TW406462B - Secondary battery unit using double layer capacitor - Google Patents

Description

406462 五、發明說明（l) 本發明係有關於一錄梓用錐麻A 作為二次電池，更特別種:，用是雙為層了 之能源使用效率的一種技術,、 有關於雙層電谷器 這種應用係基於日本公開專 容係與之結合，在此做為參考。n"1 0868號’其内 诳商f業知Λν?置係使用電池動力源型式，其優點在於 使動力源裝置比較起來，較為㈣，特別是 使用具回收该電池記號的二次電池。 一 &然^而^ =樣的一次電池其缺點為充電時間係必要的； 對電池之充電所需之 若採用快速的充電以 因此其壽命減短，所 的拄Μ列如即使是快速的充電，亦需要大約1個小時 的時間。關於浪費大量電流的使用 時間可能比裝置所使用的時間要長 減少充電時間，電池之熱能會增加 以減少充電的時間具有一限制。 關於上述之問題，近來雙層電容器像其它充電電源裝 置受到許多的注意。雙層電容器之優點在於當一電感器性 之物質與電解溶液相接觸時，於其界面間會產生電雙層 (electric double layer) ’而電荷則儲存於此雙層做為 靜電荷；依此雙層電容器，其電容之值將比陶瓷電容或鋁 電解電容所具有之電容值要兩出許多，如—雙層電容器在_ 12伏特（有效電壓）下具2 00法拉的電容，且其體積大約為 6 1 0 0毫升。此外，在充電或放電期間，不會產生化學反 應。因此’在一般的使用情況下’關於充電/放電回收的 壽命極佳，且電池幾乎不會降級；更甚於此，此充電動作 第4頁 __406462____ 五、發明說明（2) 係使用大量的電流而完成，因此只需要花費幾秒鐘或幾分 鐘的充電時間。所以與習知之二次電池相比，此種雙層電 容器能有效地減少充電時間。 因此，這種雙層電容器與直流-直流轉換器（一種開關 調節器）的結合已實驗性地製造，以產生與二次電池類似 的動作；例如日本公開專利第一版第Hei 7_87687號（第一 習知例）與第Hei 9-93809號（第二習知例）揭露了一種雙層 電容器與直流-直流轉換器（一種開關調節器）的結合，且 其動作方式便如同二次電池。另一方面，曰本公開專利第 二版第Hei 8 -1 6 81 82號（第三習知例）揭露了 一種電源供應 器，包括用於雙層電容器之配置使由並聯轉成串聯的裝 置，且其功能係作為一使用有效電壓變動之電池的電源供 應器。 ^此第一習知例將參考第6圖做解釋；當電源開關64係設 定於接通（on )的狀態，則電源係經由開關調節器6 2從充電 :雙層電容器61提供至負載63 ;在對雙層電容器61充電 時，係使用充電端點65，而此雙層電容器61之端點電壓則 =照剩餘的電荷儲存在此電容器之能量的平方根成比例下 ^然而’此開關調節器62工作猶如一直流_直流轉換 a輸出一固定電壓，因此一固定電壓係輸出並供應至

406462 五、發明說明（3) ΠΠΓ2;，。其輸出大約為5伏特時，當電源提 μΛΓ去’Λ 間的過Λ，輸出電壓¥〇下降，·在大約 因此開關端〜 < ，雙層電容器61之電壓vi係低於5伏特， 1關調郎器62遂升高此輸入電壓Vi ;在】9 降ΞΪ21·5伏特’且在該點之後，輸出電壓V〇下 電壓，U 3開關調節器62的電壓變得低於最小的輸入 了解雙層能達到一穩定之電壓。如同上述，可 增電谷器具有一二次電池的功用。 日本接Λ來專參考第8圖解釋上述之第二習知例（係指 電源係版AHei 9-93809號）；同樣在此例中， 供，如同H直流轉換器，從-雙層電容器所提 容器d:例；唯有-個不同，點，係結合-雙層電 源。/、 一-人電池，以致可在短時間内輸出一極大的能 如如要在短時間内需要-極大的電壓，例 器，在供應雷丨之馬達時’則使用一混合的電源供應 該負載具於雙層電容器81充電之負載，而 換成一固Α I此畨又，係經一直流~直流轉換器87轉 達)。：：二且供應一足夠之啟動電源至負載L(如馬 提供，當電iii首：要之驅動電源係主要自二次電池88 應至負載丨！ 广1·直流轉換器87由雙層電容器81供 係從：持在關斷(。⑴的狀態；且當電源 丁处一次電池88提供到負巷Τ 屯 態。利用、-# + i # 、載L開關SW係維持在接通的狀 用這個方法，藉開關⑽的開關狀態可以經由直流_ 第6頁 ^06462 五、發明說明（4)

換器87從雙層電容器81提供足夠的能 而不需承受二次電池88之電壓影響. ^貝mL 再驅動馬達之時，二極體89係提：用=防=啟動或 載L般驅動）的啟動電流逆流。 、、、達（如負 另外，在此例中，於開關SW接通期間，此儲存於 :谷器8:之電荷係經直流-直流轉換器87轉換成—固J電 壓’以提供至負載L，如同第一習知例一般。 接下來，將要參考第9圖以解釋上述之第三習知 指日本公開專利第一版第Hei 8_ 1 68 182號）；雙層電容器 電以具一預先定好之充電級輸出。轉換與 = 置’該開關裝置係依據脈衝信號 做斷續的控制，且藉使用電壓下降轉換器 (voltage-dropping converter)，提供一穩定電壓至負載 92。在此線路中，電壓下降比例可於丨/2到丨/1之間做選 擇；關於開關S1-S3中，開關S2與S3係互鎖 (interlocked)，且這些開關與S1為互補式動作，以依據 儲存於雙層電容器C1與C2電荷之電壓下降階而控制開關的 開/關狀態。當雙層電容器C1與C2已充電滿，則開關S1係 關斷，而S2與S3為接通，因此雙層電容器C1與C2係以並聯 的方式連接；當電壓降由滿階級到1 /2，則開關S1接通， 而S2與S3設定為關斷，因此雙層電容器C1與C2係以串聯的 方式連接。 第10圖顯示此輸出轉換與調整線路91的輸入電壓vi及 輸出電壓Vo之暫時的變化；如圖所示，一固定電壓係供應

麵

第7頁 406462 五、發明說明（5) 至負載92 ’直到輸入電壓由雙層電容器以與以之全電壓 (full voltage)下降至其 1/4。 特別的疋’若此負載的額定電壓（rate(j voltage)為12 伏特’則因為雙層電容器(^與以其具有一全電壓（fuU voltage)為24伏特’故選擇與使用該雙層電容器口與以並 矛J用包括電壓下降轉換器（v〇ltage-dropping converter) 之輸出轉換與調整線路91以從中獲得能量。首先，此雙層 電容器C1與C2係充電滿，且開關51設定在關斷，而S2與33 則為接通’以致雙層電容器C1與以係以並聯的方式連接； 而此輸出轉換與調整線路91將其輸入電壓由24伏特下降至 12伏特（輸入級的一半），並供應一12伏特的額定電壓至負 載92 ’此負載92係浪費能量，且直到雙層電容器ci與C2之 端點電壓降至低於12伏特，輸出轉換與調整線路91漸漸地 改變其電壓降比例，使之由〗/2到1 / 1，以供應一穩定之1 2 伏特的額定電壓電能至負載92。 依據上述之構造，即使利用一輸出轉換與調整線路， 其工作係隨電壓降之比例，範圍在1/2到1/1之間，可供應 一固定電壓至負載92，直到雙層電容器C1與C2之端點電壓 由全電壓下降至其1/4，因此能量便有效地流失 (extract) ° 然而，第一個問題係於每一習知例中，並不能有效地 利用充電於此雙層電容器C1與C2的能量，且由二次電池所 驅動相關裝置之時間很短，其理由在於該直流-直流轉換 器之輸入電壓範圍並不能比内部控制線路（於第三習知例

^06462 五、發明說明（6) 中之輸出轉換與調整線路91)之控制範圍寬，或輸入電壓 不能低至一個位準，而比該控制線路之最小操作電壓低。 欲了解得更佳透徹’在本發明將要解決上述問題之 前，將要解釋直流-直流轉換器之基本動作；第丨丨圖顯示 習知之非絕緣提升電壓直流-直流轉換器的一個例子之構 造，其為一種最簡單的構造’而在此及其後將要對此例子 做一簡單解釋。 當開關1 0 3於一接通的狀態，由直流電源丨〇 i所供應之 電流IL係對此電感器102充電；且當開關丨03於一關'斷的狀 態，此電荷由電感器丨〇2流過，並與電解電容c共振，然後 變成電壓Vd ’其電壓共振波型之電壓峰值係較此直流電源 之輸入電壓Vin大；而該電壓Vd係經二極體1〇4及電解電容 105整流，並變壓成輸出電壓v〇ut。 但疋’ 一極體1〇4為非導電性的，因此該電路係於無負 載的狀態；且當二極體1 〇4為導電性的，則形成一"Lc " 共振電路與負載106以並聯的方式連接。嚴格而言，在此 狀況下’電壓V d之波型必須經模擬而決定；然而為了方便 解釋’負載1 06之電阻將省略，以假設該種性質之解釋。 若負載106之電阻為定值，則由Vd之電壓共振波型峰值 係與電流IL之峰值成比例；其中，當開關103接通，電流j 係流過電感器102，因此當直流-直流轉換器之輸入電壓L Vin改變’若開關1 〇3接通的時間（"接通狀態期間,，）為定 值，則電流IL之峰值仍舊改變，如第1 2A圖所示。因此， 如第12B圖所示，由Vd之電壓共振波型峰值亦與IL成比例

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地改變。 另一方面，當Vin維持定值，若開關ι〇3接通的 變，則流過電感器1〇2之電流II係 么 比例增加，如第12C圖所示；因此，如第则所示時= 之電壓共振波型峰值係與開關1〇3接通的時間成比例增 加。 曰 關於上述特徵，若控制開關1 〇 3接通的時間，而致電流 IL之峰值固疋為11，如第丨3 A圖所示，則即使直流電源1 〇 1 之電壓Vin改變，仍可控制電壓”之峰值，而具一固定值 VI。輸出電壓Vout係經二極體104與電解電容1〇5，由電壓 Vd作整流，因此該直流_直流轉換器總是能夠提供一固定 之輸出電壓’即使輸入電壓Vin改變。 接下來’將要解釋其它的動作；其中負載丨〇6之電阻值 係改變’且直流-直流轉換器之輸出亦改變。如上所述， 在負載106的影響之下’由於不論二極體1〇4是否導電，此 電壓共振波型Vd皆改變。然而，為了解釋此負載所影響的 趨勢’在二極體1〇4係導電性之狀態下（亦即電解電容1〇5 内沒有儲存任何電荷），將要說明此電壓波形。第丨2E圖顯 示電壓共振波型Vd之變化；在直流-直流轉換器之輸入電 壓Vin為定值且負載1〇6的值為可變情況下，若輸出電壓

Vout為定值，從直流-直流轉換器之電流輸出的增加係對 應於負載106之電阻值減少的量。因此，由於負載1 〇6之電 阻值逐漸從無限大開始減少，電壓共振波型Vd係減少，且 同時此LC共振電路主要在於傾卸（dump i ng)，因此波具有

第10頁 406462 五、發明說明（8) 減少振幅振動的形式’且更加快速地達到v i n之固定值。 因此’直流-直流轉換器之控制電路能改變開關〗〇3之 接通時間（一般係使用脈寬調變器，PWM，pulsewidth modulation)，以維持電壓共振波型之電壓岭值固定， 故可一直提供固定輸出電壓y〇ut，即使負載丨〇6的變動會 造成輸出電流的值改變。 上述係傳統非絕緣提升電壓直流-直流轉換器之基本工 作原理的解釋。 在此及其後，將參考第〗4圖，詳細說明一相關之控制 當上述之直流-直流轉換器之輸出電壓。“輸入回饋 (feedback)輸入端點FB，於參考電壓Vref及輸出電壓 誤差將於誤差放大器109被放大，且被放大的信號係與一 二角波於比較器108中做比較；彡中該三角波係由三角波 產生器107所產生。結果係控制開關脈衝輸出（switchi

Pdse 〇utput)之工作比例（亦即脈衝之頻寬對週期的比 例），以致輸出電壓Vout等於參考電壓Vref。若

Vout高於參考電壓Vref，則依上述之控制’開關脈衝輸出 2接通時間變得較短，且輸出電壓v〇ut較低；而 出 壓Vout低於參考電壓Vref，則開關脈衝輪出的接時出= 得較長，且輸出電壓Vout變高。 時間變 一一般，於此控制電路中’由三角波振蕩器1〇7 二角波的頻率係為定值，而使用固定 控制時’可避免由用於直流-直流轉換 五、發明說明（9) 谷所產生的聲音進入可聽見之範圍。一 圍為100千赫茲（kHz)或更s叙了選擇的頻率範 有了上限，並不並低於數百萬赫茲（MHz)，· 率特性也不會因此降級。 且電感器與電容的頻 此外，雖然接通時間你姑自 須考慮到電感器的電流射出時 〜所杉響’但因為必 _以下時間之内匕= 在接通時間的 器之電壓共振波形之峰值雙動電改 計狀況，當直流-m祕 需要制的。依據一般設 截雷法畏士降、直流轉換器位於最小之動作電壓時之負 此，依據此種控制，=^曰曰體之接通時間變成最大；因 此開關電晶體之接通=入電壓增加而負載電流減小， 肢·<接通時間變得較短。 近來，許多奘番目士 π 等待使用中(Standby) 1子式的改進特性；於不使用及 這表示直流-直流轉m不浪費能源、’以節省能量。 載的情況下，^最/^人的改變:在幾乎沒有負 晶體之接通時間係八=出。在這樣：使"，開關電 輪入電壓範】。’負載變動’ ^•因此不能用以合併 中如-本直發ώ明的例子’使用雙層電晶體以將能量儲存於其 用75:的儲Ά轉換器之輪入電壓範園加倍’則僅能使 之能量係與此電壓的這Λ因為用來對電容充，所需要使用 -，& #六+壓的平方成比例。因此，當充電電壓減半 ^所剩餘的能量變為原來的1/4 ;在具有加倍

406462 五、發明說明（ίο) 之輸入電壓範圍的直流-直流轉換器中，儲存於電容中的 月匕量有25%不能使用’因此相關裝置的動作時間較短，且 使用係受限於一不被冀望之狀況係負裁變動之範圍很 窄。 如上述之說明，此直流-直流轉換器經由一電感器，將 輸入之能量轉換成電流形式能量’以完成電源控制，因此 隨之而來的輸入電壓與負載之變動其可能的範圍可受限 制。 另外，為了藉有效地使用儲存於雙層電容器中的電 荷’而儘可能地操作二次電池單元’應該以較低之輸入電 壓來驅動此直流-直流轉換器；然而’用以控制此直流_直 流轉換器之動作的控制電路在必須用於一般電路的輸入電 壓範圍具限制。關於使用雙極電晶體之常用電路在基極與 射極間估計約要〇. 7伏特的電壓；另一方面，一般係使用 帶隙參考電路（band-gap reference circuit)以避免控制 電路具溫度（可變）性質。然而，需用於此電路之電壓大約 為1.26伏特，因此至少需要2〜3伏特的輸入電壓以構築此 控制電路；一種使用MOS電晶體的電路亦有必須之最小輸 入電壓，因此不論此控制電路是否使用副的（auxi丨iary) 電源供應器’此直流-直流轉換器無法在上述之輸入電壓 之下工作。 於是’對此雙層電容器充電，其電壓較低的那一側， 亦即靠近放電端所獲得之電壓並不足夠用以操作此直流_ 直流轉換器；另一方面，為了改善有效之充電能源，當於

第13頁 五、發明說明（11) 雙層電容器充電之初始電壓增加時，若跟隨之負載變動可 能的範圍加寬，則無法實現一想要得到之輪入電麼範圍， 係因為上述之PWM控制範圍的限制。 更甚於此，若控制電路係在接近最低電壓下操作，則 可能減少此直流-直流轉換器的效率。其原因說明在後. 一種MOS電晶體開關經常使用於此控制電路中，且當電晶 體之閘極電壓低至數伏特時，由於閘極電壓之平方與波@極 電流成比例，因此在汲極與源極間的接通狀態之電阻係增 加，並且電流流過電感器會造成流失。 θ 在第三習知例中，當使用電容器中的電荷時，與電容 相連之開關係由並聯而至串聯；若MOS電晶體係用^轉2 S卜S3以做開關動作，則MOS電晶體接通狀態下的電阻會造 成流失，特別的是’若源極線（source line)於此第：：習 知例中切換’則其缺點在於因大量的電流而使流失增1。 如上所述，在習知技術中，儲存於雙層電容器中3的能 量並不能做有效使用’且將雙層電容器當作二次電池來"使 用以操作裝置可能維持的壽命也並不長，此為第一個問 題。 第二個問題為習知技術並不適於小型化；因為依第三 習知例，需要兩個雙層電容器及三個開關，且其物^、结構 極大，而此雙層電容器為其物理結構最大的部份；且關於 開關，因為大量電流流過開關，則需一能量電晶體 transistor)，因此若將之當作二次電池來使用，會受到 限制。 第14頁 406462 五、發明說明（12) 、於此’考慮上述之狀死’本發明係有關於-稀 二以接收來自先前充電過的雙層電容器Λ二 何，並經由直流-直流轉換器輪出— 之電 的目標在於提供一種二次電池單元，在其中直流〜^發明 換器輸入電壓具有一較寬的範圍 :直流轉 =其=藉由操作-控制電路長園 1至5電壓低於控制電路之最小操作電壓；且該二：：， 皁兀輕、小，並適於輕便的使用。 人電池 因此，本發明係提供一種二次， 電壓轉換成事先決定之第二電饜，*"早认山用以將第一 電壓；而做為雙層電容器的端電壓之二」電3輪出此第二 電電路以做事先充電’…決定好的3使用 個不同的電感器，而該電感器係第電ΐ ίίί 複數個電感器與輸出端點間之丄： 關裝i ’個別與此複數個電感器相連，：= :乍用時’每-開關裝置係使電流由依此 ；γ裝 ::連的電感1 ;開關控制裝置，依據第一電過 用於選擇性地操作複數個開關裝置其中之一以 ’用以控制上述複數個開關間開 二： 輸出端輸出至此事先決定之第二電壓。 u穩疋從 在此二次電池單元中，因為第一電壓係較高側逐 右軔2開關控制裝置為了㈣此複數個肖關裝Ϊ以轉換具 本發明Λ, 其它具較小電感值之電感器。 本發月亦楗供一種相似的二次電池單元’包括一變壓

五、發明說明（13) 要與次要的線圈，此主要線圈有複數個中間 ΪΓ此主尊Λ以改變該主要線圈的圈數，且第-電廢係 輸出端點間；複數晋界：此變麼器的次要線圈與 流依此第一電AL此線圈 時，每一開關裝置使電 點（㈣所決定裝/，該Λ圈/圈Λ係由中間接 而田於，s视α., 附t刺褒置’依據第一電壓的變動’ 電路，、用以控制開關裝置其中之-；以及控制 輸出端輸出；： = 】關的時間’以穩定從 降低，此開二側:漸 多圈數的複數個中間接；(=關裝置，係轉 它具/較少圈數的複數個中間接點(tap)其中之-到其 電壓的第L電壓一電同池動單作兀。中’此控制電路係與當作源極 依據本發明’關於 範圍與習知&術相肖之 \之^電壓可允許的變動 比較亦可此長時間的輪出一固定電壓。，¾知技術 此外，依據本發明， 為讓本發明之上、f n方叮實現此單疋的小型化。 懂，下文特舉一較佳二的、特徵、和優點能更明顯易 明如下： "施例’並配合所附圖式’作詳細說 圖式之簡單說明： 瞧 第16頁 406462 五、發明說明（14) 第1圖為方塊圖，顯示依據本發明之二次電池單元之一 實施例其電路配置； 第2圖顯示於第1圖中之二次電池單元内的電感開關控 制器之線路配置圖； 第3圖顯示於第1圖中之二次電池單元的輸入電壓與輸 出電壓一段時間的變化； 第4圖為方塊圖，顯示依據本發明之二次電池單元之其 它實施例其電路配置； 第5圖顯示有關第四圖中二次電池單元之效率與輸入電 壓間的關係圖； 第6圖為方塊圖，顯示依據本發明之二次電池單元之第 一習知例其電路配置； 第7圖顯示於第6圖中之二次電池單元的輸入電壓與輸 出電壓一段時間的變化； 第8圖為方塊圖，顯示依據本發明之二次電池單元之第 二習知例其電路配置； 第9圖為方塊圖，顯示依據本發明之二次電池單元之第 三習知例其電路配置； 第10圖顯示於第9圖中之二次電池單元的輸入電壓與輸 出電壓一段時間的變化； 第1 1圖顯示習知之直流-直流轉換器之線路配置圖； 第1 2A與1 2C圖顯示流過電感器之電流與關於習知之直 流-直流轉換器之時間之關係圖，而第1 2B、1 2D與1 2E圖則 顯示電壓共振波型與關於習知之直流-直流轉換器之時間

第17頁 406462 五、發明說明（15) 之關係圖； 第1 3A圖顯示當流過電感器之電流峰值維持定值與關於 習知之直流-直流轉換器之關係圖，第1 3B圖則顯示當電壓 共振波型中之電壓峰值維持定值與關於習知之直流-直流 轉換器之關係圖； 第1 4圖為一方塊圖，顯示習知控制電路之線路配置 圖。 符號之簡單說明 10 充 電 電 路 11 雙 層 電 容 器 12 直 流 -直流轉換器 13 控 制 電 路 14 電 感 開 關 控制器 15 第 一 開 關 電晶體 16 第 二 開 關 電晶體 17 第 一 電 感 器 18 第 二 電 感 器 19 第 一 二 極 體 20 第 二 二 極 體 21 平 滑 電 容 器 22 二 極 體 23 回 饋 線 24 分 壓 器 31 比 較 器 32 開 關 40 變 壓 器 41 二 極 體 61 雙 層 電 容 器 62 開 關 調 即 器 63 負 載 64 電 源 開 關 65 充 電 端 點 81 雙 層 電 容 器 87 直 流-直流轉換器 88 二 次 電 池 89 二 極 體 91 輸 出 轉 換 與調整線路 92 負 載

第18頁 五、發明說明（16) 1 0 1直流電源 1 0 3開關 105電解電容 107三角波產生器 109誤差放大器 Vin輸入電壓 FB回饋輸出端點 Va開關電壓 a中央接點 L負載

Cl、C2雙層電容器 IL電流

Vd電壓共振波型 在此及其後，將參考圖 例。 102電感 104 一極體 106負栽 1 0 8比較器

Vout輸出電壓 Vcc端點 b外部接點 S1 ' S2 、 S3 開關 C電解電容 Vref參考電壓 R說明依據本發明之一個實施 第1，為方塊圖’顯示依據本發明之二次電池單元之— =例：電路配置，·在此圖示中，充電電路10具一分離的 ’ 以雙層電容器1 1而與直流·直流轉換器1 2相連。 此直流-、直流轉換器1 2稱為”電壓提升"種類，且具提升輸 入電壓並輸出一較高之輸出電壓之功能；此控制電路丨3係 控制能提升電壓之直流_直流轉換器】2，而於此控制電路 1 3中，控制第一開關電晶體〗5或第二開關電晶體丨6，以進 而控制流過第一電感器17或第二電感器18的電流；經過第 一極體1 9或第二二極體2 〇之電流係經整流，再經一平滑 五、發明說明（17) 電容器（smoothing condenser)21後，經序列輸出一固定 之直流電壓v〇ut ;電感開關控制器14依輸入電壓Vin的位 準，藉於第一開關電晶體1 5或第二開關電晶體丨6間做選 擇’而在第一電感器17與第二電感器18之間產生一開關動 作特別的是’當雙層電容器11放電且輸入電壓vin低於 事先決定電壓位準之較高側，具有較高電感值之器係 做開關再至具有較低電感值之電感器。 '' 此外參考數字22表示一用於防止逆電流產生之二極 體，參考數字23代表一回饋線（feedback line);且參考 數字24則代表一分壓器。 接下來將要解釋具有上述構造之二次電池單元之動 作。 首先’由充電電路10對雙層電容器11充過電之後，由 於電路10是分離的’因此於雙層電容器丨丨中的電荷係供應 至直流-直流轉換器12;而來自雙層電容器11之輸入電壓 Vin係與直流_直流轉換器12中之電感開關控制器14分離。 第2圖顯示電感開關控制器丨4之内部構造；開關控制器 14由雙層電容器11將此輸入電壓Vill輸入至比較器31，以 將之與電壓Va做比較’而做電感之開關，並將比較之結果 輸出至開關3 2。來自比較器31之比較結果與來自控制電路 1 3之脈衝驅動波形係輸入開關32，且因此而選擇了第一開 關電晶體1 5與第二開關電晶體丨6其中之一。若選擇第一開 關電晶體1 5，則第一電感器1 7、第一二極體1 9、與平滑電 容器21係構成此提升電壓之直流-直流轉換器12 ;而若選 I麵

第20頁 406462 五、發明說明（18) 擇第二開關電晶體1 6，則第二電感器丨8、第二二極體2 〇、 與平滑電容器21係構成此提升電壓之直流-直流轉換器 1 2。此即依據輸入電壓v丨η之位準，使兩種直流-直流轉換 器其中之一係被開關所操作。 第3圖顯示上述之二次電池單元其輸入電壓Vin與輸出 電壓Vout經過一段時間之變化圖；在此圖形中，輸出電壓 Vout具有一固定值，且二次電池係與於由雙層電容器丨丨與 直流-直流轉換器12之結合構築等效。另一方面，輸入電 壓Vin係逐漸降低，而於本實施例中之二次電池單元，當 輸入電壓係較上述開關電壓Va高，則使用一具較高電感值 之電感器；當輸入電壓係較上述開關電壓Va低，電感器開 關則換成具較低電感值之電感器，其原因如下：。 ‘電流I流過一具電感值L之電敢器所儲存之電磁能以 下列之等式（1 )表示： P = 1 /2 · LI2 ⑴ 當一直流電壓V加入電感器一段時間t流過此電感器之 電流以下列之等式表示： I = t · V/L ( 2 ) 將第（2)式代換入第（1)式可得到下列之等式（3) ·· PHV2L (3) 此即健存於電感器之電磁能p係與加入之電壓V及時間七 的平方成比例。 然而’如上所述’直流〜直流轉換器丨2之開關頻率固 定，因此使時間t受到限制，且無法比一指定之值長。所

第21頁 406462 五、發明說明（19) =在此假定下’於第⑺式中之時間t係固定，假 ^成-半’儲存於電感器之電磁能p係下降，且IV =換,。12之輸出電壓v〇ut亦下降，除非電感L減少：原直 因此，在負載大變動，且幾乎無法由直流— 電路13所控制下，或者在輸入電壓…具，有轉—換器 = 依據輸入電壓…’電感器所實現之開ί 電電電路^開Λ之一個明確的例子；假設雙層電容器11被充 充電至5伏特，且經由直流—直流轉換器i 2， 1 —輸出之5伏特電壓。假設第—電成器J 得 第二蛩⑦…。 电欢窃w之電感值係較

Vi…感 之電感值大，直到雙層電容器U之輸入電壓 控制器低至事先決定之開關電壓〜，依據電感開關 開關匕=作，由第一電感器17、第-二極體19、第 法關電日日體15、平滑電容器21、與控制電路13所组 轉換川係動作，且輸出—5伏特的輸出電壓。直 定之電—壓^，當雙層電容器U之輪入電壓VU低於事先決 1電壓Va，依據電感開關控制器14的 2^盘第二二極體20、第二開關電晶體16、平 之後/、2制電路13所組成之直流—直流轉換器12係動作。 5伏特Λ層電容器11之端點電壓係、繼續地下降，且輸出一 而變Λ出電壓’直至控制電路13因輸入源電壓之無效 ’ +可動作。 輸出電壓V0ut更經回饋線23輪入至控制電路“之源端

in» 第22頁 406462 五、發明說明（20) 點Vcc ;此控制電路1 3之内部構造仫 解釋相似：當輸出電壓Vout輸 、路第14圖之 FB，在輪出請。ut與參考電控；=之回饋端點 大器109放大，且此誤差與一由三/間之誤差係被誤差放 三角波於比較器108中比較，結；2=107所產生的 例（亦即脈衝之頻寬對週期之比/ ^釗别出之工作比 壓W等於參考電壓Vref。而若值致輸出電 壓Vref，在此動作中，門關出電壓V〇Ut尚於參考電 較短，且衝輸出的接通狀態時間變得 双姐丑輸出電屢Vout較低；另一古品 ， 低於參考電壓Vref，在/叙於士 右輸出電壓^1^ 狀離蚌H nl 作 開關脈衝輸出的接通 較長，且輸出電壓v〇ut變高。在動作間，即 =入電壓Vin降低，則供應—提升且固定乍 =開關脈衝具有足夠的振幅，而能供應到開 ; 6。因此，這些開關電晶_與16在接通狀 :作ΪΓ且亩二會降低’且即使在低電壓下，能夠有效地 孫作直^ -直流轉換器1 2。 狀雄使二負Λ變動與輸入電壓變動可改變開關脈衝之接通 然？，$ 了穩定直流-直流轉換器之輸出電 :可變之範圍係受限制。因此’加寬直流—直流轉換 2輸入電壓範圍可能帶來負載變動範圍的受限，而加寬 w ^的負載變動範圍隨之而來亦可能遭受限。於本發明之 :次電池單元中，當輸入電壓降低至一事先決定之電壓位 早，用於直流-直流轉換器之電感器，係由電感值較大的 刀換至電感值較小的電感。這個方法能夠實現輸人電壓與 麵 第23頁 406462 五、發明說明（21) 負載變動較寬的範圍，且因此，ώ “ 以輸出-固定電壓持續-段較長線路配置可 二次電池單元尚包括用以操縱控制唆二’：：’本發明之 由較高電壓侧開始動作的情況下月^效及直流一直流轉換器 如上所述，由-較簡易的線路配置，此控 電壓vout操縱’即使輸入電壓降低。因此開關電晶 t接通狀態電阻並不增加，故可以預防直 曰曰 器的效力降、級，且雙層電容器的電荷可以使用 轉、。 第4:為方塊圖’顯示依據本發明之二次電池 ^其匕實施例其電路配置；本構造係、藉由提供本 ，返直流-直流轉換器（nyback DC_DC c〇nverter)以 :，在此構造中，經由變壓器4〇之主要線圈，其電感器 產生的脈衝係被第二線圈所引出；於第4圖中，

Vln係輸入至變壓器40之主要線圈的端 ： 控制器！4 ’並連接以形成如上述之實施例，依據電輸〜開電關 在-第Γ與第二電晶體15與16間之開關動作，此即若選 擇第一開關電晶體1 5，Μ使用變壓器4()中央之中_ &、 (jap)a，且因此提升電壓之直流_直流轉換器”的構造包 2楚此開關電晶體15、二極體41、與平滑電容器21 ; 擇第一開關電晶體1 6，則使用變壓器4〇之外部接點 在此狀態下，提升電壓之直流-直流轉換器12 的構以包括：此開關電晶體16、二極體41、與平滑電容器

Η 第24頁 21 ° 406462 發明說明（22) 在此’關於變麼器40中央之中間接點（tap)a的圏數係 小於變壓器40之外部接點（tap)b之圈數，因此，可藉由選 擇中央之中間接點（tap)a，而獲得一較高之電麼提升比 例。一接點之圈數並不相同，因此依據所選之中央接點， 在主要側之電感值亦不相同。 右選擇中央之中間接點（t a p) a，則即使輸入一大約1伏 特的低電壓V in ’仍可獲得高電壓提升比例，且因此能得 一特別輸出電壓；若選擇外部接點b，則電壓提升比例降 低，但是在此情況中’流失係較低，雖然在使用中央之中 間接點（t a p) a時能得到一較高之效率。 第5圖顯示有關一次電池單元之效率與輸入電壓間，於 第一個狀況’即較高電壓提升比例（1 : 15)，與第二個狀、 況，即較低電壓提升比例（1 : 3)的關係圖；依此圖示，在 較低電壓提升比例狀況下’可獲得較高之效率，但在較低 之輸入電壓（低於2伏特）處沒有輸出；而於較高電壓提升 比例狀況下，效率低，但即使在一低輪入電壓下單元亦可 操作。 因此，關於此圖示，若輸入電壓係高於2伏特，則希望 電壓提升比例較低；而輸入電壓係低於2伏特時，則希望 電壓提升比例較高’以在低輸入電壓下操作此二次電池單 元。結論是，儲存於雙層電容器11中之能量可以有效地使 用至極限。 同樣地，在本實施例中，輸出電壓vout係經由回饋線

第25頁 406462 五、發明說明（23) ' - ---- 23輸入至控制電路13的源端點Vcc ;利用這個方法，即使 輸入電壓下降’一提升之電壓亦提供至控制電路13，且輸 出電壓Voi^t維持—固定之位準，即使輸入一較低之輸入電 壓，仍可得到希望之開關電晶體的脈衝振幅。因此， 在接通狀態下之電阻值並不增加，且直流—直流 处县 之效率並不下降，因此儲存於雙層電容器11中之 月匕量可以有效地使用。 限定ϋ本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以 藝者，在不脫離本發明之精 當視後附之申^專利=與潤飾’因此本發明之保護範圍 τ月寻和範圍所界定者為準。

Claims (1)

1. 406462 六、申請專利範圍 1. 一種二次電池單元，用以轉換一第一電廢為一事先 決定好的第二電壓’並由輸出端輸出此第二電歷，此第一 電壓係作為雙層電容器之端電壓’而該雙層電容器係藉一 分離的充電電路事先充電至具有一決定好的電壓，該單元 包括： 複數個電感器，其具有不同之電感值，為該第一電壓 輸入處； 整流裝置，位於該複數個電感器與該輪出端之間； 複數個開關裝置，分別與該複數個電感器連接，且當 開關裝置操作時’依據該第·一電壓，每一開關裝置係使得 電流流過該相連的電感器； 開關控制裝置，依據該第一電壓之變動，用以選擇性 地操控該複數個開關裝置其中之一；及 一控制電路，用以控制上述複數個開 時間，以穩定來自輸出端之電壓而 I置間之開關 壓。 主此事先決定之第二電 2. 如申請專利範圍第丨項所述之二 當第一電壓由較高側逐漸下降，此 =池皁兀，其中， 複數個開關裝置以轉換該複數個控制裝置係控制該 的電感而至其它具有較小電感值的雷^中具有較大電感值 3. 如申請專利範圍第1項所述之二^ 此控制電路係與作為源電壓 —-人電池單元，其中， 4. 一種二次電池單元，用以1電壓一同動作。 決定好的第二電麼，並由輪出端輪出-第一電壓為一事先 此第二電壓，此第一 第27頁 406462

   電麼係作為雙層電谷器之端電壓，而該雙層電容器係辟 分離的充電電路事先充電至具有一決定好的電壓，該元 一變壓器’具有主要及次要線圈，該主要線圈具有 數個中央接點，用以改變該主要線圈之圈數，且輸'入 一電壓至該主要線圈； ·〗 第 整流裝置，位於該變壓器之該次要線圈與該輸出端點 之間； 複數個開關裝置’個別與該複數個中央接點連接，且 當該開關裝置在操作時，依據此第一電壓，每一開關裝置 係使電流流過線圈’而該線圈之圈數係藉該中央接點所決 定； 、 開關控制裝置，依據該第一電壓之變動，用以選擇性 地操控該複數個開關裝置其中之一；及 一控制電路，用以控制上述複數個開關裝置間之開關 時間’以穩定來自輸出端之電壓而至此事先決定之第二電 壓。 5. 如申請專利範圍第4項所述之二次電池單元，其中， 當第一電壓由較高側逐漸下降，此開關控制裝置係控制該 複數個開關裝置，以轉換該複數個中央接點中，具有較多 圈數之中央接點，而至其它具有較少圈數之中央接點。 6. 如申請專利範圍第4項所述之二次電池單元’其中， 此控制電路係與作為源電壓之第二電壓一同動作。

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