TW533667B - Multiple output dynamically regulated charge pump power converter - Google Patents

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533667 A7 B7 五、發明説明（1 ) 發明領域 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 本發明係關於D C / D C電源控制器，特別有關於用 於整合電力管理系統之調節的充電泵電源轉換器。 北曰 冃牙、 電子技術之進步已能以有效成本製造可攜式電子裝置 。因此，可攜式電子裝置之用途於可利用的產品數目及產 品型態上均繼續增加。可攜式電子裝置之寬廣頻譜包含呼 叫器、行動電話、音樂播放器、計算機、膝上型電腦、及 個人數位助理、等等。 經濟部智慈財產局資工消費合作社印製 可攜式電子裝置中的電子構件通常要求直流（D C ) 電力。典型上，使用一或更多電池作爲能源以提供此D C 電力。理想地，能源較佳地與可攜式電子裝置的能量需求 完美地匹配。但是，最常見的是來自電池之電壓及電流不 適於直接供電給可攜式電子裝置之電子構件。舉例而言， 來自電池的電壓位準與裝置所需的電壓位準不同。此外， 電子構件的某些部份會以不同於其它部份之電壓位準操作 ，需要不同的能源電壓位準。而且，電池無法快速地回應 電流需求中的快速波動。 可攜式電子裝置10之典型配置顯示於圖1中，其包 含諸如一或更多電池等能源1 2、及諸如需要電力之電子 構件等負載裝置1 4。可執行一些功能之電源應器1 6插 入於能源1 2與負載裝置1 4之間。舉例而言，以整合於 電源供應器1 6中之方式顯示之電源供應器1 6對來自能 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -4 - 533667 A7 五、發明説明（2 源1 2之電力提供需要的改變，以使其適於負載裝置丄4 ϋϋ. yi ml tMmmtat tm ml* ml mim in (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 電源供應器1 6也可執行電源轉換以外的其它功能。 舉例而言’爲了保護能源1 2、負載裝置1 4及/或電源 轉換器免於局電流之損傷，將需要使能源1 2與可攜式電 子裝置1 0的其它部份斷接。就另一實施例而言，電源轉 換器2 0會於啓動期間要求輔助。 關於所需的電源轉換型式，電源轉換器2 〇會使電壓 「步升」（亦即推升）或「步降」。亦即，轉換器20可 相對於來自能源1 2之輸入電壓V s ,增加或減少提供給負 載裝置1 4之輸出電壓Vqut。電源轉換器2 0也可儲存 能量以滿足能源1 2無法提供之瞬間凸波或或負載裝置 1 4增加的需求。 經濟部智慈財產¾¾工消費合作社印製 電源轉換器也可調節輸出電壓V。u t，使其保持接近 所需的輸出電壓位準並減少快速波動，快速波動會造成有 害的雜訊或造成負載裝置1 4不需要的性能。這些波動係 因爲需求改變、外部電磁源感應的雜訊、能源1 2的特、 及/或來自電源供應器1 6中的其它元件之雜訊而產生的 雖然電源轉換器2 0提供很多優點，但是現存的電源 轉換器2 0也會對可攜式電子裝置1 〇設定一些不必要的 性能限制。將於下討論一般熟知的電源轉換器2 0之特定 屬性以及通常遇到的限制型式。 很多習知的電源轉換器2 0會對特定的能源1 2及來 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2!〇X297公釐） -5- 533667 A7 ____ B7 ' 五、發明説明（3 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁} 自負載裝置1 4之特定負載需求而最佳化。電源轉換器 2 0可能無法容納、或僅無效率地容納能源1 2的電壓及 電流特性之變化。舉例而言，某些型式的電源轉換器2〇 無法提供高於輸入電壓V、之輸出電壓V ◦ υ τ及/或其效率 與輸入電壓V s多接近所需的輸出電壓V。U Τ有關。此外， 某些電源轉換器2 0不能提供諸如0 . 5 - 1 . 0W等適 當電力位準。此外，一般習知的電源轉換器2 〇之設計僅 在狹窄範圍的輸入電壓、輸出電壓及電力容量之內操作。 此外，如同下述參考圖2所述般，某些電源轉換器 2 0僅藉由無效率的電壓調節器，取得可接收之調節輸出 JE V 0 LT T ° 經濟部智慧財/i^7M工消#合作社印製 在其它實施例中，由電源轉換器2 0執行之電壓調節 對於負載裝置1 4之需求並不適當。舉例而言，額卑輸出 電壓V。U Τ會因輸入電壓V s的變化、電源轉換器的溫度變 化或負載裝置1 4所汲取的輸出電流之變化而變化。而且 ，即使V。ϋ T爲可接受的額定輸出位準時，電源轉換器 2 0可能會以額定輸出電壓V ◦ υ τ爲中心非所需地振盪。 此電壓漣波V R t Ρ界定爲以額定輸出電壓V Q σ τ爲中心之 振盪範圍並可能損害或妨礙負載裝置1 4之適當操作。 因此，現存的電源轉換器2 0既無法視需求而有效率 地提供所需電力給負載裝置，亦無法調整至能源及負載裝 置中的變化以提供穩定的V。υ Τ。 此外，現存的電源轉換器2 0無法以低輸入電壓位準 操作，舉例而言，低於一伏特之輸入電壓V s。現有的電壓 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公董） 533667 A 7 B7 五、發明説明（4 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 轉換器2 0通常要求操作偏壓，操作偏壓典型上可與負載 裝置1 4的輸出電壓需求相比擬，通常大於一伏特。而且 ，源於外部或內部之特定數量的雜訊會疊加於輸入電壓V S 上。當輸入電壓位準V s低時，此雜訊會變得相當重要；劣 化或妨礙電源轉換器2 0的操作。 要求大於一伏特之輸入電壓意指不必要的單一電池、 或另一電源不適於作爲裝置1 0之能源1 2。舉例而言， 某些電化學電池或其它電源所供應的額定電壓可低於一伏 特，或是具有隨著其儲存的電荷降低而降低之電壓特性。 這些電池具有顯著的量，且其大部份儲存的能量可能僅可 在次一伏特位準取得。結果，可攜帶的電子裝置1 0中的 電池之服務壽命受限於裝置的能力不足而以來自電池的次 .一伏特輸入電壓V s操作。結果，電池在仍餘留有可觀的電 荷量及壽命的情形下即被丟棄。於裝置1 0中增加電池而 取得延長的服務壽命，以增加裝置1 0的尺寸及重量。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 因此，很多現在的電源轉換器不會以次一伏特輸入電 壓操作（或如同所需地操作）。此外，即使電源轉換器 2 0以次一伏特輸入電壓V s操作，通常需要較高的輸入電 壓位準（亦即超過1伏特）以啓動電源轉換器2 0。亦即 ，轉換器在啓動階段所需之輸入電壓比連續操作所需之輸 入電壓還高（舉例而言，高出0 · 4 V )。如此相當耗電 ，因此，爲了強化從能源1 2取得的能量，一旦達到最小 啓動輸入電壓時，電源轉換器2 0必須連續地操作。 對於啓動階段，外部啓動電路（諸如蕭特基二極體） 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 533667 A7 B7 五、發明説明（5 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 通常會加至現存的電源轉換器2 0 °啓動電路有助於克服 啓動時需要的額外輸入電壓並縮短電源轉換器2 0達到其 設計的輸入電壓所需的時間長度。但是，一般習知的啓動 電路通常不能以次一伏特輸入電壓操作。而且，必須使用 外部啓動電路，將使電源轉換器2 0最小化受限。此外， 即使電源轉換器不是處於啓動條件下時，外部啓動電路仍 會耗電，因而減少電源轉換器2 0的效率。 因此，現存的電源轉換器2 0通常不能以次一伏特的 輸入電壓啓動，也無法於啓動時有效率地提供大於一伏特 的輸入電壓。 經濟部智慈財產总員工消貪合作社印製 現存的電源轉換器2 0之另一缺點係它們無法有效率 地提供所需的輸出電壓給次微米的積體電路。在可攜式電 子裝置1 0中的積體電路設計朝向較低操作電壓之電路。 舉例而言，根據次微米技術（0 · 5 // m或更低）之互補 金氧半導體（CM〇S )之電流產生能力典型上提供以 3 . 0 - 3 . 3伏特操作之裝置。縮減積體電路的特徵尺 寸之投影技術發展意指進一步縮減此操作電壓，因此必須 發展提供這些降低的操作電壓之電源及電源轉換器。 舉例而言，微處理器設計的趨勢在於較低操作電壓之 電源之需求及優點。微處理器的積體電路元件之特徵尺寸 會縮減而以降低之成本增加功能。因此，一晶片可能含有 多個晶片及分離元件之電路。較小的特徵尺寸也允許微處 理器更快地執行其功能。藉由較小的特徵，可更快速地執 行數位切換。由於被切換的元件傾向於產生正比於它們被 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -8- 533667 A7 _B7____ 五、發明説明（6 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 切換的速率之熱量，所以，更濃密的封裝及更快速被切換 的元件，其散熱會限制微處理器的設計。增加的切換也意 指每一特徵可作爲射頻（R F )天線。對於相鄰特徵發出 電磁千擾（Ε Μ I )。減少微處理器的操作電壓以容納特 徵尺寸的縮減、增加的切換及散熱。然而，如上所述，特 徵所產生的熱典型上正比於操作頻率；但是，產生的熱也 與操作電壓成二次方關係，亦即，操作電壓減少一半，則 產生的熱會減少至四分之一。因此，可見典型的微處理器 之較低操作電壓之趨勢，在1900使用5V， 1995 年爲 3. 3V，在 1988，1.8 — 2. 4V，在 2 0 0 0, 1 · 2 — 2 · 4V，及往後爲IV或更低。 隨著特徵尺寸變得愈小，每一特徵之電流承載能力也 .降低。結果，較低的操作電壓會減少此電流，以致於特徵 不會故.障。 再者，特徵之間的距離會縮減，因而縮減特徵之間的 絕緣材料量。結果，較低的操作電壓避免特徵之間的薄絕 緣材料崩毀，此崩毀會造成微處理器故障。 經濟部智慧財產笱Ρ貝工消費合作社印製 因此，顯然需要能夠提供輸出電壓V ◦ υ Τ以符合更小 及更快的積體電路以及微處理器所需之較低操作電壓之電 源轉換器。特別地，電源轉換器有利於產生範圍在〇 . 8 —1 . 6 V之受調節的輸出電壓V。υ Τ。 現有的電源轉換器之另一缺點係它們不適於可攜式裝 置微小化所需之電壓位準並且不適用於嵌入式應用，即使 是諸如絕緣體上的矽（S〇I )及金屬上的矽（S〇Μ ) 本紙張尺度適用中國國家標準(CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） -9- 533667 A7 B7 五、發明説明（7 ) 等電路結構，也是一樣。在某些情形中，因爲所需的離散 外部元件之數目而無法微小化，這些離散的外部元件是無 法整合於積體電路製造中。因此，這些元件需要印刷電路 板（P C B )、混合或多晶片模組（M C Μ )設計，其中 此製造之大小及費用高於整個積體電路。 此外，一般習知的電源轉換器2 0的效率會產生熱量 ，不適於進一步微小化。 因此，現存的電源轉換器2 0無法製成積體電路，特 別是有負載裝置1 4嵌入之積體電路。 傳統的電源轉換器之另一缺點係它們會發出不需要的 電磁千擾（Ε Μ I )量，電磁千擾量必須藉由距離及/或 屏蔽負載裝置1 4而受控制。Ε Μ I係來自倂入於電源器 2 0中的電感器。當藉由使用較小的元件以縮減離散元件 的尺寸時，也需要減少能量儲存及轉換能力。因此，需要 較高的操作頻率以轉換等量的電力。但是，較高的操作頻 率也會造成有害於可攜式電子裝置1 0之EM I 。此外， 可攜式電子裝置1 0本身受限於聯邦R F發射之限制，其 可能因足夠高的操作頻率而超過此限制。 因此，也希望電源轉換器2 0應有利於產生最少的熱 量或輻射能量（Ε Μ I )至負載裝置1 4，因此適於嵌入 於相同的積體電路或模組上。 很多上述問題混合於需要多重電壓位準的裝置中。 因此，不同的現存型式之電源轉換器2 0不適於上述 一或更多缺陷並滿足工業及市場需求。如此，需要改進電 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇X297公釐） 丨 t—t-----— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、11 經濟部智慧財產苟肖工消費合作社印t -10- 533667 經濟部智慈財產苟肖工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（8 ) 源轉換器技術以克服上述多種缺陷。 發明槪沭 本發明藉由提供用於動態地受控制、實質地受調節的 電源轉換器之裝置及方法，以克服上述及其它缺點，電源 轉換器係能於負載裝置需要時有效率地轉換來自能源之電 力。 特別地，在發明的一觀點中，動態控制器操作電容電 力輸出級以便以維持橫跨負載電容器C e之輸出電壓V。υ τ 之速率，抽送電荷。更特別地，當輸出電壓掉至參 考電壓V R E F之下時，動態控制器會使飛行電容器放電至 負載電容器C L。因此，以對應於負載需求之位準操作，會 增進電源轉換器的效率。此外，輸出電壓V ◦ υ τ會實質地 受調節，以致於以維持預定電壓位準之速率傳送電荷。因 此，不需要沒效率的下游電壓調整器。 在發明的另一觀點中，電源轉換器藉由有利地倂入低 控制臨界開關於動態控制器及電容電力輸出級中，而以次 一伏特輸入電壓V s操作。 在發明的又一觀點中，電源轉換器藉由利用累進的啓 動開關而能以來自放電條件之次一伏特輸入電壓操作，累 進啓動開關係當動態控制器關閉時會充電啓動電容器。一 旦充電時，啓動電容器接著閉合輸出級中的電力開關以提 供電荷給負載電容器C L直至負載電容器C 對於動態控制 器而言已充份地充電爲止，以取得電力輸出級的控制。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

-11 - 533667 A7 B7___ 五、發明説明（9 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 在發明的又一觀點中，電源轉換器提供預定的輸出電 壓，相對於輸入電壓爲增加或降低（步升或步降）。電源 轉換器可彈性地提供對諸如輸入電壓及溫度等因素不敏感 之實質調節給輸出電壓，以致於可有效率地提供諸如 〇.8 — 1 . 6V或更低之預定低輸出電壓。 在發明的又一觀點中，積體電源轉換器提供有效的及 調節的電源轉換，因而產生少量熱量。特別地，積體電源 轉換器先天上因無電感器及僅有電容而具有低Ε Μ I發射 。此外，積體電源轉換器會藉由更緩慢地切換而於低容量 需求期間減少Ε Μ I發射。缺乏電感器使得某些應用能夠 因倂入積體電路電容器而無外部元件，故能進一步微小化 。因此，在某些應用中，積體電源轉換器可有利於嵌入於 具有負載裝置之積體電路中。此外，在某些應用中，積體 電源轉換器適用於低輸入及/或低輸出電壓。 從附圖及其說明中，可更加淸楚本發明的這些及其它 目的和優點。 經濟部智慧財產工消費合作社印¾ 圖式簡述 作爲本說明書的一部份之附圖係顯示發明之實施例， 其伴隨上述發明槪述，及下述之實施例詳述，以說明本發 明的原理。 圖1係具有設有電源轉換器的電源之可攜式電子裝置 之高階方塊圖。 圖2係振盪器控制電源轉換器（開路充電泵）之高階 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） -12- 533667 A7 _____B7_五、發明説明（1〇 )方塊圖。_ 3係動態控制、實質調節電源轉換器之高階方塊圖 的 路 電 之 級 出 輸 力 電 之 器 換 轉 源 電 的 3 圖 於 用 係。 4 例 圖施 圖 於 用。 係例 5 施 圖 實 一 另 的 的 路 電 之 級 出 輸 力 電 之 器 換 轉 源 界 邊 的 件 條 載 負 大 最 之 級· 出 輸 力 電 的 5 圖 於。 用圖 係壓 6電 圖之 件 條 圖 塊 方 階 高 。 之圖 例程 施流 實作 的操 器的 換器 轉換 源轉 電源 制電 控的 態 7 動圖 係係 7 8 圖圖 例 圖 圖圖施 實 的

一—I 〇 圖 圖程 程流 流之 之作 作操 操態 動動 啓的 的 8 8 圖 圖係係 係 ο 1 的 7 圖 於 用 的 器 換 轉 源 路 電 之 級 出 輸 力 ......， — I- - ill :1 _ -- -- n (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 圖例 施 實 的 7 圖 於 用 係 2 1-i 的 路 電 器 制 控 源 電 之 器 換 轉 源 經濟部智慧財產局員工消资合作社印踅 圖例 施 實 圖 於 用 係 的 路 電 準 基 壓 電 之 器 制 控 源 電 的 .實 的 路 電 器 較 比 之 器 制 控 源 電 的 2 IX 圖 於 用 係 4 1 圖 例 施 例 施 圖圖 圖 於1 用圖 係係

器 較 比 的 4 I—I 的 2 制 控 序 時 之 器 制 控 源 實 的 。 路 路 電 電器 細 詳 更 之 路 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2i〇X297公釐） -13- 533667 A7 B7 五、發明説明（11 ) 圖1 7係用於圖1 6的時序控制電路之說明時序圖。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ® 1 8係包含集成電容元件之多重輸出電源轉換器積 體電路元件之實施例。 ® 1 9係圖1 8的多重輸出電源轉換器之方塊圖。 〇係圖1 9的多重輸出電源轉換器之電力輸出級 的實施例。 圖2 1係圖1 9的多重輸出控制器之輸出控制器的實 施例。 ® 2 2係圖2 1的輸出控制器之電路圖。 _ 2 3係圖2 2中的電源啓動訊號之電路。 ®2 4係用於圖1 9 一 2 3之多重輸出電源轉換器之 接腳圖。 i要元件對照表 10 可攜式電子裝置 1 2 能源 1 4 負載裝置 經濟部智慧財產局a(工消費合作社印製 1 6 電源供應器 2 0 電源轉換器 2 2 調壓器 2 4 輸出級 2 6 振盪器控制器 2 8 開關矩陣 3 6 調壓器 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉Μ規格（210X297公釐） -14- 533667 A7 B7 經濟部智慈財4局員工消費合作钍印奴 五、發明説明（彳2 ) 4 0 電源轉換器 4 4 電力輸出級 4 6 電力控制器 4 8 開關矩陣 5 0 動態控制器 5 6 第一控制迴路 5 8 第二控.制迴路 60 前饋控制迴路 62 適應控制迴路 64 環境控制器 9 4 比較器 96 電壓基準 98 比較器輸入切換電路 1 0 2 V s分壓器 10 8 ν〇υτ分壓器 112 時序控制器 116 啓動電路 118 旁通電路 200 固定電流電路 202 電壓基準軌電路 204 輸出緩衝器 2 0 6 絕對溫度比例電路 208 第二差動放大器 210 第三差動放大器 —4—.?-----— (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 Ψ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -15- 533667 A7 B7 五、發明説明（13 ) 212 第四差動放大器 230 電源轉換器 232 輸出級 234 多重輸出控制器 236 帶隙電壓基準 238 致動匯流排 250 比較器 252 比較器 交錯條延遲電路 輸入多工器 比較器 比較器 比較器 比較器 比較器 切換邏輯控制電路 2 5 4 2 5 6 2 5 8 2 6 1 2 6 2 2 6 3 2 6 4 2 7 0 2 8 0 Μ 1 — Μ 4 輸出區 電力開關 —rL-----^丨— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局8工消f合作社印說 發明詳述 雷源轉換 考慮現有的電源轉換器中的交流電源轉換技術，可最 佳地瞭解根據發明原理之充電泵的動態控制之操作兑 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -16- 533667 A7 B7_ 五、發明説明（14 ) 舉例而言，線性調節器係現存的電源轉換器之一種型 式。線性調節器具有之效率係與輸入電壓v s對輸出電壓 v。u t的比直接成比例。因此，爲所需輸出電壓V。u t的 二倍之輸入電壓Vs會造成大約一半來自能源12的電力無 法由電源轉換器2 0有效率地消耗。由於低效率及產生熱 量，所以，線性調節器需要散熱器，這通常使得要整合於 淺型封裝中時，變得複雜或無法整合，淺型封裝係諸如符 合PCMCIA規格標準的淺型封裝。此外，線性調節器通常 要求二個分離的電容器，進一步限定尺寸之縮減。再者， 線性調節器無法使輸入電壓V s步升，因而不適於某些應用 。舉例而言，諸如助聽器等小型可攜式電子裝置1 0可受 益於提供0 . 8 - 1 . 4 V之不昂貴、單胞鹼性電池。但 是，負載裝置1 4爲助聽器的電子構件之情形中，負載裝 置1 4會要求3 . Ο V。線性調節器不適於此應用。 以電感器爲基礎的電源轉換器及僅有電容（充電泵） 之電源轉換器均能使輸入電壓¥^步升或步降。這些設計通 常要求1 · 5 — 3 . 3V之輸入電壓Vs並提供1 . 5 — 5 .〇从之輸出電壓¥。〃， 1 0 — 200mA之間的連續 供應電流。藉由這些設計，次一伏特的輸入電壓或輸出電 壓通常是不可能的。此外，除了經由置放多個電源轉換器 2 0以並聯合倂它們個別的輸出之外，通常無法取得 2 0 0 - 5 0 0 m W範圍之輸出電力，但經由並聯合倂也 因而增加合倂所消耗的電力。 由於以電感器爲基礎的電源轉換器相較於充電泵設計 本紙張尺度適用中國國家標準icNS )八4規格（210X 297公釐） ： -17- I^--!------- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智1財產局員工消費合作社印製 533667 A7 B7 五、發明説明（15 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 相當有效率，所以，對於低電力應用（舉例而言，高達 2〇OmW)典型上會選擇以電感器爲基礎的電源轉換器 而非僅有電容之充電泵電源轉換器。而且，比充電泵更容 易取得所需的輸出電壓V。u t。特別地，輸出電壓V。u t 與乘上電流導數（d i / d t )之電感器的電感値成比例 。結果，在輸入端之更高的操作頻率及/或更高的電流位 準通常不會直接地影響所取得之輸出電壓。但是，以電感 器爲基礎的電源轉換器通常需要非線性的鐵氧體線圏或鐵 氧體磁珠以用於電感器，也需要外部電阻器及電容器。因 此，以電感器爲基礎的電源轉換器無法輕易地進一步微小 化。電感器也是會產生不需要的EM I之「雜訊」元件。 參考圖2，其顯示一般習知的僅有電容之電源供應器 1 6，其具有振盪器控制的電源轉換器（或「開迴路充電 泵」）及下游調壓器2 2。爲了說明起見，諸如電池等能 源1 2係顯示爲電源供應器1 6的部份。此設計具有避免 整合問題及使用電感器之Ε Μ I問題等優點。 經濟部智慈財產局工消費合作社印製 開迴路控制意指振盪器控制電源轉換器2 0無法有利 地使用迴路以幫助調整其輸出。當需要改進控制時，通常 使用相對的動態（或閉迴路）控制。舉例而言，計時烹飪 係開路控制方法，要求週期檢查以避免烹飪不足或過度烹 飪。因此，具有溫度探針之烹飪係動態的、閉迴路控制， 即使食物重量或烹飪能量有變化（舉例而言，過熱或微波 能量），仍能確保食物達到所需溫度。 但是，開迴路充電泵2 0除了藉由一起加入多個並聯 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) Α4規格（210X297公釐） ' -18 - 533667 A7 _B7 _ 五、發明説明（16 ) 充電泵以取得所需的輸出電流之外，是沒效率的且未提供 2 0 0 M a以上的輸出電流。雖然能提供增加的電流，但 是結果是無效率的。此串級多個充電泵之需求係所使用的 電力開關Μ 1 — Μ 4之結果，電力開關係於開啓時作爲串 聯電阻器（寄生電阻）。在高輸入電流位準時，由於電路 所消耗的電力係輸入電流的平方乘上開關的寄生電阻之函 數。因此，通常取得之效率係在3 0 — 9 0 %之範圍，當 充電泵以其設計的最大容量操作以提供負載裝置需求的最 大値時，可取得較高的效率。在較低需求位準時，當在狀 態之間不必要地切換時，充電泵進一步造成電力損失。 此外，振盪器控制的電源轉換器2 0係大部份需要三 個外部電容器，而阻礙電路的集成度及微小化。 圖2之電源轉換器2 0 (或開路充電泵）包含輸出級 2 4及振盪器控制器2 6。開迴路充電泵所根據之基本原 理係充電階段與放電（或汲送）階段之間的輸出級2 4交 替以回應振盪器控制器2 6。階段與階段之間的切換時機 係受預測的且典型上是根據預期之負載裝置尖峰需求。 電力輸出級2 4的型式包含反相及非反相型式以及具 有不同數目的電容元件以傳送及儲存電荷之多種型式。非 反相輸出級2 4係顯示於圖2中，其具有開關矩陣2 8、 一飛散電容器C F、及一負載（或儲存）電容器C l。開關 矩陣2 8可爲積體電路，而一般習知的飛散及負載電容器 C I.、、C l係分離的元件。回應振盪器控制器2 6之開關矩 陣2 8會使能源1 2、飛散電容器及負載電容器Cl耦 I紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29*7公釐） 一 -19- __J-----费— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 533667 A7 _B7___ 五、發明説明（17 ) 合至充電配置及放電配置。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 特別地，開關矩陣2 8包含四個電力開關Μ 1 — Μ 4 。第一電力開關Μ 1會閉合以回應來自振盪器控制器2 6 之充電切換訊號S 1，使能源1 2的正端3 0 (輸入電壓

Vs)電耦合至飛散電容器（：「的第一端3 1。第二電力開 關Μ 2會閉合以回應來自振盪控制器2 6之放電切換訊號 S 2，使飛散電容器CF的第一端3 1電耦合至負載電容器 C L的第一端3 2 ( V I n τ )。第三電力開關Μ 3會閉合以 回應放充電切換訊號S 1，使能源1 2的參考端3 3電耦 合至飛散電容器C F的第二端3 4。第四電力開關Μ 4會閉 合以回應放電切換訊號S 2，使飛散電容器C f的正端3〇 電耦合至第二端3 4。 經濟部智慧財產苟資工消費合作社印製 在操作時，振盪器控制器2 6會開啓閉合第一及第三 電力開關Μ 1、Μ 3之充電切換訊號S 1，並關閉斷開第 二及第四電力開關Μ 2、Μ 4之放電切換訊號S 2。因此 ，負載電容器C l提供未經調節的輸出電壓（或中間電壓 V ! ν下）並與飛散電容器C f及會g源1 2電斷開。而且，飛 散電容器Cr在電方面會置成並聯能源12並因而充電至飛 散電容器電壓，飛散電容器電壓小於或等於能源1 2的輸 入電壓Vs。傳送至飛散電容器0「之電荷量會視數個因素 而定，這數個因素包含飛散電容器Cp是否完全放電、振盪 器控制器2 6使飛散電容器C F留在充電配置中的時間量、 飛散電容器C「的電特性、及輸入電壓V s。爲了簡明起見 ，假定飛散電容器C κ取得完全充電且在充電階段結束時飛 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29?公釐） -20 - 533667 A7 __ B7 五、發明説明（18 ) 行電容器電壓V F因而等於V S。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 然後振盪器控制器2 6會藉由關閉充電切換訊號s 1 、開啓第一及第三電力開關Μ 1、Μ 3、以及開啓放電切 換訊號S 2、關閉第二及第四電力開關Μ 2、Μ 3，而以 預定時間切換至放電配置。因此，藉由使飛散電容器C F與 能源1 2串聯，則飛散電容器電壓V F (此處假設爲V s ) 會加至能源1 2的輸入電壓V s。此組合係電耦合負載電容 器C L。因此，在放電階段，在負載電容器C l的第一端 3 1之中間電壓V ! n τ會充電至約輸入電壓V s的二倍。 再者，傳送至負載電容器Cl的電荷量會視一些因素而 定，舉例而言，這些因素爲放電階段的預定持續時間、負 載電容器C t的電特性、在放電階段開始時飛行電容器C F 及負載電容器Cl中的充電量、輸入電壓Vs、及由VQUT 處之負載裝置1 4從負載電容器（：1^汲取之電力量。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印焚 結果，對每一飛散電容器C f而言，真正的中間電壓 Vint典型上爲輸入電壓Vs之1 . 6至1 · 9倍。取得更 大的增加需要多個飛散電容器C「，每個飛散電容器均 會於放電階段與能源串聯電耦合。因此，所造成的可利用 之中間電壓V I N T會不利地受限於輸入電壓V s及飛散電容 器C K的數目所預定之某些範圍。 下游調壓器2 2會製成需要典型地藉由步降以限制從 振盪器爲基礎的電源轉換器2 0至所需的調節輸出電壓 V ϋ υ τ之間未經調節的中間電壓V ! Ν τ。典型上，調壓器 2 2會比較不經調節的中間電壓V ! Ν τ與來自電壓基準 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公着) ' ~ -21 - 533667 A7 _____B7__ 五、發明説明（19 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 3 8之參考電壓Vrh：「，以決定輸出ν〇υτ。調壓器2 2 是在下游，其功能上分離並接續在振盪器控制的電源轉換 器2 0之後，而非電源轉換器2 0的整體態樣。 結果，僅有電容之電源供應器1 6會消耗來自開關矩 陣2 8、固定操作的振盪器控制器之電能，並且調壓器 2 2會消耗電力。當使用習知的僅有電容之電源供應器 1 6以使輸出電壓V QUT相對於輸入電壓V s步降（減少） 時，由調壓器2 2消耗電力是相當不利的。振盪器爲基礎 的電源轉換器2 〇僅會使輸入電壓V s步升。結果，在使中 間電壓V I ν τ步降時，調壓器會消耗更多電力。 電源轉換器中的動態掷制- 經濟部智慧財產局g(工消費合作社印製 現在參考上述現存的電源轉換器2 0，說明發明之一 實施例。參考圖3，其以方塊圖形式顯示電源轉換器4〇 ，說明根據本發明的一觀點之從能源1 2至耦合至橫跨輸 出2而4 2、4 3的輸出電壓Vqut之負載裝置1 4之電力 傳輸的動態控制。即使輸入電壓V s、以及電源轉換器4 0 的轉換及儲存特性有變化，電源轉換器4 0仍會動態地受 控，以致於可適應負載裝置1 4之需求。 電源轉換器4 0實質上被調壓，以致於轉換的電荷量 不僅對應於需求，電荷傳輸速率也會受控，以致於輸出電 壓V。U T仍會留在可接受的範圍內。這通常被視爲留在可 接受的電壓漣波V r ! P內。因此，如同參考圖2所述般， 調壓並非在較後的級中執行，藉以避免增加典型上分開的 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -22- 533667 A7 B7 五、發明説明（2〇 ) 調壓器2 2之複雜度及耗電。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 電源轉換器4 0包含電力輸出級4 4及電力控制器 4 6，電力輸級4 4會將電荷傳輸至負載裝置1 4，電力 控制器4 6耦合至電力輸出級4 4以回應地命令適當量的 電荷被傳輸。 在一實施例中，電力輸出級44是電容充電泵，具有 橫跨輸出端42、 43之負載電容器Ct。負載電容器 經濟部智慈財/i^g (工消費合作社印敗 C L儲存電荷並提供與其儲存電荷有關之輸出電壓V ◦ υ τ ° 電力輸出級4 4也具有飛散電容器C f以將電荷從能源1 2 傳輸至負載電容器C t。可因低內阻之原因，有利地選取用 於負載電容器C L及飛散電容器之電容器，以致於電源轉換 器4 0可減少耗電。如同充電泵常見般，電力輸出級4 4 包含合至飛散電容器CF、負載電容器CL、及能源1 2之 開關矩陣4 8 ,以使電力輸出級4 4配置於充電階段與放 電（或汲送）階段之間。更特別地，在充電階段期間，開 關矩陣4 8適於使飛散電容器C F並聯地電耦合至能源1 2 以使飛散電容器C L充電。而且在充電階段期間，負載電容 器提供電力給負載裝置1 4並從能源1 2及飛散電容器 C F解除電耦合。 如上所述，在放電階段，開關矩陣4 8能使與負載電 容器C l電串聯之能源1 2及飛散電容器c F的電壓向上堆 升。因此，電力輸出級44會使負載電容器充電至高於能 源1 2的輸入電壓Vs之輸出電壓ν〇υτ ° 在某些應用中，以同於圖3所示的配置，電力輸出級 本紙張尺度適用中國國家標隼（CMS ) A4規格（210X Μ?公釐） -23- 533667 A7 B7 五、發明説明（21 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本育) 4 4能夠使輸入電壓V步降（減少）。開關矩陣4 8可被 切換以致於僅有飛散電容器C F之飛散電容器電壓V F於放 電階段期間橫跨地耦合負載電容器C L。典型上，飛散電容 器C F比負載電容器具有更小的儲存容量。因此，每一放電 階段無法單獨地使負載電容器過度充電，特別是在下述中 更詳述之動態控制之情形下。相對地，傳統的電源轉換器 2 0係配置成藉由配置飛散電容器C F及能源1 2於放電階 段成爲串聯耦合以預先步升輸出電壓。在放電階段期間改 變配置而以僅有飛散電容器C F耦合以預先步降，將無法彈 性地使動態控制器5 0能夠視需要而重新配置以取得所需 的輸出電壓V OUT。 因此，由於電源轉換器4 0能夠使輸入電壓步降以及 .使輸入電壓步升（增加），所以，不再需要.如同上述圖2 的振盪器控制電源轉換器2 0中無效率的下游調壓器2 2 〇 此外，電源轉換器44會視輸出電壓是否具有與輸入 電壓V S相反之正負號，而被反相或不被反相。舉例而言， 經濟部智慧財產^7B工消費合作社印t 2 · 2V輸入電壓Vs可轉換成一 1 · 6V輸出電壓Vqut 。一般而言，爲了淸楚起見，將於下述中說明非反相的實 施例，而習於此技藝者在閱讀本說明書之後應能辨識電源 轉換器4 0反相之應用。 多迴路電力控制器4 6包括動態控制器5 0、電壓基 準5 2、及環境控制器6 4以有利地控制電力輸出級4 4 。由來自輸出端4 2之輸出電壓V。υ τ作爲動態控制器 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 一 -24- 533667 A7 _B7__ 五、發明説明（22 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 5 0之回饋，以形成第一控制迴路5 6。動態控制器5 0 會命令開關矩陣4 8將增加的電荷從能源1 2傳輸至負載 電容器C L以回應低於預定値V REF之輸出電壓V QUT。動 態控制器5 0會判定V。u T相較於來自電壓基準5 2之參 考電壓VREF是否在預定値之下。假使電壓足夠穩定（舉 例而言，鋰電池是電壓穩定的），則可由能源1 2提供一 適當的簡化電壓基準5 2。因此，電壓基準5 2 可由輸入電壓V s的分壓器或倍增器所提供以取得所需的參 考電壓V REF*。 對於發明的某些應用而言，第一控制迴路5 6本身即 足已用於電源轉換器4 0的電力傳輸之動態控制以取得調 節的輸出電壓V。U T。 經濟部智慈財產局工消費合作社印^ 除了第一控制迴路5 6之外，多迴路電力控制器4 6 進一步包含第二控制迴路5 8。在第二控制迴路5 8中， 飛散電容器C F上的電荷會由動態控制器5 0感測而作爲飛 散電容器電壓VF。因此，一旦飛散電容器CF首先到達充 電的最佳狀態，約8 0 %時，可以預測需求時飛散電容器 C F之任何放電。由於飛散電容器C F充電不足會造成不必 要的切換損失，而飛散電容器C F過度充電將不必要地限制 電力傳輸的速率，所以，會有充電最佳狀態之存在。 關於不必要的切換損失，開關矩陣4 8的動態控制藉 由保持在放電階段直至需要更多電荷爲止（亦即，V。u t 掉至V R E K以下）而以第一控制迴路如上所述般部份地取 得效率。相反地，振盪器爲基礎的充電泵2 0即使不需要 本紙張尺度適用中國國家標隼（CNS ) A4規格（210X297公釐） -25- 533667 A7 B7 五、發明説明（23 ) 時，仍會以固定速率切換。藉由維持在充電階段足夠長的 時間以使飛散電容器C r足以取得顯著的電荷量，可實現切 換矩陣4 8的動態控制之增加效率。舉例而言，充電至完 全充電之4 0 %而非8 0 %，將要求操作頻率變二倍以傳 輸相同的電力。電力開關Μ 1 - Μ 4會因此增加的操作頻 率而消耗電力。結果，第二控制迴路5 8會感測飛散電容 器C F的電壓位準以避免充電階段充電不足，並因而避免不 必要的切換損失。 使飛散電容器C ^上的電荷最佳化也包含避免過度充電 。電容器特徵在於其充電速率爲時間函數。特別地，當電 容器接近完全充電條件時，它們接受增加的電荷之速率會 降低。因此，電容器所取得之初始電荷量會比稍後類似的 電荷量耗費更少時間。舉例而言，即使飛散電容器C F接受 相同的電荷量，飛散電容器充電至4 5 %相較於飛散電 容器C F充電至9 0 %，仍耗費低二倍的時間。結果，使開 關矩陣4 8處於充電階段之時間比取得飛散電容器C F的最 佳充電位準所需之時間更長，將會錯失傳輸更多功率之機 會。 應瞭解，習於此技藝者可以根據經驗及/或根據分析 ，決定最佳充電位準。 與上述一或更多其它控制迴路5 6，5 8相結合，電 源轉換器4 0可有利地包含順向控制迴路6 0，因此能源 1 2的一或更多參考數會提供給動態控制器5 0。順向控 制迴路6 0的一用途係包含視能源1 2中感測到的不安全 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（2〖〇X 297公釐） --------,·衣-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智1財產局員工消費合作社印製 -26- 533667 A7 _____ B7 五、發明説明（24 ) ^ ~~ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 條件或性能限制條件而不致動（亦即中斷輸至輸出端4 2 、4 3之輸出電流）及/或旁通（亦即使能源i 2直接耦 口芏輸出端4 2、4 3 )電源轉換器4 〇。舉例而言，低 輸入電壓思指在能源1 2中不當地維持充電以確保電源轉 換器4 0的連續操作。關於另一實施例，從能源丨2汲出 的電流對於維持操作而言可能太高。因此，保護電路可包 含於電源轉換器4 0中，以根據控制迴路6 〇而中斷輸至 輸出端42、 43之輸出電流。 關於又另一貫施例，負載裝置之大量需求確保電 源轉換器4 0的連續操作與能源1 2至輸出端4 2、4 3 之直接親合並行。當輸入電壓Vs及所需的輸出電壓ν〇υτ 幾乎相同時，此點特別爲真。藉由設有二個提供電流給輸 出端4 2、4 3之通道，可取得增加輸出電流I ^。 關於又一實施例，飛散電容器電壓V F (第二控制迴路 5 8 )、及輸入電壓V s (順向控制迴路6 〇 )意指電源轉 換器4 0放電並處於啓動條件中。此啓動條件有利於確保 快速累進啓動電路之使用，將於下述中說明實施例。 經濟部智慈財產局員工消費合作社印製 與其它控制迴路5 6、5 8、及6 0之一相結合，電 源轉換器4 6可進一步包含如同環境控制器6 4所代表之 適應性控制迴路6 2。環境控制器6 4感測控制參數6 6 並提供命令6 8給動態控制器5 0以改變用於輸出電壓 V。υ τ之預定値。舉例而言，環境控制器6 4可感測動態 控制器5 0變成不穩定，且爲回應此點，可提供訊號以將 動態控制器5 0驅動至穩定輸出條件。更特別地，環境控 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -27- 533667 A7 _B7______ 五、發明説明（25 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 制器6 4適於感測電源轉換器4 0的不穩定操作條件，舉 例而言，趨近固定値之即時輸出電壓及電流。環境控制器 6 4可以接著調整預定値以驅動電源轉換器4 0至穩定操 作條件。此外，預定値的此改變包含動態控制器5 0重設 至穩定的初始條件。 關於另一實施例，適應性控制迴路6 2包含輸入至環 境控制器6 4之控制訊號S c，因此動態·控制器5 0能夠回 應負載裝置1 4 (舉例而言，C P U、揮發性記憶體、類 比對數位轉換器、數位對類比轉換器）中的變化或回應其 它參數。負載裝置1 4可以以來自電源轉換器4 0之調整 的輸出電壓V。υ τ，較佳地執行。關於另一實施例，輸出 控制訊號S c可爲重配置之控制訊號，舉例而言，用於選取 所需的反相或非反相模式或預定的輸出電壓V ◦ U T。關於 另一實施例，保護功能（舉例而言，旁通、不致動、或改 變輸出電壓）可由Sc命令指揮以免傷害負載裝置1 4。舉 例而言，負載裝置1 4可能在高電流下故障，因此必須加 以限制以防此情形發生。 經濟部智慧財產局g:工消費合作社印t 如同下述中將詳述般，可視發明中利用的開關矩陣 4 8之型式，而由動態控制器5 0產生諸如切換訊號S 1 、S 2、及S 3至S n等不同的控制訊號以用於開關矩陣 4 8。 應瞭解，假使飛散電容器C r及負載電容器C L係用以 說明電荷儲存及傳輸元件並代表分離的電容器或積體電路 電容器陣列。 本紙張尺度適用巾國國家標準（CNS)八4祕（21〇χ 297公慶） -28- 533667 A7 B7 五、發明説明（26 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 此外，由於動態控制器5 0的彈性，所以，飛散電容 器c 1(，及負載電容器C l可能包含不同等級的儲存能力，舉 例而言，小電容器（舉例而言，陶瓷、晶片厚膜、組、聚 合物）及大電容器（舉例而言，超電容器、擬電容器、雙 層電容器）。電容量反應儲存量能力。因此，提供同量的 能量傳輸將要求小劑量電何從小電谷益C F以局i采作頻率傳 輸或要求較大劑量的電荷較慢地傳輸。因此，如同參考圖 5之詳述所述般，電源轉換器4 〇之彈性在於相同的動態 控制器5 0會控制不同的電力輸出級4 4。特別地，如同 將說明般，與習知的振盪器控制之電源轉換器2 0不同， 動態控制器5 0會在適於具有超電容器之電力輸出級的低 操作頻率範圍中操作。 應瞭解，能源1 2包含諸如一或更多電化學電池（舉 例而言，電池）、光電伏打電池、直流（D C )發電機（ 舉例而言，由運動發電機結合可充電電池充電之手錶不同 的電荷儲存或產生裝置），及其它可應用的電源。 經濟部智慈財產局g(工消費合作社印製 關於另一實施例，發明之電源轉換器4 0有利於其它 電源供電之電子裝置。舉例而言，從標準交流電（A C ) 牆上插座接收電源之裝置通常會將A C電源轉換成直流（ D C )電源以用於裝置的電子部份。所提供的D C電源若 無適當調整及調節，則不適用於所有或部份電子構件。舉 例而言，微處理器可以2 . 2 V操作，而輸入/輸出電子 構件可以以5 V操作。結果，根據發明之電源轉換器4〇 可用以步降輸入至微處理器之輸入電壓。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -29- 533667 A7 ____B7 五、發明説明（27 ) 電容充電泵 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 參考圖4，其顯示用於發明的實施例之一之圖3所示 的電源轉換器4 0之一適當的充電泵電力輸出級4 4。電 力輸出級4 4可配置成反相及非反相。如同關於圖2之說 明所述般，四個開關Μ 1、Μ 2、Μ 3、Μ 4係用以使諸 如D C電源等能源1 2及適當的飛散電容器C F相對於負載 電容器C l，於充電階段與放電階段之間切換。特別地，開 關Μ 1及Μ 3會閉合以回應切換訊號S，因此Μ 1會使能 源1 2的正端（輸入電壓V s )耦合至飛散電容器C F的第 一端3 1，而M3會使飛散電容器〇^的第二端3 4耦合至 接地。開關Μ 2及Μ 3 2會於充電階段斷開。 經濟部智慈財產局員工消費合作社印t 在放電階段期間，切換訊號S 1會被移除，而斷開開 關Μ 1及Μ 3。然後，能源1 2的輸入電壓V s及飛散電容 器C r會因開關Μ 2及Μ 4爲回應切換訊號S 2而閉合，而 處於串聯配置。因此，C F的第一端3 1可用於經由開關 M2而耦合至負載電容器Cl,而電容器0^的第二端3 4 會經由開關Μ 4而耦合至能源1 2的正端3 0 ( V s )。 重配置切換訊號S 3及S 4會控制飛散電容器Cr及能 源1 2係以何種串接組合橫跨負載電容器C L，以致於電力 輸出級4 4可以在反相或非反相模式中操作。非反相模式 意指於正輸出端4 2 (Vqut1·)提供輸出電壓Vciut且負 輸出端4 3 ( V。U τ —)通常接地。反相模式意指於負輸出 端4 3 (ΥϋϋΤ —)提供輸出電壓V〇UT且具有與能源1 2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -30- 533667 A7 _ B7____ 五、發明説明（28 ) 的輸入電壓V s相反之正負號。正輸出端4 2 ( V。U T h ) 通常接地。負載電容器的第一端3 2 (正極）電耦合至 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 正輸出端4 2 (Vqut1")。負載電容器Cl的弟一 3 5 (負極）電耦合至負輸出端4 3 ( V ◦ υ τ —)。 以訊號S 3閉合重配置開關Μ 5及Μ 8及以訊號S 4 閉合重配置開關Μ 6及Μ 7，則由電力輸出級4 4執行非 反相模式。避免訊號S 3及S 4的命令重疊以防止開關 Μ 5或Μ 8與開關Μ 6或Μ 7同時閉合，藉以防止負載電 容器C t因疏忽而短路。因此，非反相相模式造成負載電容 器的第一端（3 2 )(正極）藉由開關Μ 5的閉合而經由 開關Μ 2耦合至飛散電容器C F的第一端3 1。負載電容器 C L的第二端3 5 (負極）藉由開關Μ 8的閉合而接地。 經濟部智慧財產局員工消t合作社印製 以訊號S 3斷開重配置開關Μ 5及Μ 8以及以訊號 S 4閉合重配置開關Μ 6及Μ 7，由電力輸出級4 4執行 反相模式。因此，負載電容器C L除了如同先前般耦合至輸 出端4 2、4 3 ,尙有第一端3 2藉由開關Μ 7的閉合而 接地，因此，正輸出端4 2 ( V。υ τ +)接地。負載電容器 C L的第二端3 5會藉由Μ 8的閉合而經由開關Μ 2耦合至 飛散電容器C ρ的第一端3 1。 應瞭解，重配置電力輸出級4 4將允許一電路於相同 的輸出端4 2 ' 4 3處選擇性地提供非反相或反相輸出電 壓°因此，根據可重配置的電力輸出級4 4之完全集成的 線性電源將允許僅以一微晶片取代7 8 X X (非反相）及 7 9 X X (反相）微晶片（舉例而言，以τ〇一 2 2 〇、 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X25)7公着1 -- -31 - 533667 A7 ______B7_ 五、發明説明（29 ) T〇一3、S〇8 — TS〇P-8、S〇T23、 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) S〇T223等封裝型式封裝）。以一裝置取代二型式的 裝置有利用於更經濟的製造及簡化存貨控制。 此外，電源轉換器4 0的環境控制器6 4可根據外部 參數S c或內部參數6 6以將電力輸出級4 4自動地配置於 適當模式，反相或非反相。因此，在設計處理期間以及使 電力控制器4 6容易地重配置於所需模式之操作期間，可 賦予可攜式電子裝置1 〇更多彈性。舉例而言，控制電力 輸出級之電力控制器4 6可回應諸如分離元件負載電容器 C L的極性等感測到的參數以開始配置開關μ 5 — Μ 8。或 者，可重配置的開關Μ 5 - Μ 8包括可由外部關閉之微晶 片的接腳。 經濟部智慈財產局§(工消費合作社印製 也應瞭解，可使用與發明一致之其它不同的電力輸出 級4 4。舉例而言，二或更多飛散電容器C F均可並聯能源 1 2以充電，然後串接以取得更大的步升電壓能力。此外 ，電源轉換器4 0又包含混合的反相及非反相配置，其中 一部份電源轉換器4 0在輸出端4 2提供動態控制、實質 電壓調節的對地正輸出電壓。同時，電源轉換器4 0的另 一部份在負輸出端4 3提供動態控制、實質電壓調節的對 地負輸出電壓。 應瞭解，與發明一致之另一開關矩陣4 8可以以非反 相或反相形式，重配置地步降輸出電壓V。υ τ。舉例而言 ，當相對於輸入電壓V s步降（減少）輸出電壓V。ϋ Τ時， 飛散電容器C r單獨地耦合橫跨負載電容器C L。結果，配 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐) " ' -32 - 533667 A7 B7_ 五、發明説明（30 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 置成步降電壓之電源轉換器4 0可永久地耦合飛散電容器 C r之第二端至接地，或是不論是否在充電或放電階段，藉 由使開關Μ 3保持閉合及開關Μ 4斷開而重新配置。因此 ，在充電階段期間，飛散電容器C ρ會電耦合橫跨能源1 2 以致於其被充電。在放電階段期間，僅有飛散電容器C F ( 亦即無能源1 2 )電耦合橫跨負載電容器C t ° 關於另一實施例，其它修改於輸出電壓V ◦ υ τ的量値 小於輸入電壓V s的量値時（〇〉V。U Τ > - V S )允許將 輸入電壓V S反相。取代如圖4所示切換負載電容器c L， 使負載電容器Cl之第一端3 2電耦合至接地及正輸出端 V 〇 U T + 4 2。負載電容器C l之第二端3 5耦合至負輸出 端V Q υ τ — 4 3。在充電階段期間，飛散電容器C F如同上 述般橫跨能源1 2以充電。在放電階段期間，如同上述般 ，飛散電容器C F單獨橫跨負載電容器C L以使步降配置非 反相。由於正輸出端V ◦ U T + 4 2電耦合至接地，所以負 輸出端V ◦ υ τ — 4 3將會動態地受控。 經濟部智慧財產局：一貝工消f合作社印製 動態控制充電泵之分析 參考圖5，顯示用於圖3的的電源轉換器之充電栗電 力輸出級4 4 (或充電泵）之一實施例。電力輸出級4 4 會於二階段中操作：如上所述用於圖2的振盪器控制電源 轉換器2 0之充電及放電。電力輸出級4 4會耦合於提供 輸入電壓Vs之能源1 2與接受電流負載I l之負載裝置 1 4之間。不似圖2 ,未顯示調壓器2 2。如同參考圖2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -33- 533667 A7 B7 五、發明説明（31 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 之上述所述般，電力輸出級4 4配置有負載電容器CL、飛 散電容器Cr、及四電力切換開關Ml — M4°爲了說明根 據發明的一觀點之動態地控制充電泵之優點，下述分析說 明輸出級4 4如何有效率地切換。電力控制器4 6將充電 泵的操作分成二階段：充電及放電。因此，「充電」及「 放電」係針對飛散電容器C F。在充電階段期間，輸入電壓 Vs會充電飛散電容器CF，且負載電容器會供應電力 給負載。在放電階段期間，電何會從飛散電谷描1 C F流至負 載及負載電容器c F。因此，「充電」及「放電」係針對飛 散電容器C P。二參數會影響充電泵操作。 1· ε-飛散電容器CF要充電達到之輸入電壓Vs 的部份，其中〇 < ε < V s。 2 . TDIS -飛散電容器放電至推升輸出電壓 V ◦ υ τ之最小時間量。 經濟部智慧財產局8工消費合作社印賢 圖6顯示電力輸出級4 4要供應最大負載電流I L所必 須滿足的邊界條件。在充電階段期間，輸出電壓V。U T會 隨著飛散電容器C F充電而下降。在隨後之放電階段期間結 束時，必須傳輸足夠的電荷以使負載電壓V ◦ υ τ回升至參 考電壓V R E l·，。 爲此分析之用，假設不論輸入電壓Vs多低或負載裝置 1 4是否存在，電力開關Ml— M4及儲存電容器Cp、 C L將於時間（t ) = 0時從初始放電條件（亦即，v。υ τ =0，V r = 0 )操作。此外，分析會假設實施第一及第二 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -34- 533667 A 7 B7 五、發明説明（32 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 控制迴路5 6、5 8，其中分別針對負載電容器C l及飛散 電容器C「，監視充電狀態。此外，橫跨負載電容器C k之 負載電壓Vl可以與輸出電壓Vqut交互使用。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印災

在啓動期間，電力輸出級4 4會經過很多充電-放電 階段直到C L上充電之輸出電壓V。υ τ上升至預定値（所需 的輸出電壓）之上，或參考電壓Vref之上。在Cl完全地 充電（亦即，V。U Τ > V R E F )之後，電力輸出級4 4仍 將維持在放電階段直至施加負載爲止，如同圖6的最左方 所示般，造成輸出電壓Vqut掉至參考壓Vref (Vqut< V R E F)之下。在充電階段於時間（t ) = 0初始之前， 發生呆滯時間延遲T D E k。飛散電容器C F會被充電直至其 電壓V F於時間（t ) = a時達到輸入電壓ε V S的部份爲 止。在C F被充電之後，電力輸出級4 4會回至放電階段最 少時間長度T D ϊ s，始於時間·（ t ) = b及終於時間（t )=C。此最少時間T D ! S提供足夠的時間給飛散電容器 C r放電。在此最少放電時間之後，電力輸出級4保持在放 電階段而V。u Τ > V R E F。由於此分析顯示最大電力容量 的情形，所以，V。U T於時間（t ) = C時緊接在V R E F 之下。因此，在放電期間不會超過參考電壓Vrep，且再 度執行充電階段/放電階段。 時間（t )二a與時間（t ) = b之間的呆滯時間延 遲T D e l發生於充電與放電階段之間，以開關Μ 1 — Μ 4 均斷開以消除暫時短路的任何可能性（亦即，插入延遲以 緩和跨導。舉例而言，假使開關Μ 1及Μ 2同時閉合，則 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -35- 533667 A7 _______B7 五、發明説明（33 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 能源1 2正端3 0會短路至正輸出端4 2。假使開關Μ 1 及Μ 4同時閉合，則飛散電容器c ρ會短路，使性能變差並 可能因產生熱而造成傷害。 此分析顯示有機會以最佳速率切換開關矩陣。首先， 假使在最小放電時間T D I S之後輸出電壓V。U Τ超過參考 電壓V R Ε Ρ，則有機會維持在放電階段。不必要的（且因 而無效率的）切回至充電階段會被適當地延遲。同樣地， 感測飛散電容器C F何時同樣地被充電以避免因充電時間 TCHQ太短而產生之不必要切換或避免充電時間TCH。太 長時錯失傳輸更多電荷之機會。 經濟部智慧財產局工消f合作社印¾ 對於使用電池作爲能源1 2之應用而言，發明之電力 輸出級4 4滿足電池壽命之數個性能限制並使電池效率最 大。增加效率將延長電池的使用壽命。性能限制包含所供 應之不會超過允許的輸出電壓漣波V R ! P的限制之峰値輸 出負載電流I L之最小値。輸出電壓漣波v R Ϊ P係輸出電壓 V。u T的波動範圍。操作頻率之最大接受値（亦即，充電 及放電階段之間的循環速率）也需要於音頻應用時使雜訊 最小。假使操作頻率太高，則電力輸出級4 4消耗的電荷 會降低充電泵的效率。有些目的是相衝突的。舉例而言， 雖然高操作頻率降低輸出電壓漣波V R : p，但是其也會減 少電荷輸出級4 4的效率。最佳化因而要求找出可符合性 能限制之參數子集合。假使有適當的寬容度，則藉由選取 此子集合內能使設計效率最大之値，將可使設計最佳化。 這將賦予電源轉換器4 0優點，舉例而言，延長電池壽命 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -36- 533667 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印奴 五、發明説明（34 ) 並滿足輸出性能限制。下述係說明以電力開關Μ 1 - Μ 4 及典型電力需求，最佳化電力輸出級4 4。 從用於圖5中所示的電路之等式開始，可發現在電力 輸出級4 4之充電及放電循環期間迴路電流及節點電壓爲 負戴電流I L及固定參數的函數。固定參數包含輸入電壓 V s、電力開關μ 1 - Μ 4之電阻、電容値C F及C l、以 及參考電壓VREF。雖然輸入電壓Vs可隨著時間改變，但 是，最壞狀況分析假設其於其壽命期間係固定於其最低期 望値。其它固定參中某些參數於被選用於於給定設計時是 固定的（舉例而言，電容器C F、C L的大小、電力開關 Ml - M4之型式、等等）。可變參數是ε及TDIS。藉 由評估邊界條件，可找出這些等式的特定解。選取邊界條 件以致於負載電流I L是可能用於固定的及可變的參數之電 流組中的最大値。然後，對於可供應之用於特定參數組的 最大負載電流，求解微分方程式之解。藉由改變參數，則 可求得在這些値範圍內之最大負載電流I L。最大負載電流 I L係參數的連續函數。此意指假使最大負載電流I L的最 大値超過最小可接受値，則參數的子集合也狀滿足此條件 。接著，在此參數的子集合中，將電力輸出級4 4的效率 最大化，提供效率並滿足最小性能限制。 在放電階段期間，橫跨C r及C L之電壓係： VF = VF〇 - -~-L- ‘r(1 - )---— Irt

CL + CF VL=VLO+ -1—(y W°W ) - ---1"一 ILt

c^cF cl+cf (請先閱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） -37- 533667 A7 B7 五、發明説明（35 ) 其中， ^OUT-iVs^FO^Lo)-

cF

+CF

I L&DIS λ

Ό/S

CL + CF RdIsC lC F V r ◦及V L 0係放電循環啓始時之初始飛電容器電壓 Vfq及負載電壓VLQ。當飛散電容器（：^正充電時，負載 電容器C L正放電。在充電階段期間，橫跨c F及c L之電 壓係= — ：l·----0! (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 其中： 訂 Λ

VHG

;CF τ 經濟部智慧財產局8工消費合作社印製 初始飛散及負載電壓V F及V L係充電階段之啓始。 此組四等式也具有四已知値：V F、V L、 I L及 H C，因此將具有單一解（假使有一解存在）。使用圖 6中所示的邊界條件以找出此解的演繹法如下所述。藉由 求値下述等式以找出充電時間T。H C : Q 二 Α(\ - eXcHGTcHG、上 B、T(：HG + 丁DIS + 2丁DEL) ' D + CTcm 其中： 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -38- 533667 A7 B7 五、發明说明（36 ) A-{\^s)Vs r C:i— 4 cl+cf (1 _ p~^D/sJD.

D

CL CF

CL C，CFCL /cF RdisCf(1 ~e } + cL^CF Tdis + 2CTdel 求解此等式之T e H。値必須限於大於零才有效。對於 @定的及可變的參數之所有組合，將不存在有解° 以T C Η。爲已知，則用於參數之電流値之最大負載電 流I L·如下： 二 CLCF CL +CF[卜 -一Γ，](Γ— + 2U) + [〇+) /

Cl r Cf q+cf cl^cf

RdisCf(}-^XdisTd/s)^Tdis] (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局8工消費合作社印災

在放電階段結束時橫跨飛散電容器V F之電壓爲： VF0 =sVs-^ [(1 s)Vs - K^](l - ) 4-cL+cF 1 [ C/ RdisCf (1 - ) - (TCHG + 2TDEL)(l - ) - Tdis]Il CLJrCf CLJrCF 在放電階段開始時負載電壓V L達到的最低電壓爲 VL^Vnf- cJL{TCHG^2TDEl) 在此與參考電壓V R E F之間的差異係漣波v 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -39- 533667 A7 B7 五、發明説明（37 ) ^RIP ~ ^REF "" 此組參數的操作頻率（亦即電壓漣波的頻率）爲：

丁CHG 七 TdEL 七 l^DEL 也是要求峰値輸入電壓之値，且發生於充電階段開始 時、或放電期間。由於負載電流I ^假設爲固定的，在放電 期間之峰値輸入電流I S會發生於此階段開始或結束時。在 整個循環期間的峰値電流係這些値的最大値： (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 I s — fH3x{l€HG, IDIS^, lDISi} Jr ‘ ' 冊一 Γ> Kchg (1 +沉-心㈣6 -匕0，丄G Rdis 1 DIS'

I DIS. (1-- cl+cf 參考表1，以所示之固定參數的組合，求得最大負載 電流I L、電壓漣波V R ί P、峰値輸入電流® I L、及操作 頻率之値，固定參數包含參考電壓VrEF及預期充電泵可 靠地操作之輸入電壓V S、以及飛散（c F )及負載（C )電容値。在電力輸出級4 4之此說明中，忽略電容器C L 、C r的電阻。用以防止所有開關M ]_ 一 μ 4同時閉合之時 間延遲T d u固定於〇 · 2 5 #秒。二時間延遲T d E l發 生於每一充電-放電循環。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） -40- 533667 Α7 Β7 五、發明説明（38

Cf—22//F, c 操作點 ε Tdis (//s e c) I l (m A ) V r, p (mV) I s ( A ) f req (kHz) 表 1 最佳化充電泵 220/^F, Vref-1 . 2V, Vs = 0 . 8V Rchg=Rdis (Ω) 〇.1 0.8 4 9 0 1.8 5 7 1 838.17 8.9955 2.8818 288.18 0 . 2 0.8306 3.0204 447.09 7.1155 1.3580 153.33 0 . 3 0.8214 3.9898 306.12 6.2130 0.8779 118.275 用於適度電容値之充電泵操作點 (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 如同表1中的三操作I占欄所示般:—，在充電（R c H G ) 及放電（R D ! s )階段期間遇到的串聯電阻對於電力輸出 級4 4之最大電流容量具有最有效的效果。雖然較大的飛 散（CF)及負載（Cl)電容器改變此能力，但是，隨著 它們的電阻增加，改進量會減輕。增加電容器値對於降低 输出電壓漣波V R i P而非電流容量具有較大的比例效果。 上述分析係顯示假使輸出電壓被感測以作爲回饋時電 力輸出級4 4動態地受控以取得所需的輸出電壓V ◦ υ τ。 廣泛地用於電子裝置中之典型的「電子」電容器（導 證之間的介電質，舉例而言，鉅聚合物）特徵爲微秒至毫 秒內自行放電，並具有1 - 1 〇佰萬充電循環之循環壽命 。用於電子電容器之短的自行放電時間之缺點意指振盪器 本紙承尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） -41 - 533667 Α7 Β7 五.、發明説明（39 ) 爲基礎的充電泵2 0必須以作用週期操作，作用週期係在 電子電容器充電及放電之速率與電子電容器自行放電之速 率之間。 ： 結果，習知的振盪器爲基礎之充電泵2 0無法利用以 週或月量測的自行放電時間之超電容器及類似的高儲存裝 置。超電容器係電化學雙層電容器，其藉由極化電解液以 靜電地儲存能量。其能量儲存物理中並無化學反應。結果 ，不似電化學電池之儲存方法，超電容器是極度雙向的（ 可恢復）並因而能充電及放電數仟次。適當的超電容器之 實施例係可從加州聖地牙哥Maxwell Technologies取得之 P S - 1 〇。 ! 應瞭解「超電容器」一詞係包含數種型式的大電容器 '，通常特徵爲因相當低的電荷洩露而'具有高效率。因此， “超電容器”包含雙層電解電容器（通常稱爲超級電容器 ^超電容器、及強力電容器）、以及擬電容器。 根據本發明的另一觀點，具有用於飛散電容器C F及負 載電容器C L之超電容器之充電泵能夠提供5 W或更高的電 力，對其而言，5 0 - 2 0 0 Η z的操作頻率將是適當的 〇 如同下述詳述般，發明之一實施例的動態控制器5〇 能夠以振盪器爲基礎的充電泵2 0之頻率操作；但是，動 態控制器5 0也能夠以相當低的操作頻率操作。結果，動 態控制器5 0可利用超電容器增加的儲存能力。 ___ 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） !rll·----f (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -42- 533667 Α7 Β7 五、發明説明（40 ) 次一伏特電源轉換器 •參考圖7，以上階方塊圖形式，顯示根據發明的原理 之動態控制的電源轉換器4 0 A之一實施例。從下述實施 例中明顯可知，說明之實施例藉由動態地控制非反相充電 泵電力輸出級44A以允許來自能源12之輸入電壓Vs步 升或步降至調節的輸出電壓Vqut。電力轉換器4 0 A也 以一伏特以下的輸入電壓V s操作。特別地，電力開關Μ 1 一 Μ 4用於回應低臨界切換訊號S 1及S 2。此外，如同 下述明顯可知，電源轉換器4 0 Α可以以積體電路輕易地 實施，因而具有小尺寸及成本。 圖7之說明的電源轉換器4 0 A包含電力控制器 4 6 A及類似於上述用於圖5之電力輸出級4 4A。電力 控制器4 6 A包含比較器9 4，比較‘器_ 9 4會回應掉至參 考電壓V R E F之下的V ◦ υ τ以產生切換訊號。有利地，比 較器9 4又回應飛散電容器VF的電壓及輸入電壓Vs，以 控制充電階段之持續時間。特別地，比較器輸入切換電路 9 8使得相同的比較器9 4能夠如下所述般用於充電及放 電循環期間。 在充電階段期間，預定的部份輸入電壓e V s經由比較 器輸入開關Μ 9稱合至第一比較器單元1 〇 〇，比較器輸 入開關Μ 9會回應充電循環切換訊號S 1而閉合。插入於 開關Μ 9與能源1 2之間的V s分壓器1 〇 2提供預定的部 份ε並造成Vs的縮減。也爲了回應充電循環切換訊號s1 ，飛散電容器電壓V F經由比較器輸入開關μ 1 〇而耦合至 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210x 297公釐） (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -43- 533667 A7 B7 五、發明説明（41 ) 第二比較器輸入1 0 4。當飛散電容器電壓VF達到預定的 部份輸入電壓ε V s時，比較器接著產生切換訊號。 在放電階段期間，參考電壓V R E F經由比較器輸入開 關Μ 1 1耦合至第一比較器輸入1 〇 〇以回應放電循環切 換訊號S 2。而且，由V〇ut分壓器1 〇 8提供的預定部 份V ◦ υ τ會藉由比較器輸入開關Μ 1 2而耦合至第二比較 器輸入1 0 4，以回應切換訊號5 2。 關於比較器9 4的不同輸入之比例，習於此技藝者顯 然可知對於特定應用而言不同的比例組合是適當的。舉例 而言，說明的實施例係根據步升電源轉換器配置及相當低 的參考電壓VREF。因此，7〇117分壓器1〇8於需要時 允許V ◦ U T縮減以使用單一參考電壓以取得所需的輸出電 壓V。U T之範圍。在V。U 7低於參考·電壓之應用中，可取 代地使用V ◦ υ τ倍壓器或是分壓器以縮減來自電壓基準 9 6的輸出至所需的參考電壓V r e F。同樣地，對於步降 電源轉換器而言，其它變化也是明顯可知的。此外，假使 需要時，可使用第二比較器以及比較器9 4。 來自比較器9 4之切換命令會由時序控制器1 2接收 以產生充電切換訊號S 1及放電切換訊號S 2。延遲 1 1 4會有利地插入於比較器9 4與時序控制器1 1 2之 間而在切換時造成滯後現象以避免不避要的切換及減少來 自較高操作頻率之Ε Μ I發射的效應。 圖7係顯示推挽啓動電路1 1 6，當電力輸出級 4 4 Α放電時用於初始化其操作，且如同將參考圖1 1之 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） —— (請先閎讀背面之注意事項#填寫本頁} -訂 線一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -44 - 533667 A7 B7 五、發明説明（42 ) 詳細說明所述般，動態控制器5 〇 A未取得電力輸出級 4 4 A的控制。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 對於半導體可能於冷啓動期間（亦即初始放電負載電 容器C )佇鎖於接地之本實施例之積體電路實施例而言， 啓動電路1 1 6是需要的，以防止動態控制器5 Ο A取得 電力輸出級4 4 A的控制。更常見的是，啓動電路可縮短 冷啓動直至以所需輸出電壓V ◦ υ T操作之期間所需的時間 〇 如同所示，啓動電路1 1 6係使能源1 2的正端3 0 耦合至飛散電容器CF之第一端31而非直接耦合至負載電 容器C l的第一端3 2。但是，如下所述，由於選取常態閉 合開關Μ 2，所以應瞭解啓動電路有效地耦合至啓動（冷 啓動）情形中的負載電容器C l。 · _ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 在諸如電源轉換器4 Ο Α之容量之外的暫態高負載之 某些情形期間，可使用包含於電力控制器4 6 A中的旁通 控制電路1 1 8。暫態高負載特徵爲預定量値之輸出電壓 洚低（壓降）以要求更多的容量。因此，旁通電路1 1 8 會將V。U T與參考電壓V R E F比較。當在V ◦ υ τ中偵測到壓 降時，旁通電路1 1 8會產生用於旁通開關Μ B之旁通切 換訊號S β，旁通開關Μ Β藉由使能源1 2的正輸入端3 0 直接耦合至輸出端4 2以回應。同樣地，旁通電路1 1 8 t回應電源轉換器4 Ο Α導因於低輸入電壓之可能發生的 故障，其中藉由移除電源轉換器4 Ο A的耗電，可最佳地 提供延長的壽命。因此，旁通電路118也會比較電壓Vs 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） -45- 533667 A7 B7 五、發明説明（43 ) 興參考電壓V r e f並據此操作開關Μ B。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) ： 圖7的電源轉換器4 Ο Α之操作顯示於圖8 — 1 0的 流程圖中。參考圖8，電源轉換器1 3 0始於被放電的儲 存元件，因此，如同參考圖9及1 1所述般，執行啓動操 作1 3 2以防止在積體電路實施中佇鎖於接地。如同參考 圖9所述般，在啓動操作1 3 2之後，電源轉換器操作 1 3 0進入動態操作1 3 4。 動態操作1 3 4通常會繼續進行直到被中斷爲止，如 同區塊1 3 6所示般，決定輸出電壓V。υ τ是否下降，假 使爲否，則繼續動態操作1 3 4。V。υ τ中的壓降係輸出 電壓V。υ τ下降，表示可能超過電源轉換器4 Ο A的能力 之大暫態負載。假使在區塊1 3 6中，偵測到V。υ τ下降 ，則如同上述般，執行暫態旁通，將輸出端電耦合至能源 一段時間（區域1 3 8 )。在符合發明之某些應用中，暫 態旁通會使電源轉換器4 Ο A與能源1 2及輸出端4 2、 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4 3解除電耦合。解除耦合之優點包含避免電力輸出級 4 4 A放電，電力輸出級4 4 A放電會在暫態結束之後造 或恢復期。在符合發明的其它應用中，暫態旁通不會使電 源轉換器4 Ο A與能源1 2及輸出端4 2、4 3解除耦合 ，以致於電源轉換器4 Ο A有助於提供負載裝置1 4需要 的電力。 假使輸出電壓仍然維持低（區域1 4 0 )，則旁通會 處於佇鎖狀態中（區塊1 4 2 )。假使在區塊1 4 0中V 0 υ τ已恢復，則在區塊1 4 4中藉由決定電流過載條件是否 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210乂297公釐） -46- 533667 A7 ______B7_^__ 五、發明説明（44 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 存在，以執行另一保護特徵。舉例而言，在可能提供之電 流量上，能源可能有其安全限制，可能是某些持續時間。 :或者，汲取輸出電流之負載裝置1 4可能處於會發訊給電 源轉換器操作1 3 0之故障模式。因此，假使電流過載（ 區塊1 4 4 )，則輸出端會與能源（區塊1 4 6 )斷接。 但是，假使在區塊1 4 4中無電流負載，則在區塊1 4 8 中，決定控制器是否關閉。這代表不同的保護措施可能造 成電源轉換器需要被重新啓動之情形。因此，假使控制器 關閉（區塊1 4 8 )，則電源轉換器操作1 3 0會回歸至 啓動操作（區塊1 3 2 )，否則進入動態操作（區塊 13 4)。 應瞭解圖8中所示的順序流程圖係說明可獨立地及連 續地執行之不同保護及模式或是符合·發明之保護特徵的不 同組合。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 參考圖9，其以流程圖形式說明圖8中所指的啓動操 作1 3 2。此啓動操作1 3 2的優點包含根據發明之電源 轉換器4 Ο A如何以低於一伏特的輸入電壓啓動。對於諸 如負載電容器C t等被放電的儲存電容器可能造成不適當的 電力控制器4 6 A之積體電路應用而言，這是特別需要的 。此外，啓動操作1 3 2建議使用發明作爲低輸出需求的 另一充電泵，其中，由整個電源轉換器消耗的電力可減少 〇 典型的振盪器爲基礎之電源轉換器2 0具有推挽的外 部大電力蕭特基二極體，其會從能源1 2耦合至負載電容 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公羡） -47 - 533667 Α7 Β7 五、發明説明（45 ) 器。當負載電容器電壓Ve低時，蕭特基二極體導通， 以開始將負載電容器C L充電，以及提供電力給負載裝置 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 1 4。無增加的蕭特基二極體時，負載裝置1 4用以防止 負載電容器C t因典型積體電路開關矩陣4 8佇鎖於接地而 充電。 加入蕭特基二極體會防礙振盪器控制器電源轉換器 2 0所需的微小化。此外，蕭特基二極體會於振盪器控制 電源轉換器2 0的常態操作期間消耗電力，因而降低效率 〇 因此，希望在正常操作期間，啓動動態控制電源轉換 器4 Ο A而不會有礙效率。也希望以無外部元件之方式集 成電源轉換器4 Ο A以達成此點。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 啓動操作1 3 2始於區塊Γ 50·中負載已施加至電源 轉換器之初始條件，且在區塊1 5 2中，輸入電壓可用於 電源轉換器。然後，決定電源控制器是否關閉且未控制電 力輸出級（區塊1 5 4 )。假使電力控制器開啓（區塊 1 5 4 )，則小的啓動電容器C Q P U M P會浮動（區塊 1 5 6 )並達成啓動操作1 3 2。 假使在區塊1 5 4中控制器爲關閉，則啓動開關閉合 以提供輸入電壓Vs給啓動電容器Cqpump (區塊1 5 8 )且啓動電容器Cqpump會接地（區塊1 6 0 )。當啓動 電容器c Q P U M P充電時（區塊1 6 2 )，其會放電至儲存 電容器（舉例而言，負載電容器）（區塊16 4 )且包含 啓動電容器C Q ρ υ Μ Ρ之啓動電路會與電源轉換器（區塊1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X 297公釐） -48- 533667 A7 B7 五、發明説明（46) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 6 6 )的開關矩陣解除耦合。然後，啓動操作1 3 2回至 區塊1 5 4以看看此啓動循環是否足以致動控制器及後續 的啓動操作循環是否於需要時重覆。 參考圖1 0，其以流程圖形式顯示圖8中所指的動態 操作1 3 4 °首先，飛散電容器切換成與輸入電壓v s並聯 以致於飛散電容器被充電（區塊1 7 0 )。當飛散電容器 電壓Vf超過某些預定的部份輸入電壓Vs (舉例而言，

Vs的80%)(區塊172)，則藉由使飛散電容器Cf 與並聯的輸入電壓V s解除耦合（區塊1 7 4 )及延遲呆滯 時間延遲T D E L (區塊1 7 6 )，以結束充電階段。 然後藉由決定動態操作1 3 4是否爲步升或步降操作 而於區塊1 7 7中開始放電循環。假使步升，則在放電階 段期間，飛散電容器電壓V F會加至輸入電壓V s，假使步_ 降，則單獨使用飛散電容器電壓V f。雖然這些增加的決定 藉由諸如改變參考電壓V R E F而於需要時有利於允許調整 输出電壓V。ϋ T，但是，此選擇可能是預定的及預設的而 非於動態操作1 3 4的每一階段期間決定。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 因此，在區塊17 7中，決定參考電壓vREF是否小 於輸入電壓V s (亦即，步降操作）。假使爲是，則飛散電 容器C f單獨橫跨負載電容器C l (區塊1 7 8 )。否貝[J， 輸入電壓Vs及飛散電容器C F會橫跨負載電容器c ^串聯 (區塊179)。在區塊178或179之後，然後執行 最小放電時間延遲T D I S以允許飛散電容器C F不用相對於 輸出電壓Vqut而完全放電（區塊18 0)。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21〇><297公釐） -49- 533667 A7 B7 五、發明説明（47 ) 然後，動態操作1 3 4會在此狀態中等待，而輸出電 壓大於參考電壓VREF (區塊18 2 )。這是因爲 比較器的非補償性質。假使先前充電/放電循環期間傳輸 的電荷量不足以將用於V〇UT之負載電容器c l充電至超過 V R E F，則立即需要另一後續的充電/放電循環。在其它 實施例中，先前的充電/放電循環已足夠。因此，動態操 作1 3 4接著繼續等待一段時間直到負載裝置或自負載電 容器的自行放電使負載電容器充份地放電。當V ◦ U T不大 於V R E F時，飛散電容器C F會與負載電容器C L解除耦合 (區塊18 4)，包含假使步升時，使輸入電壓Vs與負載 電容器C L解除耦合。然後，施加另一呆滯時間延遲T D E L (區塊1 8 6 )，並藉由回歸至區塊1 7 0的充電階段以 重覆循環。 _ — ......... · 應瞭解，爲了淸楚起見，上述的動態操作丨3 4會從 使飛散電容器C F充電開始直到諸如確保放電階段之時間爲 止。但是，在說明的實施例中，充電階段在實施上係放電 階段內的巢狀操作。特別地，電源轉換器會初始並維持於 放電階段直到又需要充電之時間爲止（舉例而言，V ◦ υ τ 降至V R E F以下）。然後，執行充電階段。一旦完成時， 則立即在必要的上述延遲之後，再度開始放電階段。之後 ，電源轉換器4 Ο A再度維持在放電狀態，等待更多需要 的充電。 參考圖11，其顯示用於圖7的電源轉換器40A之 積體電力輸出級4 4 A，其係以0 · 3 5微米雙金屬矽化 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ——！----f (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、v 一口 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -50- 533667 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（48 ) 物製程（二金屬、二多晶金屬矽化物）實施之積體電路， •此製程係利用能夠低臨界（舉例而言，次一伏特）控制 Μ〇S F E T電晶體開關，此製程揭示於與本案共同申請 並由本案申請人擁有之2 〇 〇 〇年3月2 2日申請之：U.S. Serial No. 09/，標題 “Lateral Asymmetric Lightly Doped Drain MOSFET” ，Ying Xu 等等(P&G Case 7992 ) ，ltt 處——f幷 作爲參考。除了具有低臨限控制之外，所揭示的 Μ〇SFET裝置具有低的開啓電阻，直接有助於根據發 明所使用的開關矩陣4 8之效率。 雖然在圖1 1中以單一電晶體顯示，但是，電力開關 Μ 1 — Μ 4以及旁通開關Μ Β具有可調比例的電流能力， 藉由倂入低臨限Μ 0 S F Ε Τ裝置陣列而調整至所需的峰 値輸出電流。如同上述參考的申請案中所述般， Μ〇S F Ε Τ電力開關Μ 1 - Μ 4設計成有利於低開啓電 阻及高關閉電阻以用於開關矩陣4 8的有效率操作。 一般而言，選擇製造上較小、切換較快、及無閘極電 壓下常態關閉之η —型Μ〇S F Ε Τ裝置。但是，在某些 實施例中，可有利地使用Ρ型Μ〇S F Ε Τ開關。首先， 如同下述中更加淸楚可見般，在飛散電容器CF的第一端 3 1與負載電容器C l的第一端3 2之間使用ρ型電力開關 Μ 2，可允許根據發明之一觀點之次一伏特累進啓動電路 1 1 6，其僅需使一電力開關Μ 1偏壓以啓動電源轉換器 4 0 Α。

啓動電路116包含P型M0SFET啓動開關MS 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 丨丨：---：---------IT------,a· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -51 - 533667 \ A7 _\__B7^_____ 五、發明説明（49 ) ，其配置成當電力輸出級44A放電時用以致動啓動電路 1 1· 6。此處，將於下進一步討論用於控制開關之不同訊 號（舉例而言，S 1、S 2、S 2 N ) 。M S的汲極耦合 至輸入電壓V s及閘極與源極均耦合至飛散電容器C Ρ的第 一端3 1。耦合至飛散電容器Cf的第二端3 4之二電力開 關Μ 3、Μ 4係η型的且因而斷開，以致於飛散電容器C f 會於此情形中浮動。但是，電力開關Μ 2如上所述般爲Ρ 型電晶體並因而與此情形中最初未被供予電力之電力控制 器4 6相閉合。結果，啓動開關M S也令其閘極及源極耦 合至最初爲零之V。υ τ。因此，啓動開關M S的閘極會接 地，且啓動開關M S開始將輸入電壓V s導通至負載電容器 Cl。 但是，此一小Μ〇S F E T的電’流能力不足以將負載 電容器C t充電。因此，啓動開關M S不直接地用於閉合電 力開關Μ 1，以致於輸入電壓V s會提供給負載電容器C L 。特別地，來自啓動開關M S的源極之輸入電壓會耦合至 η型開關Μ 1 3的閘極。開關Μ 1 3會因來自開關M S之 輸入電壓V s而閉合。當開關Μ 1 3閉合時，在汲極之輸入 電壓V s會傳送至源極，源極接著耦合至啓動電容器 Cq PUMP的第一端1 9 0。啓動電容器Cqpump的第一·端 1 9 2耦合至電晶體對Μ 1 4、Μ 1 5，電晶體對Μ 1 4 、Ml 5配置成當電力控制器4 6 Α不操作時，啓動電容 器C Q P U Μ P的第二端1 9 2接地。否則，電晶體對Μ 1 4 、Μ 1 5配置成使啓動電容器C q ρ υ Μ Ρ的第二端1 9 2浮 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210X297公釐） — -----Φ—, (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T 線一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -52- 533667 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 '、 B7___五、發明説明（50 ) 動。特別地，啓動電容器c Q p u M P的第二端1 9 2耦合至 Ρ型開關Μ 1 5的汲極及耦合至Π型開關Μ 1 4的源極。 當電力控制器4 6 Α正操作時，開關Μ 1 5使其源極接地 並藉由負偏壓而使其閘極偏壓以斷開開關Μ 1 5。因此， 當電力控制器4 6 Α操作時，啓動電容器C Q P U Μ Ρ的第二 1 9 2會與接地斷接。當電力控制器操作時，開關Μ 1 4 會使其汲極親合至輸入電壓V s並藉由正偏壓而使其鬧極偏 壓以閉合開關Μ 1 4。 參考圖12，其顯示適用於圖7的電力轉換器40Α 之電路。圖1 2係顯示一電路實施例，其用於使比較器 9 4偏壓以在充電階段及放電階段期間執行比較。在充電 及放電階段期間，電路先前已啓動且電力控制器4 6 Α會 操作以產生切換訊號（舉例而言，^1、S 2等等)。面 同用於圖7之說明，在以S 1閉合Μ 9及Μ 1 0之充電階 段期間，輸入電壓V s分壓器1 0 2會將輸入電壓V s減少 預定部份（舉例而言，8 0 % )，以與飛散電容器電壓V F 比較。在以S 2閉合Μ 1 1及Μ 1 2之放電階段期間， 分壓器1 0 8會使用於正確比較之輸出電壓VqUT 與來自電壓基準9 6之參考電壓成比例。 圖1 2也顯示電力控制器電路4 6 A之時序控制器 112，其提供下述中更加詳述之多個訊號P—S2NA 、P — S2NA、S2、S2N、P - SI、S1、 :S 1 N以執行等同於充電切換訊號s 1及放電切換訊號 S 2之訊號。由於比其它開關要求更多電流之電力開關 本纸張尺度適用中國國家標準（CNS )八4規格（210X 297公釐） ~ -53- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) P. 、11 線 533667 A7 B7_ 五、發明説明（51 ) Μ 1 — Μ 4，所以對於說明的實施例而言，將需要此多個 訊號，且電力開關Μ 2、Μ 4係Ρ型的並因而比η型電力 Μ〇S F Ε Τ電力開關Μ 1、Μ 3在切換上更慢。施加至 個別閘極之訊號中需要某些延遲，以便防止跨導，其中‘ Ml、 M3中的一者或二者會與M2、 Μ4之一或二者同 時閉合。 參考圖1 3，其顯示電壓基準9 6的一實施例，根據 發明的觀點，此實施例能夠具有次一伏特輸入電壓V s操作 。固定電流電路2 0 0會供電給電壓基準軌電路（voltage reference-to-rail circuit) 2 0 2，隔離電壓基準軌電路 2〇2與輸入電壓Vs之變化。輸出緩衝器2 0 4會使來自 電壓基準軌電路2 0 2之未放大的參考電壓放大。爲了電 壓基準軌電路2 〇 2之溫度補償，並二極體陣列絕對溫 度比例（PTAT)電路2 0 6會使電路2 0 2偏壓。 參考圖1 4及1 5，其顯示圖7之電力控制器4 6A 之比較器9 4的一實施例。由於差動放大器2 0 6 -2 1 0在拒斥共模態訊號中是有效的，所以，使用它們是 有利的。舉例而言，共模訊號可能在輸入上感應雜訊。積 體電路差動放大器具有相當低的輸出增益。在二方面上此 意指：在輸入電晶體中的非線性方面及提供電力控制器 4 6 A的較後級需要之電流增益方面。爲了提供輸入非線 性的某些抵消，顯示三差動放大器組合，其中，第一差動 放大器2 0 6會在其負輸入接收V+輸入並在其正輸入接 收V -。第二差動放大器2 0 8會在其負端接收V -輸入 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） 丨！----P, (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 - 54- 533667 \ A7 ___B7____ 五、發明説明（52 ) 並在其正端接收V -。第一差動放大器2 Ο 6的輸出耦合 至第三差動放大器2 1 0之負端，而第二差動放大器 2 0 8的輸出耦合至第三差動放大器2 1 0的正輸入。第 四差動放大器2 1 2配置成電壓輸出緩衝器以增加來自第 三差動放大器2 1 0之比較器切換訊號（〇u t +、 Out—) 〇 參考圖16，其顯示用於圖7的電力控制器46A之 時序控制器電路1 1 2之一實施例。基本上，時序控制器 電路1 1 2負責執行所需的個別切換命令以在充電及放電 階段之間重新配置電力輸出級4 4 A。此外，用於電力控 制器4 6 A之時序控制器電路1 1 2必須使成對的開關及 順序的開關正確地切換以避免某些切換組合。舉例而言， 充電階段電力開關Μ 1及Μ 3均不應^與放電階段開關Μ 2 及Μ 4中任一者同時閉合。否則，.會發生交叉導通（或跨 導），其中，舉例而言，如同上述般，能源1 2會暫時地 短路至輸出端4 2。 參考圖1 7，其顯示用於時序控制器電路1 2之時序 圖。特別地，S 1訊號係由動態控制器5 0內部使用的充 電階段訊號。S 2訊號係由動態控制器5 0內部使用的放 電階段訊號。P S 2 N b訊號係用於ρ型Μ〇S F Ε Τ Μ 2之較高的電流切換訊號，相對於S 2訊號，其係被延 遲以防止交叉導通，並由導因於被正電壓斷開之Ρ型 MOSFET M2之S2所反相。P S2Na係用於 ρ型MOSFET M4之高電力切換訊號，相對於 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) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -55 - 533667 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（53 ) P — S 2 N b，其係被延遲_ p S 1訊號係用於電力 Μ〇S F E T開關Μ 1、Μ 3之S 1的較高電流版本。 S 2 Ν訊號係.用於啓動電路1 1 6，特別是開關Μ 1 4之 S 2訊號之反相版本。S 1 Ν訊號係用於啓動電路1 1 6 ，特別是開關Μ 1 5之S 1的反相版本。 雖然已藉由數個實施例之說明以解釋本發明，並且已 相當詳細地說明實施例，但是，申請人並非意圖以此詳述 以限制後述之申請專利範圍之範圍。習於此技藝者顯然可 輕易瞭解發明之其它優點及修改。 舉例而言，已討論非反相充電泵電力輸出級4 4 Α之 動態控制。習於此技藝者顯然可知符合本發明之本文獻的 優點係可動態地控制反相充電泵電力輸出級。 符合發明之電源轉換器4 Ο A可’應用於寬廣範圍的產 品。舉例而言，利用積體電路取得的小尺寸以及上述低耗 電特性之電源轉換器，可有利地用於電池封裝以強化電池 使用壽命及需要的能量及量値。 此外，符合發明之電源轉換器4 Ο A無論是倂入於能 源12或是利用能源12之負載裝置14中，將可改進或 增加可攜式電子裝置1 0的範圍。舉例而言，能源1 2的 尺寸及重量之縮減，將允許較少的侵入性醫療診斷、能量 配送、或急性醫藥配送裝置，不論其爲穿戴式或植入式裝 置。 此外，藉由倂入根據發明之電源轉換器，可改進目前 由電池或類似的能源1 2供給電力之可攜式電子。舉例而 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） _ 訂 線~ (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) -56- 533667 A7 B7 五、發明説明（54 ) (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 言，在可攜式通訊裝置及可攜式音響裝置中，經由增加的 效率可取得改進的使用壽命，且當因需求減少而可允許降 低電源轉換器4 Ο A的操作頻率時，則藉由如此作法，可 增進性能，並因而降低雜訊。 而且，符合發明之大部份或完全集成的電源轉換器 4 Ο A可提供足夠小的有效率之電源給記憶體、邏輯電路 及其它積體裝置。舉例而言，電源轉換器4 Ο A可嵌入於 也含有記憶體、邏輯電路或其它積體裝置之積體電路的一 部份中。 此外，與動態適應輸入電壓有關，特別是與低輸入電 壓有關之發明的觀點，允許輸入電壓爲揮發性或不適用於 一般習知的電源轉換器之應用。舉例而言，光電伏打電池 提供與表面積及入射的照射能量有關‘之電力。結果，使用 光電伏打電池之裝置通常會因光量不足而無法操作，而必 須限制功能維持於典型量的可用電力之內，及/或必須增 加光電伏打電池專用之表面積。因此，電源轉換器4 0 A 允許較小的光電伏打電池及較寬廣的發光條件之使用。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 關於增加的又一實施例，爲淸楚起見，顯示單一飛散 電容器C F及負載電容器C L。習於此技藝者應瞭解符合發 明之電源轉換器4 Ο A可包含複數個飛散電容器C F及/或 複數個負載電容器C L。此外，飛散電容器C F及/或負載 電容器Cl可包括用於電能及磁能之不同的儲存裝置。 關於另一實施例，符合發明之電源轉換器4 Ο A可倂 入於範圍寬廣的產品。舉例而言，上述利用小尺寸及低耗 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X 297公釐） -57- 533667 A7 B7 五、發明説明（55 ) 電（亦即，效率）特性之電源轉換器4 〇 A可利地倂入於 .電池封裝中以增進電池使用壽命及所需的能量和量値。以 類似於下述共同申請且共同擁有的申請案揭示之方式，完 成電源轉換器4 Ο A的倂入，這些申請案係於1 9 9 8年 四月二日之申請：U.S. Serial No.09/054,1 92，案名爲“ PRIMARY BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER TO EXTEND BATTERY RUN TIME ”，發明人爲 VlacHnnr Gartstein 及 Dragan D.Nebrigic; U.S· Serial No. 09/054，191， 案名爲” BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER TO EXTEND BATTERY SERVICE RUN TIME，，，發明人爲 Vladimir Gartstein 及 Dragan D.Nebrigic; U.S. Serial No. 09/054,087 ,案名爲” BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER” ，發明人爲 Vladimir Gartstein 及 Dragan D.Nebngic ;以及美國優先前申請案序號（30/080,427，案名 爲” BATTERY HAVING A BUILT-IN CONTROLLER TO EXTEND BATTERY SERVICE RUN TIME，，，發明人爲 Dragan D.Nebrigic，Milan M. Jevtitch，Vig Sherrill, Nick Busko, Peter Hansen,及 Wiliam Millam。所有上述申請案此 處一倂列入參考。 三熊充電泵控制 在符合此處所述之發明的其它態樣中，充電泵的動態 控制可使飛散電容器電壓及/或負載電容器電壓維持在預 的電壓漣波帶內。在預定電壓漣波內使飛散電容器充電 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） — — — — —----P, (請先閲讀背面之注意事項再.填寫本頁) 訂 線一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -58- 533667 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明説明（56 ) 及放電之優點包含增進效率。在電壓區內利用飛散電容器 ，則電.荷轉換率及轉換期間的內部損耗會最大化。藉由最 佳化飛散電容器的每一充電/放電循環期間之電荷轉換， 可減緩切換損耗。同樣地，使橫跨負載電容器的電壓維持 在預定的電壓漣波帶之內的一優點係用於改進效率。 以源極電壓V S (舉例而言，電池電壓V B A T )的觀 點而言，電壓漣波可由用於界定飛散電容器電壓漣波帶（ 舉例而言，α V B A T、/3 V B A T )之二比例化的電池電壓 臨界値所界定。但是，電池電壓V B A τ會因電池的內電阻 而降低，特別是在峰値負載期間及電池的使用壽命的後段 部份期間。結果，飛散電容器電壓漣波帶也將變成較低。 由於開關Μ 1 — Μ 4中的電阻及電容器C L及C F的E S R 相較於電池的內阻而言係較低，所以：，電池中的壓降會在 電路中造成穩定問題。結果，符合發明的觀點之實施例使 用固定的電壓基準以避免不穩定問題。 但是，可能有降低固定的電壓基準以回應降低的電池 電壓趨勢之優點。舉例而言，以電壓雙倍充電泵，在給定 的降低電池電壓下，所需的輸出電壓變成變成無法取得。 爲回應感測降低的電池電壓，可使用增加的充電泵級或增 加的飛散電容器，以取得所需的輸出電壓，並減少用以觸 發充電/放電循環之電壓臨界値。決定電池電壓的趨勢之 一方式係於無負載條件期間，舉例而言，在用以防止交換 電流之充電與放電循環之間的時間延遲期間，取樣電池電 壓。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ：297公釐） ——：---：-----φ-------IT------A· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -59 - 533667 ' A7 \、 B7 五、發明説明（57 ) 參考圖1 8，流程圖係說明用於控制飛散電容器的電 壓漣波之一電路的操作.。首先，決定飛散電容器是否被充 電至最大的飛散電容器電壓，亦即，MAX (區 塊2 0 0 )。假使爲否，則飛散電容器會被充電直至達到 最大的飛散電容器電壓爲止（區塊2 0 2 )。當飛散電容 器被充份地充電時，飛散電容器會與電壓源及負載電容器 解耦合（區塊2 0 4 )並被置於稱爲等待狀態之狀態內。 此等待狀態變成充電泵的第三狀態加上充電及放電狀態。 藉由已充電及等待被派遣之飛散電容器，可避免延遲（亦 即，在輸出電壓被感測到下降太低之後，必須使飛散電容 器充電之延遲）。因此，充電泵的電力容量增加。此外， 在某些充電泵配置中，有利於負載電容器提供電壓源給輸 出電及使飛散電容器解除耦合（舉例’而言，步降配置）。 因此，根據發明的一觀點倂入之等待狀態在這些方面是有 利的。 當飛散電容器在等待狀態時，在區塊2 0 6中決定輸 出電壓是否小於或等於參考電壓，亦即，V ◦ S V R E r。假 陵輸出電壓未小於或等於參考電壓，則在輸出端無須飛散 電容器且控制器維持在等待狀態（區塊2 0 4 )。一旦輸 出電壓降至參考電壓或之下（區塊2 0 6 )，則飛散電容 器會耦合至輸出並被置於放電狀態（區塊2 0 8 )。飛散 電容器維持在放電狀態直至決定（區塊2 1 0 )飛散電容 器電壓V F小於最小的飛散電容器V F , μ ! N (區塊2 1〇 )。一旦放電至此飛散電容器電壓之飛散電容器電壓漣波 本紙張尺度ίϊ用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 丨 — ：I____#! (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -60 - 533667 A7 B7 五、發明説明（58) 帶的底部時，則控制回至區塊2 0 2以使飛散電容器再充 電並準備根據發明之下一充電-等待-放電循環。 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 雖然未顯示於圖1 8中，但是，應瞭解又可決定用於 輸出電壓之最大及最小電壓基準以致於可控制輸出電壓中 的電壓漣波。因此，可採用控制中的進一步滯後。 多重輸出電源轉換器 電源轉換器2 3 0的另一實施例顯示於圖1 9中，顯 示用於提供可選擇的不同輸出電壓位準之電路的方塊圖。 舉例而言，顯示1.8V、 2.5V、 3.0V、 3.3 V、及5 · 0V的位準。應瞭解可考慮其它電壓，舉例而 言，較低電壓（例如，1 · 2V、 1 · 5V)以及較高電 壓位準（例如，7 · Ο V )。 ‘ 用於不同電壓位準之每一整體輸出級2 3 2 a -2 3 2 e可如上所述爲步升或步降充電泵電力輸出級，以 個別的飛散電容器CF1 - CF5及負載電容器CL5 。五個位準及相關的輸出級顯示於圖1 9中。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 用於每一輸出級2 3 2 a — 2 3 2 e之動態控制係由 多重輸出控制器2 3 4提供。多重輸出控制器2 3 4接收 能隙電壓基準以用於使參考電壓v R E F比例化成控制每一 輸出級2 3 2 a — 2 3 2 e所需的不同臨界位準。多重輸 出控制器2 3 4也會回應致動匯流排2 3 8以選擇性地開 啓每一輸出級2 3 2 a — 2 3 2 e。根據發朋，多重輸出 控制器2 3 4提供充電及放電切換訊號給個別的輸出級 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（21 〇 X 297公釐） -61 - 533667 A7 B7 五、發明説明（59 ) 2 3 2 a — 2 3 2 e，分別以訊號匯流排s 1 1 - 5及 S 2· i — 5表示。多重輸出控制器2 3 4會產生這些充電/ 放電訊號以回應飛散電容器電壓V F* - i - V F-5及五輸出 電壓（亦即，1·8 V 0 U T - 5 . 0 VOUT)。 參考圖2 0，其顯示用於圖1 9的電力輸出級 2 3 2 a — 2 3 2 e之一實施例的電路，類似於上述圖5 。耦合於節點V 11 F L Y — H i。Η與V n F L γ — L ◦ W之間的飛散 電容器C Ρ以及從節點V ◦ Ν耦合至接地之負載電容器c L並 未顯示。 圖示於圖20中的電力MOSFET Μ1Α、 Μ 2 A、Μ 1 Β、及Μ 2 Β對應於上述開關Μ 1、Μ 2、 Μ 3及Μ 4。此外，當多重輸出控制器2 3 4不致動以在 啓動期間使負載電容器C Γχ Γ C \ 5充電時，於ρ型 Μ〇S F E T開關Μ 3會使電源（V C C )耦合至輸出。 接著，當輸出電力級2 3 2 a - 2 3 2 e正被操作時，將 由多重輸出控制器234產生S3N訊號。如J;所述，用 於某些開關之控制訊號可視所使用的Μ〇S F E T的型式 (舉例而言，ρ型、η型），而相對於用於其它開關之訊 號爲反相或被延遲。（舉例而言，S 1、Sin、S 2、 S 2 η、等等） 參考圖2 1，顯示用於輸出控制器2 3 4 a之方塊圖 ，輸出控制器2 3 4 a係用於多重輸出控制器2 3 4的一 通道或電壓位準（舉例而言，1 · 8V)。根據電壓電壓 Vbat於比較器2 5 0與飛散電容器電壓Vf的比較以在二 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） ------？ (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

、1T 線- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -62- 533667 、' A7 ____ B7_ 五、發明説明（60 ) 比例化的臨界値α V B A Τ、A V B A T之間切換飛，而達成 散電容器電壓V F 1的電壓漣波之控制。根據參考電壓 V R E F於比較器2 5 0與輸出電壓v Q 1的比較以在二比例 化的臨界値α V R E F、/3 V R E f之間切換飛，而達成橫跨 個別負載電容器之輸出電壓V ◦的電壓漣波控制。切換比較 的結果提供給切換邏輯機構及交錯延遲電路2 5 4，它們 接著產生充電及放電訊號S 1 1及S 2 1。輸入多功器（ M U X ) 2 5 6控制臨界値之間的切換以回應控制器 2 3 4 a是否目前正處於充電或放電模式中。如同參考圖 20之上述所述般，來自切換邏輯機構及交錯延遲電路 2 5 4之訊號S 3 1有利於允許啓動。 取決於輸入電壓或輸入電壓（V I N )，輸出級 232a — 232b之一或更多可永:久地配置成步升（推 挽）或步降（下降）或是可重配置的步升/步降。對後者 而言，輸出控制器2 3 4 η包含比較器2 5 8，以感測電 池電壓V ΒΑΤ是否在參考電壓7&^^之上或之下，將結果 提供給輸入M U X 2 5 6以及切換邏輯和交錯延遲電路 2 5 4。 參考圖2 2，顯示用於諸如圖2 1的控制器2 3 4 a 之輸出控制器的一實施例之邏輯圖。在此版本中，藉由連 續地以四比較器執行比較，以及藉由使用切換邏輯控制電 路2 7 0中的下游切換，以執行切換比較，其輸出會傳送 至輸出區2 8 0。 S3 η輸出係顯示爲來自三輸入及閘之50 $紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ 297公釐） ' -63- !___^____Ρ — (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 533667 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（61 ) ms e c延遲的輸出，三輸入及閘的輸入係電源啓動（ PUP)訊號、V〇N與參考電壓vref的比較、以及參 考電壓VREF與電壓源（VCC)的比較，電源啓動（ P U P )訊號係電源V C C經過濾波之版本。因此，在參 考電壓相對於電壓源（V C C )及輸出電壓▽〇〃爲穩定之 後，使用S 3 η之負載電容器的啓動充電將會關閉 5 〇 m s e c 〇 參考圖2 3，將說明用於產生電源啓動（p u P )訊 號之電源啓動電路。特別地，電壓源V C C係提供給及閘 之一輸入。及閘的第一及第二輸入係經由電阻器R 3 1耦 合。第二輸入也會以電容器C 1耦合至接地。結果，由於 第二輸入見到電壓源V C C的低通濾波版本，所以，在電 壓源VCC穩定之後，puP將變高ό 參考圖2 4，其顯示多重輸出電源轉換器2 3 0的接 腳。應瞭解，上述說明的電路圖使它們本身可以爲單晶積 體電路製造。結果，可以在小體積的I C封裝內，完成完 全的多重輸出電源轉換器2 3 0，其具有如下述申請專利 中及並同擁有的申請案中所述之電容器，此申請案爲 1999年11月22日由Dragan D. Nebrigic等申請之美 國序號 60/1 66,823，標題爲 “ ACTIVE PACKAGE FOR INTEGRATED CIRCUIT” ，於此，將其一倂作爲參考。 圖2 4的接腳圖提供分別的輸入電源（¥1?^1 — V I N 5 )及分別的電源接地（PWRGND )以用於每一電壓 輸出之優點。舉例而言，藉由更加完全地分離每一級，減 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X29<7公釐） 訂 ^ 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) -64- 533667 A7 _^_B7__ 五、發明説明（62 ) 少雜訊。此外，移除給定電力至多重輸出電源轉換器 .2 3 0的給定部份，藉由未被使用的控制部份不致動，可 永久地增強效率。 致動接腳（E N A B L E 1 - E N A B L E 5 )使得 多重輸出電源轉換器2 3 0的部份之可程式的不致動可用 於間斷不致動。舉例而言，在諸如蜂巢式應用中的電池使 用壽命之較後級，使五輸入電壓位準中的二電壓位準維持 顯示功能、處理功能、及記憶功能並防止諸如傳送功能所 使用之重電力消耗，是被視爲重要的。之後，舉例而言， 以較低的電壓位準，僅可以維持五輸入電壓位準之一以使 記憶免於被抹拭。 結果，多重輸出電源轉換器2 3 0於有下述需求之一 或更多的電子裝置中特別有用:（Γ)有效率的電源轉換 以減少電池消耗；（2 )低電池干擾（Ε Μ I )輻射；（ 2 )僅有小體積分配給電子機構及能源；（3 )經濟的製 造及組裝；（4 )調節的多重電壓輸出位準；（5 )可在 .寬廣範圍之電力需求上有效操作。具有這些需求的電子裝 置之實施例包含可攜式蜂巢式或衛星電話、個人數位助理 (P DA)及膝上型電腦、以及可攜式多媒體娛樂裝置。 隨著資料處理及通訊裝置的合倂，此種多重輸出電源轉換 器2 3 0之需求日增。 應瞭解，符合本發明的觀點之電源轉換器2 3 0於輸 出位準的數目上及其電力與控制之相依性可視應用而變。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210Χ297公釐） — l· ————— t (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂 線一 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 -65-

Claims (1)

1. 533667 A8 B8 \ C8 _ _^^_ 六、申請專利範圍 1 . 一種電源轉換器，包括： (請先閲讀背面之注意事項^:填寫本頁) •電力輸出級，包含負載電容器及飛散電容器，該電力 輸出級配置成從能源接收輸入電壓及提供橫跨輸出端之輸 出電壓，該負載電容器係電耦合橫跨輸出端，該負載電容 器係電耦合橫跨輸出端，該電力輸出級又配置成在充電狀 態與放電狀態之間切換，其中充電狀態包含該飛散電容器 電並聯輸入電壓且其中放電狀態包含該飛散電容器電耦合 橫跨該負載電容器；及 動態控制器，可操作地耦合至電力輸出級及用以回應 橫跨該負載電容器之輸出電壓和預定參考電壓，以藉由切 換飛散電容器至充電狀態及回至放電狀態，以從能源傳送 電荷至負載電容器，動態控制器又用以回應橫跨該飛散電 容器之飛散電容器電壓以使該飛散電容器從充電狀態切換 ，藉以控制該飛散電容器電壓的電壓漣波帶。 2 .如申請專利範圍第1項之電源轉換器，其中該動 態控制器比較最大飛散電容器電壓臨界値及最小飛散電容 器電壓臨界値，以回應飛散電容器電壓。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 3 .如申請專利範圍第1項之電源轉換器，其中該動 態控制器藉由切換該飛散電容器至飛散電容器與該能源及 負載電容器解除電耦合之等待狀態，以回應在預定臨界値 之上的輸出電壓。 4.一種電子裝置，包含能源、負載裝置、及介於該 能源與負載裝置之間之如申請專利範圍第1項之電源轉換 aa 益° 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） ： -66- 533667 A8 B8 \ C8 D8 六、申請專利範圍 5.如申請專利範圍第4項之電子裝置，其中該電子 裝置包括可攜式通訊裝置、、可攜式醫療裝置及可攜式音訊 裝置。 6 . —種電池，包含能源、如申請專利範圍第1項之 電源轉換器、及輸出端，該輸出端用於電耦合至負載裝置 ，該電源轉換器介入於能源與輸出端之間。 7 . —種積體電源轉換器，包含複數個如申請專利範 圍第1項之電源轉換器。 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（210X297公釐） -67-