TW461168B - Buck and boost switched capacitor gain stage with optional shared rest stage - Google Patents

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William J Mcintyre
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Nat Semiconductor Corp
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A7 461168 ___;_______B7 _ __ : 五、發明說明（丨） 發明背景 本發明之領域 本發明係有關於用在直流對直流轉換的切換電容器陣 列，特別是關於配置成可提供降壓及升壓兩者轉換的切換 電容器陣列。 習知技術之說明 在電子電路中，當以單一電源供應器提供多個裝置能 源之用時，此操作在單一電壓源下的電源供應器必需能夠 提供複數個供應電壓給不同的裝置。在其他應用中，當一 個電子裝置需要固定電壓時，電源供應器必需能夠從不同 的電壓源提供穩壓供應電壓，如電池一般。在這兩種情形 下，使用切換電容器陣列的直流對直流轉換器爲一般用來 提供所需的供應電壓。一個切換電容器陣列一般是開關以 及配置成可提供多個增益之電容器組成的電路。一個用來 轉換開關爲'開或關的控制單元允許電容器爲配置或重配置 ，如此被選擇的電容器可充電或放電，以將輸入電壓以所 欲的增益轉換爲所欲的輸出電壓。 一種常見的切換電容器陣列爲分壓器。分壓器電路的 功能如同直流對直流轉換器，可產生較輸入或主電壓源的 値爲低或相等的輸出電壓。典型的分壓器陣列使用N個電 容器以產生不同的降壓或降壓增益（增益各1 )，其方式 係藉著配置電容器爲串聯至電壓源以使電容器充電，接著 ’配置電容器爲並聯接至負載電容器以使電容器放電。藉由 電容器交替的充電及放電，在增益範圍爲1/N的增益是 _ 4 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製
_ V, I n n '^1 n n {1 I In . fv^— - a t n n an af I n n n I— I I I n I I 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公髮） A7 B7 461168 五、發明說明（1) 可能的，亦即，1/2、1/3、.··、1/N。·即使 此種I電路具有高操作效率，仍受限於其輸出電壓限定爲輸 入電壓整除的値。 爲增加增益範圍，美國專利公告號第4，4 5 1，7 4 3號，其名稱由鈴木等定名爲 '、直流對直流電壓轉換器 〃，揭示一種使用N個電容器及一個主要電容器的分壓器 電路，此電路完全地以參考專利文獻中的方式結合之。在 鈴木的專利中，當充電週期時，此N個電容器相互並聯且 與主要電容器串聯，因此所有的電容器均被充電。接著當 放電週期時，此N個電容器相互串聯且與主要電容器並聯 ，因此所有的電容器均被放電。其結果是，可以獲得一個 分壓器，其允許的增益範圍爲N/ ( N + 1 )，.亦即，1 /2 ' 2/3 ' 3/4.....N/(N+1)。 另一種切換電容器陣列的形式爲倍壓器，可提供較輸 入源電壓爲高的輸出供應電壓。一般達成升壓或升壓增益 (增益> 1 )的方式係藉著，當充電週期時配置電容器爲 並聯至電壓源，而當放電週期時配置電容器爲串聯接至負 載電容器。熟知本技術者知道’此種倍壓器如同上述討論 的分壓器一般，其增益受限於增益範圍N，亦即，整數倍 的增益2、3.....N° 一·種能夠提供非整數倍增益的倍壓器同樣的爲鈴木等 的專利所揭示，且以上述參考專利文獻中的方式結合之。 在鈴木的專利中，使用N個輔助電容器及一個主要電容器 。當充電週期時，此N個輔助電容器相互串聯且與主要電 . 5 1本紙張尺度適國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注咅？事項再填寫本頁) e衣
訂-----------線— X 經濟部智慧財產局員H.消費合作社印製
A7 B7 容器及電池並聯，以使N個輔助電容器及一個主要電容器 充電。當放電週期時，此N個輔助電容器相互並聯且與主 要電容器串聯’以放電至負載電容器。其結果是，可以獲 得一個倍壓器，其允許的增益範圔爲（N + 1 ) /N，亦 即，2、3/2、4/3.....(N+l)/N。 雖然能獲得非整數倍的分壓器或倍壓器，上述切換電 容器陣列不能提供降壓及升壓兩者的轉換，此爲增加電類 供應器之方便性與效能表現的需求。舉例來說，可能需要 不同的輸出電壓或是較寬的輸入電壓操作範圍。在此種情 況下，僅能降壓的轉換器在輸入電壓小於所欲的輸出電壓 時將無法提供所需的電源，而如果輸入電壓大於所欲的輸 出電壓時，僅能升壓的轉換器效率將會降低。 在鈴木的專利中，如上所述的結合方式，〜個獨立的 非整數分壓器電路及一個獨立的非整數倍壓器電路用在直 流對直流轉換器中以提供升壓及降壓轉換，而每一個電路 的操作皆與另一個獨立。然而’需要獨立的升壓及降壓陣 列的需求增加了直流對直流轉換器的體積。另〜種降壓及 升壓轉換器爲美國專利公告號第5， 414， 614號所 揭示，由F e t t e等命名爲、動態配置切換電容電源供 應器及其方法〃，此轉換器完全地以此處的參考專利文獻 中的方式結合之。與鈴木不同的是，F e t t e的切換電 容器陣列各自能夠提供整數的分壓或整數的倍壓，當各自 操作的陣列聯合時即能提供非整數倍的降壓或升壓轉換。 然而，與玲木的類似’ F e t t e需要兩個獨立的切換電 6
(靖先閱讀背面<攻意事項再填寫本胃VW 1¾--------訂----------線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐 A7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 6 116 8 ____B7____ 五、發明說明（★) 容器陣列以實現此種轉換器。 因此’能夠配置成降壓及升壓兩種之用的一個切換電 容器陣列是必要的，其結果爲體積較小且較不複雜的電源 轉換器。 發明槪要 本發明提供一種轉換直流對直流電壓之用的結構及方 法，使用一個單一切換電容器陣列即可允許降壓及升壓兩 種轉換。在一個單一切換電容器陣列中，開關及電容器以 允許電容器不同的結合以提供降壓及升壓配置'的方式連接 。此切換電容器陣列包括複數個增益區塊，每個增益區塊 具有一個電容器及複數個開關。在某些實施例中，每個增 益區塊都是相同的，因此任意數量的區塊能夠A堆積〃或 是連接在一起以形成模組化切換電容器陣列以增加增益範 圍。在其他實施例中，僅有中間增益區塊是一樣的，可降 低模塊性。然而，在這些實施例中，開關的數量亦被降低 ，因此減少陣列的體積及成本。 本發明的某些實施例提供一個可作爲降壓及升壓兩者 轉換之用的單一切換電容器陣列，亦能夠配置成共享或是 共同休息狀態。共享休息狀態允許增益設定直接在兩個增 益範圍切換，因爲兩個增益區域共享一個共同狀態而不管 增益是在哪個區域內。其結果是，正確的電荷總是在所欲 的增益轉換。若無共享休息狀態，切換電容器陣列將首先 切換至到兩個增益區域共同的一個增益上，接著切換至新 區域中的所欲增益。因此，藉著共享休息狀態可改善陣列 . 7 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -----
一aJ n _1 I n n ϋ I n u n n n I I n n n I n X n n I 本紙張尺度適用中國國家標单（CNS)A4規格（210 X 297公釐） r 4 6 11 6 8 A7 B7 五、發明說明（t) 的轉換效率。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 參考下列配合附圖的詳細說明將能夠輕易地更完全瞭 解本發明。 圖示簡單說明 圖1係根據本發明的一個實施例之N個電容器切換陣 列的範圍圖； 圖2係圖1中陣列當N二3時的範圍圖； 圖2A及2B顯示圖2中爲獲得3/2倍增益的陣列 之結構； 圖2 C及2 D顯示圖2中爲獲得2/3倍增益的陣列 之結構； 圖3係根據本發明的另一個實施例之具有共享休息狀 態的N個電容器切換陣列的範圍圖； 圖4 A至4 D顯示爲從4/3倍切換至3/4倍增益 之電容器結構； 圖5係圖3中陣列當N=3時的範圍圖； 圖5 A至5 D顯示根據圖5的陣列爲從4/ 3倍切換 至3/4倍增益之電容器結構； 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制取 圖6 A至6 E顯示增益設定分別爲2/3、3/2、 1/2、2及1之電容器結構；以及 圖7係根據本發明的另一個賓施例之N個電容器切換 陣列的範圍圖。 應注意，在不同的圖中使用相同的參考圖號以標示相 同或類似的元件。 , 8 本紙張尺度滷用中國國家標準（CNS)A4規格(幻〇 x 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 461168 B； 五、發明說明（G) 較佳實施例之詳細說明 根據本發明，提供一種允許降壓及升壓兩種轉換的單 一切換電容器陣列之結構及製程。配置電容器及開關，以 使所欲的電容器能和輸入電壓源或輸出端串聯或並聯。在 其他實施例中，此切換電容器陣列結合共享休息狀態，亦 即，此電容器共享一個作爲降壓及升壓兩種轉換之用的共 同配置狀態。其結果是，不同增益的電容重配置總是在所 欲的增益提供正確的電荷轉換量。再者，陣列的模組化外 觀允許額外的電容器及開關輕易的加入以增加可能增益的 範圍。 圖1顯示根據本發明的一個切換電容器陣列10的一 個實施例。陣列10由N個增益區塊1 5所組成，每個增 益區塊1 5具有一個電容器及五個開關。因此，陣列10 總共使用N個電容器C!、C2、· · ·、CN及N組的五個 開關S Wi、S W2.....S W5。接下來所描述的實施 例的N個電容器具有相同或大致相同（亦即，在一個數量 級內）的電容値。然而，電容質並不需要相同。每個增益 區塊1 5包括一個電容器C，此電容器C具有一板以第一 開關S Wi連接至輸入電壓V i且以第二開關S W2連接至 輸出電壓V。，另一板以第三開關S W3連接至V ;且以第 四開關S W 4連接至V。，以及以第五開關S W 5連接至下 一個增益區塊。最後一個增益區塊的第五開關則接地。 應注意到，每個增益區塊1 5均和其他增益區塊完全 一樣，因此陣列1 0爲具有共同輸入V i及輸出V。,的模組 ' 9 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) •I I I ^ 一6J· I I I I I I I 1νΎ I I I I ^ — — — — — ^ I I I I ^ — — — — — — f 46 彳 1 6 8 A7 __；_ E7 _ 五、發明說明（7 ) 。因爲模組化的特性，藉由連接所欲數量的增益區塊即能 簡單的形成任意大小的電容器陣列。陣列,1 〇的開關及電 容器配置允許輸入電壓Vt降壓及升壓兩種轉換，因爲電容 夂器串聯及並聯兩種連接法均能形成。藉由選擇性的開啓或 關閉開關以形成交替性的串聯及並聯配置，切換電容器陣 列1 0能提供在增益區域N / (N+1)，1及（N+1 )/ N內的增益。舉例來說，對N = 3’的電容器陣列，可 能的增益如下面表1所示。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 表1 增益區域 增益（當N=3) NX(Ν+1) 1/2，2/3，3/4 1 1 (N+1)/N 2 - 3/2 - 4/3 1.1--------訂： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 圖二顯示一個三電容,器陣列2 0，陣列2 0具有三個 電容器Ci、c2及c3與十五個開關3评1至3界15以形成 三個增益區塊。對在增益區域N/(N+1)(亦即，1 /2、2/3及3/4)內的增益而言，在第一相位時K 個電容器（其中K= 1至N)從Vi並聯接至V。，接著在 第二相位時從V。串聯接地，或相反的，在第一相位時K個 電容器從^ i串聯接地，接著在第二相位時從v i並聯接至 V。。對增益爲1時而言.，在第一相位時κ個電容器從V i 並聯接至V。，接著在第二相位時從V。並聯接至V i。對 在增益區域（N +1 ) /N (亦即，2/1、3/2及4 /3 )內的增益而言，在第一相位時K個電容器從V ;串聯 .* 10 ΰέ適用中國^家標準（CNS)A4規格（210 X 297公爱) ' •線 I Γν.------------------------- A7 經濟部智慧財產局員工消費合作杜印製 461168 ___ B7 ____ 五、發明說明（〖） 接地，接著在第一相位時從V。並聯接至V. i。 舉例來說，爲達成3/2倍的增益（在增益區域（N + 1 ) / N內），首先關上開關S W6、S Wu及S W15 ，得到如圖2 A所示的串聯連接。在第一相位時，電容器 C 2及C 3以輸入電壓V i充電，因此分別跨於電容器C 2及 <：3上的電壓¥。2及¥。3等於1/2*乂1，亦即， V 〇2 = V 〇 3 = 1 / 2 * V i (1) 在下一相位時，關上開關S W7、SW8、sw12&s w13，因此電容器（：2及（：3爲並聯且形成如圖2 B的電路 。其相對應的電壓關係如下
I V。 一 Vi = V c 2 = V C 3 ( 2 ) 結合等式（1 )及（2 )的結果爲 V 〇 = V i + l/2*V"i.= 因此，達成所欲的3/2倍增益。 爲獲得相反的增益’亦即，2/3倍（在增益區域N /(，+1)內），首先藉由關上開關3界6、3'\^9、3 Wi i及S Wi 4，以形成如圖2 C所示的電路對同樣的電容 器C 2及C 3並聯充電。跨於電容器C 2及C 3上的電壓爲
Vc2 = V c 3 = V i — V〇 (3) 接著關上開關sw7、SW1Q&SW15B成如圖2D 所示的串聯電路以對電容器C 2及C 3放電。因此，跨於電 容器C2及C3上的電壓爲
Vc2 = V c 3 = l/2*V〇 (4) 結合等式（3 )及（4 )的結果爲 . * 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)
A7 B7 461168 五、發明說明（7 )
Vi ~ V〇 = 1 2^V〇=> V〇 = 2/3 ^Vΐ ° 因此，獲得2/3倍的增益。藉由開啓及關閉選擇的 開關，以圖2的三個電容器陣列也可能得到其他增益如1 /2、3/4、1、4/3及2倍。因此，圖2之三電容 器陣列2 0，及較一般性的圖1之N電容器陣列1 0能被 配置成降壓及升壓兩種轉換。 圖3顯示本發明之另一個實施例，如下所述其中切換 電容器陣列3 0能被配置成具有共享或是共同休息狀態可 改善效率且減少漣波。在切換電容器陣列中，在第一相位 時，電容器一般配置爲所欲的增益設定，而在第二相位時 回到放電狀態。降壓及升壓轉換的放電狀態不同。因此， 當升壓及降壓之間或是降壓及升壓之間轉換時，亦即，在v 不同增益區域之間轉換增益時，電荷會轉換到非所欲的增 益倍數。共享休息狀態允許電容器爲共同的配置，因此電 荷總是能轉換到所欲的增益倍數。不具共享休息狀態的缺 點可使用圖2之三電容器切換陣列2 0作爲一個範例說明 之。圖4A — 4 D顯示增益從4/3 (增益區域（N+1 )/N )至3/4 (增益區域N/ ( N + 1 ))充電時的 電容器配置。圖4 A及4 B顯示爲獲得4/3倍增益時的 電容器配置。在第一相位時，如圖4 A所示，跨在三個電 容器上電壓爲
Vcl = Vc2 = Vc3 = 1/3 氺 Vi (5) 在次一個相位放電狀態時，如圖4 B所示，電壓表示 式爲 ， ‘ 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（2】0 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) ----訂---------線—， 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 6 1 1 6 8 A7 ___B7_ 五、發明說明（) V。一 Vi 二 Vcl = V c2 = V c3 (6) 結合等式（5 )及（6 )的結果爲 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) V〇 = V , + 1 / 3 * V i = 4 / 3 * V i 以得到4/3倍增益。 接著，從圖4 B的4/3倍增益切換至3/4倍增益 ，接著電容器配置如圖4 C或圖4 D。在此兩者任一的配 置下，每個電容器Ci、C2及C3 (.在充電增益前）上的 電壓約爲1/3 * V i，如等式（5 )所示。如果此陣列配 置如圖4 C，跨於每個電容器上的電壓變爲
Vci — V〇2 = V〇3 ― 1/3 氺V〇 (7) 結合等式（7 )及（5 )顯示V。約等於V i，提供一 個約等於1的增益，較所欲之3/4倍的增益爲高。其結 果是，輸出將較所欲電壓高且將降低效率。 如果此陣列配置如圖4D，此電壓表示式爲
Vi — V。= Vcl = Vc2 = Vc3 (8) 接著，結合等式（8 )及（5 )的結果爲 Ί — V〇 = l/3*Vi 1 V。= 2/3*Vi 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 以得到2/3倍的增益，在此例中係較所欲的增益3 /4倍爲低。因此，實際的輸出將較所欲値爲低，而且效 率再一次的降低。 當增益倍數在不同增益區域轉換時，爲確保電荷在所 欲之增益倍數轉換以藉此確保爲所欲之增益，在兩增益區 域之間轉換時，電容器電壓應保持不變。如果在電容器配 置成爲所欲的增益前首先將電容器陣列配置到兩增益區域 ‘ 13 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 4 6 11 6 8 A7 B7 五、發明說明（（I ) 共同有的增益，亦即，電容器在轉換至所欲的增益前先充 電至一個不同的媒介電壓即可達成此點目的。 舉例而言，在圖2之陣列2 0中，1倍的增益爲增益 區域N / ( N + 1 )及（N + 1 ) /N兩者所共有。對增 益N / ( N + 1 )及1倍而言，當K個電容器從V i並聯接 至V。時爲共同的相位狀態，對增益（N+ 1 ) /N及1倍 而言，當K個電容器從V。並聯接至乂 i時爲共同的相位狀 態。因此，在切換至另一個增益區域內所欲的增益之前， 亦即，在N / ( N + 1 )及（N + 1 ) /N或反方向的轉 換時，首先藉由將電容器充電至1倍增益可使罨:荷轉換至 所欲的增益。然而，藉著將電容器充電至不同電壓的方法 ，效率如同重配置以獲得所欲增益之方法一樣的降低。 圖3所示之切換電容器陣列3 0包括N個增益區塊3 .外. 5，其中每個增益區塊3 5.具有一個電容器及七個開關。 因此，陣列3 0共使用N個電容器(^、C2.....Cn 及N組的七個開關S Wi、S W2、· · ·、S W7，N個電 容器每個具有相同的電容値，雖然此點並非必要的。每個 增益區塊3 5包括一個電容器C，此電容器C具有一板以 第一開關S贾1連接至輸入電壓V i，以第二開關S W2連 接至前一級增益區塊，以第三開關SW3接地，且以第四開 關S巩4連接至輸出電壓V。；並且具有另一板以第五開關 S W5連接至V i，以第六開關S W6接地，且以第七開關 S W7連接至V。。 應注意到，如同陣列1 0的增益區塊1 5，每個增益 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 厂衣---------訂---------線—, 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 461168 五、發明說明（I l) 區塊3 5均和其他增益區塊完全一樣，因此陣列3 0.爲具 有共同輸入V i及輸出V。的模組。同樣的，藉由連接所欲 數量的增益區塊即能簡單的形成任意大小的電容器陣列。 除了降壓及升壓兩種轉換外，陣列3 0的開關及電容器配 置允許在增益區域之間的共同休息狀態。切換陣列3 0能 提供在1/(N+1) 、1/N、N/(N+1) 、1、 (N + 1 ) /N、N及（N + 1 )增益區域內的增益。舉 例來說，對一個N = 3的電容器陣列而言，可能的增益如 下面表2所示。 表2 增益區域 增益（當N=3) 1/(N+1) 1/2，1/3，1/4 1/N 1 1 1/2 > 1/3 N/(N+1) 1/2，2/3，3/4 1 1 (N+1)/N 2 > 3/2 > 4/3 N 1，2，3 (N+1) 2，3，4 圖5顯示一個三電容器陣列5 0。陣列5 0具有三個 電容器C!、C2及C3以及廿一個SW!至SW21W形成三 個如圖3之陣列的增益區塊。除了陣列1 〇及2 0之增益 區域及配置外，陣列3 0及5 0配置爲在增益區域1/ ( N+l)、1/N、N及（N+1)內的增益倍數。 對在增益區域1/ ( N + 1 )(亦即，1/2、1/ 3及1/4倍）內之增益倍數而言，在第一相位時K個電 容器（其中K = 1至3 )從V。並聯接地，接著在第二相位 . 15 ^紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 ----訂---------線----------------------- A7 461168 ________B7____ 五、發明說明（Ο ) 時從V.i串聯接至V。。對在增益區域1 / N (亦即，.1、 1/2及1/3倍）內之增益倍數而言，在第一相位時K 個電容器從V。並聯接地，接著在第二相位時從乂 i串聯接 地。應注意到，用在區域1/N之增益配置亦能用來近似 在區域1/( N + 1 )之增益，特別是當K變得較大時。 對在增益區域N (亦即，1、2及3倍）內之增益倍數而 言，在第一相位時K個電容器從V 1並聯接地，接著在第二 相位時從V。串聯接地。最後，對在增益區域（N + 1 )( 亦即，2、3及4倍）內之增益倍數而言，在第一相位時 K個電容器從V i並聯接地，接著在第二相位時從V。串聯 接至V i 〇 除了有更多的增益區域外，圖3之切換電容器陣列3 0亦能配置成在增益區域N (N+ 1 )、1及（N+ 1 ) /N之間的共享休息狀態。藉由連接所有的N個電容器從 並聯V。至V i能獲得這些增益區域的共同或共享休息狀態 。因此，陣列3 0允許所欲之增益在區域N (N + 1 )、 1及（N + 1 ) /N之間變換，無需電荷在較所欲增益爲 高或爲低的增益轉換或是無需額外的電容器配置。 圖5 A至5 D說明使用如圖5之陣列5 0的共享休息 狀態以改變增益從4/3至3/4的電容器配置。增益4 /3倍之第一及第二相位分別顯示在圖5 A及5 B，如圖 4 A及4 B所示一般。關上開關SWi、SW9、3界16及 5 W2〇能獲得圖5 A之充電狀態，當關上開關S W4、S Ws、SWh、SW12.、sw18&sw1eg獲得零荷轉移 ‘ 16 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 --III----^ « — — — — — — I— I /Ivr I I I 1 I I--— — — — — — — — It —____ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 61168 a7 _____^__B7_____ 五、發明說明（/^) 時圖5 B之放電狀態。 然而，因共享休息狀態之故，轉換至3/4倍增益之 充電狀態與圖4 D所示之狀態有所不同。因此，關上開關 S W3、S W9、S W16：^S界21能獲得圖5 C所示之增益 3/4倍的充電狀態。所得到的電壓表示式爲
Vcl — V c2 = V c3 = 一1/3 氺 V。 （9) 藉著再一次的關上開關SW4、SW5、SWn、SW 12、sw18&sw19，接著切換電容器回到如圖5 D所示 之共享休息狀態。因爲此狀態與圖5 B之電路的狀態相同 ，故與圖4 B之電路的狀態相同，其電壓表示式亦相同， 如下所示：
Vo — Vi = Vcl = Vc2 = Vc3 (6) 結合等式（9 )及（6 )，其結果爲 V〇 — Vi — 一 1 /3 木Vo 3 V〇 = 3/4*Vi 達成所欲之3/4倍增益。 因爲無論增益爲何，圖5 B及5 D所示之狀態係完全 相同，適當的電荷總是能在所欲的增益轉換。在共享休息 狀態中，所有的電容器並聯從V i.接至V。，而當想要一個 不同之增益時，在共享休息狀態之電容器重新配置成充電 狀態之用的適當串聯配置。除了上述的3/4及4/3倍 增益外，使用如圖5所示之陣列5 0分別配合對應的圖6 A至6 E所示之電容器配置，共享休息狀態亦可能有2/ 3、3/2、1/2、2及1倍之增益。表3給予欲關閉 的適當開關以獲得所欲之增益。 ， ' 17 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
- I I I I I I I ^ · I I I I — !------ Α7 ί 4 6 1 1 6 8 _Β7 五、發明說明（ί5 ) 表3 增益 關閉之開關 · 1/2 SW4 ' SWlO ' SWl4 ' SWl8 2/3 SW4 ' SW5 - SWlO ' SWl6 ' SW21 3/4 SW3 ' SWg - SWi6^SW2i 1 SW4，SW5，SWn，SW12，SW!5，sw21 4/3 SWi ' SWg ' SWieSSWzo 3/2 SWi ' SWg - SWis ' SW18 ' SW19 2 SW4，SW5，SW8，SW13，sw15，SW2〇 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 因此，一般而言，對圖3之N電容器陣列30而言， 當所有的N個電容器從輸出端並聯至輸入端時，能獲得共 享休息狀態而與所欲之增益無關。熟知本技術者所知道的 切換控制電路送出適當的信號以打開或關上開關。當雙相 位非重疊時脈用於信號控制電路之時脈時，切換電容器陣 列在共享休息狀態及充電狀態之間交替。當所欲的電容器 串聯接至提供所欲之增益設定時能獲得充電狀態。當增益 設定小於或等於1時，在充電狀態及共享休息狀態兩者時 發生電荷轉換至輸出端，而當增益設定大於1時，在電容 器回到共享休息狀態時發生電荷轉換。因此，擁有共享休 息狀態及模組化區塊的圖3之切換電春器陣列3 0，提供 一個無需在非所欲增益間發生電荷轉換之簡單的降壓及升 壓轉換電路。 本發明的另一個實施例如圖7所示，以共享休息狀態 減少切換電容器陣列之開關的數量。一個N電容器切換陣 列7 0包括一個第一增益區塊7 1，N- 2個中間增益區 塊7 2及一個終端增益區塊7 3。第一增益區塊7 1具有 18 L度適用中國國家標準(CNS)A4現格（210 X 297公釐） ： 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 461168 五、發明說明（丨G) 一個電容器及四個開關，每個中間增益區塊7 2具有一個 電容器及五個開關，而終端增益區塊7 3具有一個電容器 及六個開關。因此，若與圖3之每個增益區塊具有七個開 關的切換電容器陣列3 0比較，隨著增益區塊數量的增加 ，開關的減少量亦隨之增加。然而，因開關較少，電容器 陣列7 0無法配置出如圖3之陣列3 0 —般多的增益倍數 。其中陣列3 0能配置在區域1/(N+1)、1/N、 N / (N+l) 、.l、（N+1)/N、N及 N+1 內之 增益倍數，而陣列7 0僅能配置在區域N/ (N + 1 )、 1及（N + 1 ) /N內之增益倍數。 在陣列7 0中，第一增益區塊7 1包括一個電容器C ，此電容器C具有一板以開關SWi連接至輸入電壓v.i， 以開關s W2連接至V。，且以開關s w3接地；並且具有 另一板以開關SW4連接至V i。每個中間增益區塊7 2包 括一個電容器C，此電容器C具有一板以開關s w5連接至 前一級增益區塊，以開關S W6接地，且以開關s W?連接 至V。；並且具有另一板以開關SW8連接至Vi，且以開 關SW9接地。終端增益區塊7 3包括一個電容器C，此電 容器C具有一板以開關S W 1 〇連接至輸入電壓v i，以開 關SWii連接至輸出電壓V。，且以開關SW12連接至最 後一個中間增益區塊；並且具有另一板以開關s Wi 3連接 至V i，以開關S Wi 4連接至V。，且以開關s Wi 5接地。 如圖3之電容器陣列3 0，陣列7 0能藉著連接所有 電容器從輸出端並聯至輸入端以獲得共享休息狀態。因此 • 19 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ' --- -----------I · I I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂.i 線. 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（q) ，對共享休息狀態而言，開關S w2、S W4、S Wr、S W8、3，11及3界13爲關閉的。當需要不同的增益時， Λ 在共享休息狀態之電容器會重新配置成爲對充電狀態而言 爲適當的串聯配置。舉例來說，如果圖7之陣列7 0係一 個3電容器陣列（Ν=3)，藉由關上如表4所示之適當 之開關，可能得到1/2、2/3、3/4、1、4/3 、3/2及2之增益倍數。 表4 增益 關閉之開關 1/2 SW2 SWe > SWll > SWl2 2/3 SW2 SW4， SWe - SWl2 ' SWl4 3/4 SW3 SWs > SWl2 ，SWm 1 SW2 sw4， SW7 > SWe > SWio - SWi4 4/3 SWi sw5， SWl2 > SWl5 3/2 SWi SW5， SW9， SWll ' SWl3 2 sw2 SW4， SWs > SW9 ' SWio * SWis 當所欲之增益僅在區域N/ (Ν + 1 )、1及（Ν + 1 ) /Ν內時，可使用切換電容器陣列7 0代替切換電容 器陣列3 0以減少開關的數量。 上述本發明之實施例僅供說明之用而非限制這些實施 例。非常明顯地，熟知本技術者將能做出許多不偏離本發 明廣義範圍之改變及修正。因此，附加的申請專利範圍包 括所有此種落在本發明之實際精神及範疇中的改變及修正 20 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)
----訂-----I
線人V

Claims (1)

  1. 4 6彳彳S 8 A8 B8 C8 D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 1 .一種提供降壓及升壓轉換之用之切換電容器陣列 ，其包含： N個電容器及複數個開關，該複數個開關連接以允許 該N個電容器之被選擇出之電容器配置成提供降壓及升壓 兩種轉換。 2 .如申請專利範圍第1項之陣列，其中，該N個電 容器及該複數個開關形成N個增益區塊，每個該之N個增 益區塊包括該N個電容器其中之一個。 3 .如申請專利範圍第2項之陣列，其中，每個上述 之N個增益區塊皆爲完全相同。 4 .如申請專利範圍第3項之陣列，其中上述N個電 容器及上述複數個開關連接以允許在增益區域N/(N+ 1 )、1及（N + 1 ) /N內之增益。 5 .如申請專利範圍第3項之陣列，其中，每個上述 之N個增益區塊包括： 一個第一開關，其連接電容器之第一板至輸入端； —個第二開關，其連接上述第一板至輸出端； 一個第三開關，其連接上述電容器之第二板至上述輸 入端; 一個第四開關，其連接上述第二板至輸出端；以及 一個第五開關，其連接上述第二板至次一級增益區塊 ，其中最後一個增益區塊之上述第五開關將上述最後一個 增益區塊之上述電容器之上述第二板接地。 6 .如申請專利範圍第1項之陣列，其中，上述N個 _ ___\___ 本紙張尺度適用中國國家榡準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注項再填寫本頁.) 訂 A 4 6 Π 6 8 A8 B8 C8 D8 經濟部中央標率局貝工消費合作社印製 六、申請專利範圍 電容器及上述複數個開關連接，以允許在增益區域間之共 享休息狀態。 7 .如申請專利範圍第6項之陣列，其中，上述N個 電容器及上述複數個開關形成N個增益區塊，每個上述之 N個增益區塊包含上述N個電容器其中之一個。 8 .如申請專利範圍第7項之陣列，其中，每個上述 之N個增益區塊皆爲完全相同。 9 .如申請專利範圍第7項之陣列，其中，上述N個 電容器及上述複數個開關連接以允許在增益區域1/(N +1) 、1/N、N/(N+1) 、1、（N+1)/N 、(N + 1 )內之增益。 1 0 .如申請專利範圍第6項之陣列，其中，上述N 個電容器從輸出端並聯連接至輸入端以形成上述共享休息 狀態。 1 1 .如申請專利範圍第1 0項之陣列，其中，上述 共享休息狀態爲增益區域N / ( N + 1 )、1及（N + 1 )/N內之增益所用。 1 2 .如申請專利範圍第8項之陣列，其中，每個上 述之N個增益區塊包含： 一個第一開關，其連接電容器之第一板至輸入端； 一個第二開關，其連接上述第一板至前一級增益區塊 —個第三開關，其將上述第一板接地； 一個第四開關，其連接上述第一板至輸出端；， ‘ 2 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 經濟部中央襟準局員工消費合作社印製 S 11 6 8 έ88 C8 D8 六、申請專利範圍 一個第五開關，其連接上述電容器之第二板至上述輸 入端； * 一個第六開關，其將上述第二板接地；以及 一個第七開關，其連接上述第二板至上述輸出端。 1 3 .如申請專利範圍第1 1項之陣列，其中，上述 N個電容器及上述複數個開關形成一個第一增益區塊，N - 2個中間增益區塊及一個終端增益區塊，其中，每個增 益區塊包含上述N個電容器其中之一個。 1 4 .如申請專利範圍第1 3項之陣列，其中，每個 上述之N— 2個中間增益區塊皆爲完全相同。 1 5 .如申請專利範圍第1 3項之陣列，其中，每個 上述第一增益區塊包含： 一個第一開關，其連接第一電容器之第一板至輸入端 一個第二開關，其連接上述第一電容器之上述第一板 至輸出端； 一個第三開關，其將上述第一電容器之上述第一板接 地；以及 一個第四開關，其連接上述第一電容器之第二板至上 述輸入端； 其中，每個上述中間增益區塊包含： 一個第五開關，其連接中間電容器之第一板至前一級 增益區塊； 一個第六開關，其將上述中間電容器之上述第一板接 3 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) A4規格（210 X 297公釐） 461 16 8 A8 B8 C8 D8 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 六、申請專利範圍 地；， 一個第七開關，其連接上述中間電容器之上述第一板 至上述輸出端； 一個第八開關，其連接上述中間電容器之第二板至上 述輸入端；以及 一個第九開關，其將上述中間電容器之上述第二板接 地； 其中，上述終端增益區塊包含： 一個第十開闋，其連接終端電容器之第一板至上述輸 入端； 一個第十一開關，其連接上述終端電容器之上述第一 板至上述輸出端； 一個第十二開關，其連接上述終端電容器之上述第一 板至最後一個上述中間增益區塊； 一個第十三開關，其連接上述終端電容器之第二板至 上述輸入端； 一個第十四開關，其連接上述終端電容器之上述第二 板至上述輸出端；以及 一個第十五開關，其將上述終端電容器之上述第二板 接地。 1 6 .如申請專利範圍第1項之陣列，其中，每個上 述N個電容器之電容値皆相等。 17.—種使用N個電容器及複數個開關之陣列以提 供降壓及升壓轉換之方法，該方法包含： ， __4_ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A 8 B8 C8 D8 46 t 1 6 8 六、申請專利範圍 配置上述N個電容器之第一組電容器，以對電容器之 上述第一組電容器充電； (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 配置N個電容器之上述第一組電容器，以對電容器之 上述第一組電容器放電以提供在第一增益區域內之第一增 益倍數； 配置上述N個電容器之第二組電容器，以對電容器之 上述第二組電容器充電；以及 配置N個電容器之上述第二組電容器，以對電容器之 上述第二組電容器放電，以提供在第二增益區域內之第二 增益倍數，其中，上述第一及第二增益區域係不相同的。 1 8 .如申請專利範圍第1 7項之方法，其中，上述 第一增益倍數爲升壓轉換之用，而上述第二增益倍數爲降 壓轉換之用。 1 9 .如申請專利範圍第1 7項之方法，更包含配置 電容器之第三組電容器，以提供在上述第二增益倍數上述 配置之前的第三增益倍數，其中，上述第三增益倍數與第 一及第二增益倍數爲共同之增益區域。 經濟部中央標準局舅工消費合作社印製 20.—種使用N個電容器及複數個開關之陣列以提 供降壓及升壓轉換之方法，該方法包含： 配置上述N個電容器之第一組電容器，以提供在第一 增益區域內之第一增益倍數； 配置上述N個電容器，以形成共享休息狀態；以及 配置上述N個電容器之第二組電容器，以提供在第二 增益區域內之第二增益倍數，其中，上述第一及箄二增益 本紙張尺度逋用中國國家標準（CNS ) Μ規格（210X297公釐） 4 6 1 1 6 8 ABCD 六、申請專利範圍 區域係不相同的。 2 1 .如申請專利範圍第2 0項之方法，其中，上述 第一增益倍數爲升壓轉換之用，而上述第二增益倍數爲降 壓轉換之用。 2 2 .如申請專利範圍第2 0項之方法，其中，上述 配置上述N個電容器以形成共享休息狀態包含連接上述N 個電容器從輸出端並聯至輸入端。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 6 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（210X297公釐）
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