圖1A所示直流對直流轉換器之特定實作態樣；圖31及32展示圖3所示直流對直流轉換器之特定實作態樣；圖33及34展示圖2所示直流對直流轉換器之特定實作態樣；圖35及36展示圖4所示直流對直流轉換器之特定實作態樣；以及圖37展示一類似於圖6B所示之直流對直流轉換器之一實作態樣。
本文中所述的實施例至少部分依賴認知在一多級直流對直流轉換器中，各種構成組件可實質模組化施作，並且可按照各種不同方式來混合並匹配。這些構成組件包括有交換網路及調節電路，該等調節電路可經施作以 藉由單純地改變工作週期而作用為調節器或磁性濾波器。此模組性簡化此類轉換器之組裝。如此，圖1A中所示的組態僅代表用以組配一或多個交換網路12A與一或多個調節電路16A之多種方式其中一者。圖1B展示圖1A之一雙向版本，其中電力可沿著電力流動路徑從一電壓源14流動至負載18A、或從負載18A流動至電壓源14，如箭頭所指。
搭配以下實施例所述有兩個基本元件：交換網路12A、12B及調節電路16A、16B。假設組合同類型的串聯元件，總共有四個基本構建塊。這些構建塊乃示於圖1A至4中。本文中所揭示之實施例包括有圖1A至4中所示四個基本構建塊中之至少一者。更複雜的轉換器可藉由組合該等基本構建塊來落實。
附加實施例更思忖待按照各種不同方式「實體化」之交換網路12A、12B及調節電路16A、16B只要其輸入與輸出持續匹配成有助於模組化組裝具有各種性質之直流對直流轉換器，便藉由將其實現而將物件導向程式設計概念套用於設計直流對直流轉換器。
在許多實施例中，交換網路12A係實體化為諸如電容器之電荷儲存元件之一切換式電荷儲存網路。這類網路較為有用的拓樸結構有：Ladder、Dickson、串並聯、Fibonacci及Doubler，全都可絕熱充電並組配成多相網路。當該等電荷儲存元件為電容器時，一切換式電荷儲存網路亦稱為一切換式電容器網路。一特別有用的切換式電容器網路乃是一全波串級倍增器之一絕熱充電版本。然而，亦 可使用非絕熱充電版本。
在運作期間，電荷週期性係累積於並消損自一切換式電荷儲存網路中之電荷儲存元件。一電容器上以絕熱方式變更電荷於本文中使用時，意味著使一儲存於該電容器中之電荷量藉由使該電荷通過一非電容性元件而變化。該電容器上之一正絕熱電荷變化係視為絕熱充電，而該電容器上之一負絕熱電荷變化係視為絕熱放電。非電容性元件之實例包括有電感器、諸如磁性濾波器等磁性儲存元件、電阻器、以及以上的組合。
在一些狀況中，一電容器可部分時間絕熱充電且其餘時間非絕熱充電。此等電容器係視為絕熱充電型。類似的是，在一些狀況中，一電容器可部分時間絕熱放電且其餘時間非絕熱放電。此等電容器係視為絕熱放電型。
非絕熱充電包括有所有不屬於絕熱之充電，而非絕熱放電包括有所有不屬於絕熱之放電。
一絕熱充電交換網路於本文中使用時，乃是一具有至少一個兼屬於絕熱充電及絕熱放電之電容器的交換網路。一非絕熱充電交換網路乃是一不屬於一絕熱充電交換網路之交換網路。調節電路16A可藉由扮演一某種程度以一些期望方式約束系統電氣特性之角色的電路系統來實體化。舉例而言，此一電路可能將此特性約束於某數值或數值範圍，或將之約束成以某速率變化，或將之約束成以某方向變化。一常用實例會是一將一輸出電壓或電流約束於一特定數值、或某數值範圍內之調節器。一降壓轉換器若 與一適當的回授迴路組合，由於效率與速度高，將會是此一角色的有吸引力之一候選者。此一轉換器藉由調整其工作週期，也因為能夠從將一輸出電壓約束於某所欲數值無縫轉變成將一交換網路內之一電荷轉移率約束於某所欲範圍內而帶來利益，有效作用為一磁性濾波器。其他適合的調節電路16A包括有升壓轉換器、降/升壓轉換器、返馳式轉換器、庫克轉換器、共振轉換器及線性調節器。
在一項實施例中，如圖2所示，一電壓源14對一第一交換網路12A提供一輸入，該第一交換網路係實體化為一切換式電容器網路。該第一交換網路12A之輸出乃是對一調節電路16A(例如：一降壓轉換器、一升壓轉換器、或一降/升壓轉換器)提供之一比該輸入電壓更低的電壓。此調節電路16A對一諸如另一切換式電容器網路之第二交換網路12B提供一經調節輸入電壓。此第二交換網路12B之一高電壓輸出係接著施加至一負載18A。
一諸如圖2所示之實施例可組配來調節負載18A或調節電壓源14，端視沿著該電力流動路徑之能量流動方向而定。
在運作時，不同電流量將會流經不同開關。這對於將此等開關之尺寸調整成適用於將會流經此等開關之電流因此有用。如此免除對非必要性大型開關的需求，從而導致電路佔位空間更小。
圖2所示的開關將會以某切換頻率在狀態與狀態之間轉變。為了降低損耗，期望電荷泵以該切換頻率絕熱 運作。確保如此運作之一種方式乃是選擇該等開關之電阻，使得當該等開關連接至該電力轉換器之其餘部分時，電容器彼此間的電荷轉移率低到足以按照該切換頻率產生絕熱運作。
在另一實施例中，如圖3所示，一低電壓源14連接至一調節電路16A之一輸入，該調節電路之輸出係提供至一交換網路12A之一輸入而升壓至一更高直流值。接著對一負載18A提供該交換網路之輸出。
一諸如圖3所示之實施例可用於調節電壓源14或負載18A，端視沿著該電力流動路徑之能量流動方向而定。
現請參照圖4，一轉換器100之另一實施例包括有一連接至其一輸入102之第一調節電路16A、及一連接至其一輸出104之第二調節電路16B。介於該等第一與第二調節電路16A、16B之間的乃是一具有一輸入202及一輸出204之交換網路12A。交換網路12A包括有藉由開關212來互連之電荷儲存元件210。這些電荷儲存元件210係區分成第一與第二組206、208。如上述，調節電路16A、16B其中一者可以是一降壓轉換器，其可組配來控制一電壓、或作用為一磁性濾波器，可以是一升壓轉換器、一降/升壓轉換器、一返馳式轉換器、一庫克轉換器、一共振轉換器、或一線性調節器。調節電路16A、16B可按照一達成一所欲結果而需要的工作週期來運作。舉例而言，以一降壓轉換器來說明，該工作週期可調整成使得該降壓轉換器的主開關維持對其磁性儲存元件之一不定延伸連接，而其隨附的同步整流器 則維持不定斷開。替代地，這兩個調節電路16A其中一者可由一磁性濾波器來更換，從而不需要附加開關。此一磁性濾波器包括有一諸如一電感器之磁性儲存元件，阻止電流快速變化，從而促進交換網路12A中電容器之絕熱充電。
在一些實施例中，交換網路12A可以是一如圖5所示之雙向切換式電容器網路。圖5中切換式電容器網路的特徵在於並聯之一第一電容器20及一第二電容器22。一第一開關24將第一與第二電容器20、22其中一者選擇性連接至一第一調節電路16A，而一第二開關26將第一與第二電容器20、22其中一者選擇性連接至一第二調節電路16B。與圖4所示的調節器相似，第一與第二調節電路16A、16B可按照可變工作週期來運作。替代地，調節電路16A、16B其中一者可由一具有一阻止電流快速變化之電感器的磁性濾波器來更換，從而促進交換網路12A內電容器的絕熱充電。第一與第二開關24、26兩者都可高頻運作，從而有助於第一與第二電容器20、22之絕熱充電與放電。
圖5所示的特定實施例具有一雙相交換網路12A。然而，可改用其他類型的交換網路12A。
在又另一實施例中，如圖6A所示，第一、第二及第三調節電路16A、16B、16C係設置於一第一交換網路12A之一輸出，用於驅動第一、第二及第三負載18A、18B、18C。對於第三負載18C，一第二交換網路12B係設置於第三負載18C與第三調節電路16C之間，從而建立一類似於圖2所示的路徑。因此，圖6A提供一實例說明調節電路與交換 網路之模組化構造如何促使能夠混合並匹配組件以提供有靈活性的直流對直流轉換器構造。
可藉由將不同模組中之組件耦合而具有附加的靈活性。舉例而言，在圖6B中，圖6A所示的組態已顛倒：圖6A中的第一、第二及第三調節電路16A、16B、16C係以圖6B中的第一、第二及第三交換網路12A、12B、12C來更換；而圖6A中的第一與第二交換網路12A、12B係以圖6B中的第四及第三調節電路16D、16C來更換。然而，圖6A中的第一與第二負載18A、18B已合併成一第一負載18A，並且合併成第一及第二調節電路16A、16B，形式為磁性濾波器，已將其加入以約束第一與第二交換網路12A、12B內的電荷轉移。第一與第二調節電路16A、16B係藉由具有經適當選定工作週期的降壓轉換器來實施。在圖6B中，第一與第二調節電路16A、16B具有一共享相同核心之電感器，從而將兩者耦合在一起。
一切換式電容器(SC)直流對直流轉換器包括有開關與電容器之一網路。藉由使用這些開關令該網路在不同拓樸狀態之間循環，可將能量從該SC網路之一輸入轉移至其一輸出。一些俗稱「電荷泵」的轉換器可用於在快閃記憶體及其他可程式規劃記憶體中產生高電壓。
圖7展示一初始充電至某數值V C (0)的電容器C。開關S於t=0閉接。在此瞬間，一短暫電流突波隨著電容器C充電至其最終值V in 而流動。充電速率可藉由一時間常數τ=RC來描述，指出電壓上升或下降至其最終值之1/e範圍 內所花的時間。確切的電容器電壓v c (t)及電流i c (t)及是由以下方程式所給定：v c (t)=v c (0)+[V in -v c (0)](1-e -t/RC )。 (1.1) ，以及
該電容器充電時引起的能量損耗可藉由計算電阻器R中消散的能量來求出，方程式為
此方程式可藉由將i c (t)的表示式從方程式(1.2)代入方程式(1.3)來進一步簡化。求出該積分的值得到
此暫態若可安定(即t→∞)，則該電容器充電引起的總能量損耗與其電阻R無關。在此狀況中，能量損耗量等於
一切換式電容器轉換器可建模為一理想變換器，如圖8所示，具有一有限輸出電阻R o ，負責能量轉移電容器充電或放電時引起的電力損失，如圖8所示。此損耗典型係消散於MOSFET的導通(ON)電阻及電容器的等效串聯 電阻中。
該切換式電容器轉換器之輸出電壓方程式為：
切換式電容器轉換器之運作可簡化且R o 得以輕易求出的極限情況有兩種。這些極限情況稱之為「慢速切換極限」及「快速切換極限」。
在快速切換極限(τ>>T sw )中，充電與放電電流大約恆定，在該等電容器上產生一三角交流漣波。因此，R o 對該等MOSFET與電容器的串聯電阻敏感，但並非運作頻率的函數。在這種狀況中，在快速切換極限下運作之轉換器之R o 乃是寄生電阻的函數。
在慢速切換極限下，切換週期T sw 遠大於能量轉移電容器之RC時間常數τ。在這種條下，存在與電容器及開關之電阻無關的系統性能量損耗。此系統性能量損耗部分導因於該充電與放電電流之均方根(RMS)乃是RC時間常數的函數。若該充電路徑的有效電阻R eff 降低(即RC降低)，則RMS電流增加，使得總充電能量損耗(E loss =I RMS 2 R eff =1/2C×△V C2)與R eff 無關。極小化此能量損耗之一種解決方案在於增加該切換式電容器網路中泵電容器的尺寸。
期望一切換式電容器網路具有一共同接地、大轉變率、低開關應力、低直流電容器電壓、以及低輸出電阻。這類網路較為有用的拓樸結構有：Ladder、Dickson、串並 聯、Fibonacci及Doubler。
一種有用的轉換器乃是一串並聯切換式電容器轉換器。圖9A及9B展示一分別在充電階段與放電階段中運作之2：1串並聯切換式電容器轉換器。在該充電階段期間，該等電容器呈串聯。在該放電階段中，該等電容器呈並聯。在其充電階段中，電容器電壓v C1與v C2合計為V 1，而在其放電階段中，v C1與v C2等於V 2，這意味著V 2=V 1/2。
其他有用旳拓樸結構乃是串級倍增器拓樸結構，如圖10及11所示。在兩電荷泵中，一來源係位於V 1，並且一負載係位於V 2。在這些類型之電荷泵中，電荷包係隨著耦合電容器連續充放電，沿著一二極體鏈泵送。如圖12所示，振幅為v pump 之時脈信號ν clk 與相位相差180度。該等耦合電容器可予以串聯泵送或並聯泵送。
初始電荷到達輸出所花的時脈週期有n個。最終泵電容器上的電荷比初始泵電容器上的電荷大n倍，從而兩泵送組態中轉換器在V 2的輸出電壓為V 1+(n-1)×v pump 。
前述拓樸結構除了適用於使電壓步升，也可藉由切換來源與負載之位置，用於使電壓步降。在此類狀況中，該等二極體可用諸如MOSFET及BJT等受控制開關來更換。
前述串級倍增器乃是半波倍增器，其中電荷係於該時脈信號之一個相位期間轉移。這樣造成輸入電流不連續。此二串級倍增器都可藉由將兩個半波倍增器並聯，並且使該等半波倍增器的相位差180度，來轉換成全波倍增器。圖13展示一全波對稱串聯泵送串級倍增器版本，而圖 14展示一全波對稱並聯泵送串級倍增器版本。與該半倍增器中的二極體不同，圖13及圖14中的開關為雙向。結果是，在此二串級倍增器中，電力可從該來源流動至該負載，或從該負載流動至該來源。不對稱倍增器亦可轉換成全波倍增器。
圖15連同對應的半波版本，展示四個不同步升版本的全波倍增器。再者，有可能並聯組合N個相位並將相位轉180/N度，用以降低輸出電壓漣波並且增加輸出電力處理能力。
圖1A至4所示模組化架構中的基本構建塊可連接為獨立的實體或耦合的實體。在交換網路與調節電路緊密耦合的情況下，有可能防止及/或降低該等交換網路透過絕熱充電導致的系統性能量損耗機制。這大致包括有使用該調節電路控制該交換網路中該等電容器之充電與放電。再者，該調節電路之輸出電壓，從而還有全體轉換器，可回應於外部刺激來調節。一種用以調節該輸出電壓的作法乃是控制一磁性儲存元件中的平均直流電流，例如一磁性濾波器中出現的平均直流電流。
該調節電路之一期望特徵乃是將穿過該交換網路中之該等電容器的均方根(RMS)電流約束在低於某極限。一調節電路藉由使用電阻性或磁性儲存元件來達成此一限制條件。不幸的是，電阻性元件會消耗電力，所以使用上較不受歡迎。因此，本文中所述的實施例依賴一在該調節電路中具有任選開關的磁性儲存元件。該調節電路藉 由迫使該電容器電流穿過具有一平均直流電流之該調節電路中的該磁性儲存元件來限制該RMS電流。在那些包括有開關的調節電路中，該等開關係運作成維持一穿過該磁性儲存元件的平均直流電流。這可藉由改變一與該磁性儲存元件串聯之開關的工作週期來達成。在一項實施例中，該工作週期趨近零，以使得至少一個開關有效恆通。在此極限情況中，可徹底免除至少一個開關。
該調節電路可限制該交換網路中至少一個電容器之RMS充電電流及RMS放電電流。一個單一調節電路可藉由吸入及/或送出電流來限制流進或流出該交換網路之電流。因此，基本組態有四種，如圖1A至4所示。假設電力從該來源流動至負載，則在圖1A中，調節電路16A可將交換網路12A的充電與放電電流都吸入。在圖3中，調節電路16A可將交換網路12A的充電與放電電流都送出。在圖4中，調節電路16A可送出交換網路12A的充電電流，而調節電路16B可吸入相同交換網路12A的放電電流，反之亦然。在圖2中，調節電路16A可將交換網路12B的充電電流與放電電流都送出，同時也將交換網路12A的充電電流與放電電流都吸入。再者，若交換網路12A、12B及調節電路16A、16B兩者都容許電力順著兩方向流動，則雙向電力流動是有可能的(來源至負載及負載至來源)。
一項實施例至少部分依賴絕熱充電全波串級倍增器。一特佳交換網路乃是該串級倍增器，理由在於其快速切換極限阻抗優越、電壓調升容易、及開關應力低。
在串級倍增器中，該等耦合電容器典型係以一時控電壓源ν clk & 來泵送。然而，若該等耦合電容器改以一時控電流源i clk & 來泵送，則可限制該耦合電容器中的該RMS充電與放電電流。在這種狀況中，該等電容器係至少部分絕熱充電，因而若未消除，則降低慢速切換極限下運作時與一切換式電容器轉換器相關聯的1/2C×△Vc 2損耗。如此帶來的效應在於將該輸出阻抗降至該快速切換極限阻抗。如繪示絕熱運作之圖16中的黑色虛線所示，在完全絕熱充電下，該輸出阻抗將不再是切換頻率的函數。
在所有條件一樣的情況下，一絕熱充電切換式電容器轉換器的運作切換頻率可比習知充電切換式電容器轉換器低很多，但效率會更高。相反地，一絕熱充電切換式電容器轉換器如一習知充電切換式電容器轉換器可運作於相同的頻率且效率也相同，但耦合電容器會小非常多，舉例而言，耦合電容器會小四倍到十倍之間。
圖17展示一與圖1B所示架構一致的步降轉換器。然而，在此實施例中，一交換網路12A係使用一調節電路16A來絕熱充電。該等時控電流源i clk & 係藉由四個開關及調節電路16A來仿真。輸出電容器C O 也已移除，以便容許V X 擺動。在這項實例中，調節電路16A乃是一行為如具有一小型交流漣波之恆定來源的升壓轉換器。任何具有一非電容性輸入阻抗之電力轉換器將已容許絕熱運作。雖然切換式電力轉換器因效率高而是有吸引力的候選者，線性 調節器也同樣實用。
在運作時，將標示「1」之開關閉接的動作會使電容器C4、C5及C6充電，同時使電容器C1、C2及C3放電。類似的是，將標示「2」之開關閉接的動作具有互補效應。圖18所示為第一拓樸狀態(階段A)，其中所有標示「1」的開關係閉接，而所有標示「2」之開關係斷開。類似的是，圖19所示為第二拓樸狀態(階段B)，其中所有標示「2」的開關係閉接，而所有標示「1」之開關係斷開。
在此實施例中，調節電路16A限制各電容器之RMS充電與放電電流。舉例而言，電容器C3係於階段A期間透過調節電路16A中的磁性濾波元件來放電，而電容器C3係於階段B期間透過調節電路16A中之磁性濾波元件來放電，清楚展現出絕熱概念。再者，該等主動組件全都是利用開關來實施，該轉換器因而可順著兩方向來處理電力。
有些代表性節點電壓與電流係於圖20中展示。這兩個所示電流(I P1及I P2)在升緣與降緣有些許失真量，但在大多數情況下，該等電流類似兩個相位相差180度的時脈。絕熱充電大致僅在一開關堆疊其中至少一端沒有電容負載的情況下，如本實施例的情況，才在串級倍增器中出現，其中V X 節點的負載只有調節電路16A。
具有圖1A至4所示基本構建塊之模組化架構可擴充來涵蓋更寬的應用範圍，例如高電壓直流、交流對直流、降壓-升壓、及多輸出電壓。這些應用各包括有分開變換、調節、以及可能的磁性濾波功能。此架構之延伸亦可 合併絕熱充電切換式電容器轉換器。
在許多切換式電容器轉換器中，電容器與開關的數量隨著變換率而線性增加。因此，若變換率大，則需要大量的電容器與開關。替代地，一大變換率可如圖21所示，藉由串聯許多低增益級段來達成。總開關電容器堆疊之變換率(V in /V x )如下：
該串聯堆疊組態的主要缺點在於前級的電壓應力遠大於後級的電壓應力。這一般將會需要具有不同電壓額定值及尺寸的級段。
只有當後級交換網路控制前級段之充電與放電電流時，才會使一前級串聯交換網路出現絕熱充電。因此，最好是使用前級段中的全波切換式電容器轉換器，或使用諸如具有磁性濾波器之單相串並聯切換式電容器轉換器等切換式電容器級段。
圖22展示一轉換器，該轉換器具有一與一第二交換網路12D串聯之第一交換網路12A，與圖21中所示的架構一致。第一與第二交換網路12A、12D兩者都是雙相串級倍增器。在運作時，標示「1」及「2」的開關恆處於互補狀態，並且標示「7」及「8」的開關恆處於互補狀態。因此，在一第一切換狀態中，所有標示「1」的開關全都斷開，而所有標示「2」的開關全都閉接。在一第二切換狀態中，所有標示「1」的開關全都閉接，而所有標示「2」的開關全 都斷開。在此實施例中，開關1閉接會使電容器C1、C2、C3充電，同時使電容器C4、C5、C6放電，而且開關2閉接具有互補效應。同樣地，開關7閉接會使電容器C7、C8、C9充電，同時使電容器C10、C11、C12放電，而且開關8閉接具有互補效應。
若第一調節電路16A係一具有一2：1標稱步降比之降壓轉換器，則該電力轉換器提供一32：1之總步降。再者，若該輸入電壓為32V且該輸出電壓為1V，則第一交換網路12A中的開關將會需要阻絕8伏特，而第二交換網路12D中的開關將會需要阻絕2伏特。
具有圖1A至4所示構建塊之模組化架構也可組配來處理一交流輸入電壓。切換式電容器轉換器的其中一項主要屬性在於有能力藉由重新組配該切換式電容器網路，在一大輸入範圍內運作有效率。若交流壁電壓(即60Hz & 120VRMS)可視為一慢速移動直流電壓，則一前端切換式電容器級段13A應該能夠將時變輸入電壓展開成一相對穩定的直流電壓。
圖23展示一與該經展開直流電壓疊加之120VRMS交流波形在一單一60Hz週期內的一簡圖。交流交換網路13A連同一反相級段的設置具有不同組態(1/3,1/2,1/1)。還經設計以保持該直流電壓低於60V。該交流電壓一旦展開，圖24所示的調節電路16A便負責產生一最終輸出電壓。可能還必須在交流交換網路13A與調節電路16A之間置放另一交換網路，才能進一步調制該電壓。若屬於這種狀 況，則由於交流交換網路13A乃是一特殊用途交換網路，對於串聯級段的告誡(caveat)因而會有效。
圖25展示一對應於圖24所示架構的交流對直流轉換器。在此實施例中，一交流交換網路13A乃是一同步交流電橋，後接一具有三種相異轉換率(1/3,1/2,1/1)之可重新組配雙相步降串級倍增器，而一調節電路16A乃是一同步降壓轉換器。在運作時，標示「7」及「8」的開關恆處於互補狀態。在該交流週期的正部分(弧度0至π)期間，所有標示「7」的開關全都閉接，而所有標示「8」的開關全都斷開，如圖26所示。類似的是，在該交流週期的負部分(弧度π至2π)期間，所有標示「8」的開關全都閉接，而所有標示「7」的開關全都斷開，如圖27所示。
除了開關7與8所提供的反相功能以外，開關1A至1E及開關2A至2E也可如表1所示選擇性地斷開及閉接，用以提供三種相異的轉換率：1/3、1/2及1。
交流交換網路13A設置有一數位時脈信號CLK。也產生一第二信號CLKB，該第二信號可單純地為CLK的互補信號(即CLK低時處高，而CLK高時處低)，或可 產生為一非重疊互補信號，如所屬技術領域中眾所周知者。憑藉一依據表1第一列的切換型樣集，交流交換網路13A提供一為三分之一(1/3)的步降率。憑藉一依據表1第二列的切換型樣集，交流交換網路13A提供一為二分之一(1/2)的步降率。憑藉一依據表1第一列的切換型樣集，交流交換網路13A提供一為一的步降率。
附接至牆壁的大部分電力供應器都符合某功率因子規格。功率因子乃是一介於0與1之間的無量綱數字，其定義實際功率流至視在功率的比率。一種用以控制諧波電流並從而推升該功率因子的常見方式乃是使用一有效功率因子校正器，如圖28所示。一功率因子校正電路17A造成輸入電流與線電壓同相位，從而使無效功率消耗變為零。
圖29至36展示符合圖1A至4所示架構圖之電力轉換器的特定實作態樣。在各實作態樣中，一調節電路或多個調節電路可包括有磁性濾波器，可限制各交換網路中至少一個電容器的RMS充電電流與RMS放電電流，使得這些交換網路全都為絕熱充電交換網路。然而，若存在解耦電容器9A或9B，則可能消減該調節電路限制RMS充電與放電電流的能力。電容器9A及9B屬於任選，而且為了使該輸出電壓保持相當恆定而使用一電容器CO。再者，為了簡便起見，各實作態樣中的交換網路具有一單一轉換率。然而，可改用以多種相異轉換率提供電力轉換之可重新組配交換網路。
在運作時，標示「1」及「2」的開關恆處於互補 狀態。因此，在一第一切換狀態中，所有標示「1」的開關全都斷開，而所有標示「2」的開關全都閉接。在一第二切換狀態中，所有標示「1」的開關全都閉接，而所有標示「2」的開關全都斷開。類似的是，標示「3」與「4」的開關係處於互補狀態，標示「5」與「6」的開關係處於互補狀態，而標示「7」與「8」的開關係處於互補狀態。該等調節電路典型為運作於比該等交換網路更高的切換頻率。然而，該等交換網路與調節電路之間及之中對於切換頻率並無要求。
圖29展示一對應於圖1A所示架構的步升轉換器。在此實施例中，一交換網路12A乃是一具有一1：3轉換率之雙相步升串級倍增器，而一調節電路16A乃是一雙相升壓轉換器。在運作時，開關1閉接並且開關2斷開會使電容器C3與C4充電，同時使電容器C1與C2放電。相反地，開關1斷開並且開關2閉接會使電容器C1與C2充電，同時使電容器C3與C4放電。
圖30展示一對應於圖1B所示架構的雙向步降轉換器。在此實施例中，一交換網路12A乃是一具有一4：1轉換率之雙相步降串級倍增器，而一調節電路16A乃是一同步降壓轉換器。在運作時，開關1閉接而且開關2斷開會使電容器C1、C2與C3充電，同時使電容器C4、C5與C6放電。相反地，開關1斷開並且開關2閉接會使電容器C4、C5與C6充電，同時使電容器C1、C2與C3放電。該等主動組件全都是利用開關來實施，該轉換器因而可順著兩方向來處理電力。
圖31展示一與圖3所示架構一致的步升轉換器。在此實施例中，一調節電路16A乃是一升壓轉換器，而一交換網路12A乃是一具有一1：2轉換比之雙相步升串並聯SC轉換器。在運作時，開關1閉接會使一電容器C2充電，同時使一電容器C1放電。開關2閉接具有互補效應。
圖32展示一與圖3所示架構一致的雙向升降轉換器。在此實施例中，一調節電路16A乃是一回步四開關降壓-升壓轉換器，而一交換網路12A乃是一具有一1：4轉換比之雙相步升串級倍增器。在運作時，開關1閉接會使電容器C4、C5與C6充電，同時使電容器C1、C2與C3放電。開關2閉接具有互補效應。該等主動組件全都是利用開關來實施，該轉換器因而可順著兩方向來處理電力。
圖33展示一與圖2所示架構一致的反相升降轉換器。在此實施例中，一第一交換網路12A乃是一具有一1：2轉換比之步升串並聯SC轉換器；一第一調節電路16A乃是一降壓/升壓轉換器；以及一第二交換網路12B乃是一具有一1：2轉換比之步升串並聯SC轉換器。在運作時，開關1閉接會使電容器C1充電，而開關2閉接會使電容器C1放電。類似的是，開關7會使一電容器C2放電，而開關8閉接會使電容器C2充電。
圖34展示一與圖2所示架構一致的雙向反相升降轉換器。在此實施例中，一第一交換網路12A乃是一具有一1：2轉換率之雙相步升串並聯SC轉換器；一第一調節電路16A乃是一同步降壓/升壓轉換器；以及一第二交換網路12B 乃是一具有1：2轉換率之雙相步升串並聯SC轉換器。在運轉時，開關1閉接會使一電容器C1充電，同時使一電容器C2放電。開關2閉接具有互補效應。類似的是，開關7閉接會使一電容器C4充電，同時使一電容器C3放電。開關8閉接具有互補效應。該等主動組件全都是利用開關來實施，該轉換器因而可順著兩方向來處理電力。
圖35展示一與圖4所示方塊圖一致的步降轉換器。在此實施例中，一第一調節電路16A乃是一升壓轉換器；而一第一交換網路12A乃是一具有一1：2轉換比之雙相步升串並聯SC轉換器；而一第二調節電路16B乃是一升壓轉換器。在運作時，開關1閉接會使電容器C1與C2充電，同時使電容器C3與C4放電。開關2閉接具有互補效應。
圖36展示一與圖4所示方塊圖一致的雙向升降轉換器。在此實施例中，一第一調節電路16A乃是一同步升壓轉換器；一第一交換網路12A乃是一具有一3：2轉換比之雙相分數步降串並聯SC轉換器；而一第二調節電路16B乃是一同步降壓轉換器。在運作時，開關1閉接會使電容器C3與C4充電，同時使電容器C1與C2放電。開關2閉接具有互補效應。該等主動組件全都是利用開關來實施，該轉換器因而可順著兩方向來處理電力。調整第二調節電路16B之工作週期以使得開關6在延伸週期內維持閉接，可讓一電感器L2促進第一交換網路12A中電容器之間的絕熱電荷轉移。在此一實施例中，可施配有開關5、6，從而縮減實施第二調節電路16B所需的總晶片面積。圖37展示一與圖6B所介紹架 構實質符合的步降轉換器。在此實施例中，一第四調節電路16D具有耦合電感器L1、L3。第四調節電路16D調節以90°相位差運作之並聯的第一與第二交換網路12A、12B。約束第一與第二交換網路12A、12B之四個電容器C0彼此間電荷轉移的任務乃是由同樣共享耦合電感器L3、L4之第一與第二調節電路16A、16B所分擔。因此，圖37繪示耦合電感器L1、L2位在一個組件(亦即第四調節電路16D)內的可能性，以及已在圖6B中提出之耦合電感器L3、L4跨置於不同組件(亦即第一與第二調節電路16A、16B)的可能性。
應瞭解的是，該調節電路的拓樸結構可以是任何類型能夠調節輸出電壓的電力轉換器，包括有但不限於同步降壓、三階同步降壓、SEPIC、磁性濾波器、以及軟切換式或共振轉換器。類似的是，該等交換網路可利用各種切換式電容器拓樸結構來落實，端視所欲的變壓及許可的開關電壓而定。
在一些實作態樣中，一電腦可存取儲存媒體包括有一代表該轉換器之一或多個組件的資料庫。舉例而言，該資料庫可包括有代表一交換網路之資料，該交換網路係已最佳化來促進一電荷泵進行低損耗運作。
一般而言，一電腦可存取儲存媒體可包括有任何在用於對一電腦提供指令及/或資料期間，可由該電腦存取的非暫時性儲存媒體。舉例而言，一電腦可存取儲存媒體可包括有諸如磁碟或光碟及半導體記憶體等儲存媒體。
一般而言，一代表本系統的資料庫可以是可藉由 一程式讀取、並直接或間接用於製作包含有本系統之硬體的一資料庫或其他資料結構。舉例而言，該資料庫可以是諸如Verilog或VHDL等高階設計語言(HDL)中之硬體功能之一行為級描述或暫存器轉移級(RTL)描述。此描述可藉由一合成工具來讀取，該合成工具可將該描述合成以產生一網路連線表，該網路連線表包含有一來自一合成庫的元件閘清單。該網路連線表包含有一組元件閘，該組元件閘亦代表包含有本系統之硬體的功能。該網路連線表可接著進行置放與繞線以產生一資料集，該資料集描述待套用至遮罩的幾何形狀。該等遮罩可接著在各個半導體製作步驟中用於產生對應於本系統之一或多個半導體電路。在其他實例中，替代地，該資料庫本身可以是該網路連線表(具有或不具有該合成庫)或該資料集。
由於已說明一或多項較佳實施例，將會對所屬技術領域中具有通常知識者顯而易見的是，可使用其他合併有這些電路、技術及概念的實施例。因此，可知本專利之範疇應該不受限於所述實施例，而是應該僅受限於隨附申請專利範圍之精神及範疇。
12A‧‧‧交換網路
16A‧‧‧調節電路
16B‧‧‧調節電路
20‧‧‧第一電容器
22‧‧‧第二電容器
24‧‧‧第一開關
26‧‧‧第二開關
102、202‧‧‧輸入
104、204‧‧‧輸出

Claims (49)

  1. 一種用於處理電力之設備，該設備包含有在一第一電力轉換器端子與一第二電力轉換器端子之間具有一供電力流動之路徑的電力轉換器，其中，在該電力轉換器運作期間，該第一電力轉換器端子係維持一第一電壓且該第二電力轉換器端子係維持一比該第一電壓更低的第二電壓，其中該電力轉換器包含有全部設置於該路徑上之第一與第二調節電路、及一交換網路，其中該交換網路包含有開關、一第一電荷儲存元件、及第一與第二交換網路端子，其中該第一調節電路包含有一第一磁性儲存元件及一第一調節電路端子，其中該第二調節電路包含有一第二調節電路端子，其中該電力路徑包含有該第一調節電路端子、該第二調節電路端子、該第一交換網路端子、及該第二交換網路端子，其中該第一調節電路端子係連接至該第一交換網路端子且該第二調節電路端子係連接至該第二交換網路端子，其中該交換網路係組配來在一第一開關組態與一第二開關組態之間轉變，其中，當該交換網路處於該第一開關組態時，電荷以一第一速率在該第一電荷儲存元件中累積，其中當該交換網路處於該第二開關組態時，電荷以一第二速率自該第一電荷儲存元件消損，以及其中該第一速率與該第二速率受到該第一磁性儲存元件約束。
  2. 如請求項1之設備，其中該交換網路更包含有一第二電 荷儲存元件，其中，當該交換網路處於該第一開關組態時，電荷以一第一速率自該第二電荷儲存元件消損，以及其中，當該交換網路處於該第二組態時，電荷以一第二速率在該第二電荷儲存元件中累積，其中該等第一與第二速率兩者都受到該第一磁性儲存元件約束。
  3. 如請求項1之設備，其中該第二調節電路包含有一第二磁性儲存元件、及一連接至該第二磁性儲存元件之開關，該開關係可控制來在至少兩種交換組態之間切換。
  4. 如請求項1之設備，其中該第二調節電路更包含有回應於該電力轉換器之一測得輸出，用於控制該開關運作之一回授迴路。
  5. 如請求項1之設備，其中該第一磁性儲存元件包含有一濾波器。
  6. 如請求項5之設備，其中該濾波器具有一共振頻率。
  7. 如請求項1之設備，其更包含有一第三調節電路，其中該第三調節電路係連接至該交換網路，其中該第三調節電路包含有一電感器，以及其中該第二調節電路包含有一耦合至該第三調節電路之該電感器的電感器。
  8. 如請求項1之設備，其更包含有一電感器核心、及一第三調節電路，其中該第三調節電路係連接至該交換網路，其中該電感器核心係由該第三調節電路中之一電感器與該第二調節電路中之一電感器所共享。
  9. 如請求項1之設備，其中該第一速率與該第二速率相等。
  10. 如請求項1之設備，其中該交換網路包含有一可重新組 配交換網路。
  11. 如請求項1之設備，其中該交換網路包含有一多相交換網路。
  12. 如請求項1之設備，其中該交換網路包含有一多相串並聯交換網路。
  13. 如請求項1之設備，其中該交換網路包含有一多相多級交換網路。
  14. 如請求項1之設備，其中該交換網路包含有一串級倍增器。
  15. 如請求項1之設備，其中該交換網路包含有一多級交換網路。
  16. 如請求項1之設備，其中該等第一與第二調節電路中之至少一者包含有一雙向調節電路。
  17. 如請求項1之設備，其中該等第一與第二調節電路中之至少一者包含有一多相調節電路。
  18. 如請求項1之設備，其中該等第一與第二調節電路中之至少一者包含有一切換式電力轉換器。
  19. 如請求項1之設備，其中該等第一與第二調節電路中之至少一者包含有一共振電力轉換器。
  20. 如請求項1之設備，其中該等第一與第二調節電路中之至少一者包含有一磁性濾波器。
  21. 如請求項1之設備，其中該交換網路係組配成一交流交換網路。
  22. 如請求項21之設備，其更包含有一連接至該交流交換網 路之功率因子校正電路。
  23. 如請求項22之設備，其中該功率因子校正電路係連接於該交流交換網路與該第一調節電路之間。
  24. 如請求項1之設備，其中該電力轉換器係組配來以一頻率改變該交換網路之開關組態，該頻率係有別於該等第一與第二調節電路中之至少一者之交換組態所藉以改變之一頻率。
  25. 一種用於令一電力轉換器處理電力之方法，該方法包含有在一介於一第一電力轉換器端子與一第二電力轉換器端子之間供電力流動的電力路徑上，將一第一調節電路之一第一調節電路端子連接至一第一交換網路之一第一交換網路端子，以及將該第一調節電路之一第二調節電路端子連接至該第一交換網路之一第二交換網路端子，使用該第二調節電路，使該第一電力轉換器端子維持一第一電壓，藉此使該第二電力轉換器端子維持一比該第一電壓更低的第二電壓，使用該第一交換網路中之開關，將該第一交換網路配置成一容許電荷在該第一交換網路之該第一電荷儲存元件中累積之組態，使用藉由該第一調節電路中之一第一磁性儲存元件在一磁場中儲存之能量，約束該第一交換網路之一第一電荷儲存元件中之一電荷累積速率，使用該第一交換網路中之該等開關，將該第一交換網路配置成一容許電荷自該第一交換網路之該第一電荷儲存元件消損之組態，以及使用該第一調節電路中之該第一磁性儲存元件所儲存之能 量，約束自該第一交換網路之該第一電荷儲存元件之一電荷消損速率。
  26. 如請求項25之方法，其更包含有當約束自該第一電荷儲存元件之一電荷消損速率時，約束一第二電荷儲存元件中之一電荷累積速率，以及當約束進入該第一電荷儲存元件之一電荷累積速率時，約束自該第二電荷儲存元件之一電荷消損速率。
  27. 如請求項25之方法，其更包含有回應於該電力轉換器之測得輸出，控制一連接至該第二調節電路之一磁性儲存元件的開關。
  28. 如請求項25之方法，其中該第一磁性儲存元件包含有一濾波器。
  29. 如請求項28之方法，其中該濾波器具有一共振頻率。
  30. 如請求項25之方法，其更包含有一第三調節電路，其中該第三調節電路係連接至該交換網路，其中該第三調節電路包含有一電感器，以及其中該第一調節電路包含有一耦合至該第三調節電路之該電感器的電感器。
  31. 如請求項25之方法，其更包含有一電感器核心、及一第三調節電路，其中該第三調節電路係連接至該交換網路，其中該電感器核心係由該第三調節電路中之一電感器與該第一調節電路中之一電感器所共享。
  32. 如請求項25之方法，其中該第一速率與該第二速率相等。
  33. 如請求項25之方法，其更包含有選擇該交換網路成為一 可重新組配交換網路。
  34. 如請求項25之方法，其更包含有選擇該交換網路成為一多相交換網路。
  35. 如請求項25之方法，其更包含有選擇該交換網路成為一多相串並聯交換網路。
  36. 如請求項25之方法，其更包含有選擇該交換網路成為一多相多級交換網路。
  37. 如請求項25之方法，其更包含有選擇該交換網路成為一串級倍增器。
  38. 如請求項25之方法，其更包含有選擇該交換網路成為一多級交換網路。
  39. 如請求項25之方法備，其更包含有選擇該等第一與第二調節電路中之至少一者成為一雙向調節電路。
  40. 如請求項25之方法備，其更包含有選擇該等第一與第二調節電路中之至少一者成為一多相調節電路。
  41. 如請求項25之方法備，其更包含有選擇該等第一與第二調節電路中之至少一者成為一切換式電力轉換器。
  42. 如請求項25之方法備，其更包含有選擇該等第一與第二調節電路中之至少一者成為一共振電力轉換器。
  43. 如請求項25之方法備，其更包含有選擇該等第一與第二調節電路中之至少一者成為一磁性儲存元件。
  44. 如請求項25之方法備，其更包含有選擇該等第一與第二調節電路中之至多一者以包含有一磁性濾波器。
  45. 如請求項25之方法，其更包含有組配該交換網路成為一 交流交換網路。
  46. 如請求項45之方法，其更包含有控制該交流交換網路之一輸出之一功率因子。
  47. 如請求項45之方法，其更包含有將一功率因子校正電路連接於該交流交換網路與該第一調節電路之間。
  48. 如請求項25之方法，其更包含有以一頻率改變該交換網路之開關組態，該頻率係有別於該等第一與第二調節電路中之至少一者之交換組態所藉以改變之一頻率。
  49. 一種儲存一資料結構之非暫時性電腦可讀媒體，該資料結構係待藉由一可在一電腦系統上執行之程式來運作，其中，該資料結構在藉由此一程式來運作時，產生用於製作一積體電路之一程序之至少一部分，該積體電路包括有藉由該資料結構所描述之電路系統，其中該資料結構所描述之該電路系統包括有一已組配來與一電力轉換器配合使用之交換網路，該電力轉換器在一第一電力轉換器端子與一第二電力轉換器端子之間具有一供電力流動之路徑，其中，在該電力轉換器運作期間，該第一電力轉換器端子係維持一第一電壓且該第二電力轉換器端子係維持一比該第一電壓更低的第二電壓，其中該電力轉換器包含有全部設置於該路徑上之第一與第二調節電路、及該交換網路，其中該交換網路包含有開關、及第一與第二交換網路端子，其中該第一調節電路包含有一第一磁性儲存元件及一第一調節電路端子，其中該第二調節電路包含有一第二調節電路端 子，其中該電力路徑包含有該第一調節電路端子、該第二調節電路端子、該第一交換網路端子、及該第二交換網路端子，其中該第一調節電路端子係待連接至該第一交換網路端子且該第二調節電路端子係待連接至該第二交換網路端子，其中該交換網路係組配來在一第一開關組態與一第二開關組態之間轉變，其中，當該交換網路處於該第一開關組態時，電荷以一第一速率在該第一電荷儲存元件中累積，其中當該交換網路處於該第二開關組態時，電荷以一第二速率自該第一電荷儲存元件消損，以及其中該第一速率與該第二速率受到該第一磁性儲存元件約束。
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