535175 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（l) 相關申請案的對照 本申請案與美國臨時專利申請案號60/240,665,於 2000年10月16日申請之「正交電感變化的系統與方法 (System And Method For Orthogonal Inductance Variation)」一案相關，並據以主張優先權。 發明領域 本發明係關於一種可變電感，更特別地，係關於一種 正交電感變化的裝置與方法。 發明背景 電感具有能儲存電磁場中的能量的能力。此特性使得 電感在電子電路的一些領域中成爲一個重要的元件。舉例 而言，電感在電源轉換設備（power conversion equipment)、振盪器與濾波器中便是重要的元件。在電源 轉換設備中，電感係用在供電壓整流的電路中。此外，電 感也使用在各種不同種類的電子裝置中，例如壓控振盪器 (voltage-controlled oscillator)、放大器、調變器 (modulator)、調節電路(tuning circuit)與濾波器等。在這些 與其他實施例中，一振盪器的自然共振頻率（natural resonant frequency)或一濾波器的截止頻率（cut-off frequency)某種程度上係藉由結合這些電路中所使用的電 容與電感來加以決定。在某些例子中，電感的電感値可刻 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 1 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 535175 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（1) 思地改變，如藉機械式地改變鐵心氣隙（core air gap)的實 體尺寸大小。然而，這些機械式的方法具有如需要額外零 件、複雜度高以及體積大等缺點。 長久以來，在可g周式裝置中的電感被認爲是靜態電感 値的電感，而且這種想法已經壓抑很多電子裝置的成長與 改進空間。這對於低電壓及高電流之電源轉換設備是相當 正確的。從一特例觀之，對於使用在通訊及處理應用中之 高效能、運用微控制器的產品之需求持續快速地增加。因 此，運用微控制器的產品製造商需要這些產品中的元件與 裝置，以供持續地改良來滿足各種聲音、影像與影像應用 等出現的設計要求。微控制器逐漸地設計成較高負載與較 低電壓的需求。例如，目前許多微控制器設計成以3V電 壓供應源來操作，其他則設計成工作在少於IV的電壓供 應源。追種將積體電路設計在較低電壓準位(voltage level) 操作的趨勢應會持續下去。然而，如何使有效率的電源變 換器（power converter)設計於此低電壓準位卻是越來越困 難。 一般而言，交流AC電源會被轉換成一穩定的直流DC 電源，以供微處理器使用。接著，直流DC電源經由一電 源變換器，從一電壓準位被轉換到另一電壓準位。當電源 變換器輸出電壓需求降低及負載電流需求增加時，高效率 電源變換器將越來越困難達成。這些困難絕大部分起因於 輸出整流器的主要的導電性及交換（切換）損失（switching loss)。在先前對改良電源變換器效率的努力中，標準整流 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 2 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------·裝-------一訂-------i. (請先閱讀背面之注音？事項再填寫本頁) 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535175 A7 B7 五、發明說明（3)) 一極體被同步場效電晶體（synchronous field effect transistor，FET)整流器所取代。這些運用FET的系統也稱 爲 N 步順向變壓器（synchronous forward converter，SFC)， 而並不足以應付低電壓高電流的操作條件。當輸出電壓必 須在IV或更低的準位時，需要一個更好的整流方法。 例如，一個使用非可變電感（non-variable Inductor)積 體電路裝置實施例包含一同步FET整流器。同步FET整流 器係使用於如第1圖所示之同步順向變壓器系統（SFC) 100。同步順向變壓器系統系統1〇〇包含一電源1〇2與一負 載116。同步順向變壓器系統系統1〇〇也包含一個具有一 次級線圈（secondary winding)122、一重置線圈（reset winding)123 以及一變壓重置二極體（transformer reset diode)106的一變壓器104。同步順向變壓器系統系統100 更包含一主級(primary)開關108、一輸出整流器開關11〇、 一穩流（freewheeling)整流器開關111、一輸出電感112、 一輸出電容114以及一回饋控制電路118。在一般操作上， 電源102爲一直流DC電源，用以提供直流DC電壓給變 壓器104，使回饋控制電路118與主級開關108所提供的 導通（ON)及關閉（OFF)的狀態交替產生，以便產生交流AC 電壓。FET開關108、110與111經由回饋控制電路118而 同步化。 在導通（ON)狀態期間，主級開關108與輸出整流開關 110皆設於導通的組態，而此時自發整流開關111則設於 關閉的組態。在導通（ON)狀態期間，變壓器104的次級線 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ----------—- --------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 535175
經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（4*) 圈122的電壓產生一個正比於主級端(Primary side voltage) 的正電壓。此電壓係變壓器104的繞匝數比(turn ratio)的 函數。在導通（ON)狀態期間，次級線圈122上的電壓減去 負載116的穩態電壓會施加於電感112。這將導致在電感 112中的電流爲線性遞增。 在關閉（OFF)狀態期間，主級開關108與輸出整流開關 110皆設於關閉的組態’而此時自發整流開關111則設於 導通的組態。在此情形下，變壓器1〇4內的磁力迫使所有 線圈上的電壓將極性反轉。磁力連同二極體106有助於重 置變壓器鐵心，以防止鐵心材質的飽和與後續之變壓器作 用效率的損耗。因爲整流開關11〇是在關閉（OFF)狀態’所 以次級線圈122的電壓被允許產生一負電勢（電位），以助 於重置變壓器104,而不會對負載的電源供應產生衝撃。 因爲自發整流開關111是在導通（ON)狀態，所以節點120 耦合到接地電位。使得以維持輸出電感112中的電流方 向。在關閉（OFF)狀態期間，跨電感112的等效電壓爲零減 去負載116之電壓。這將導致在輸出電感112中的電流爲 線性遞增。 由輸出電感112中之電流的線性陡升所產生之電壓與 電流漣波（ripple)係利用輸出電容114加以濾波，以產生直 流DC電流給負載116。在此種模式下，輸出整流開關110、 111便與主級開關108的操作同步；然而，此同步化是一 相當複雜的任務。因此，存在一個可利用較不複雜的方法 來操作順向變壓器的需求。 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 4 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------^^裝：—.—.—訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 535175 A7 B7 ?; 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明說明（f) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 供應給負載平均電壓値也可由同步順向變壓器系統 100,以回饋控制電路118來改變工作週期（duty cycle)的方 式來加以調整。例如，回饋控制電路Π8可以改變提供至 輸出電感112的輸入節點120之正電壓的時間百分比。換 言之，改變時間量，傳送到負載的電源爲關閉（OFF)。減少 工作週期，便減少負載之直流DC電壓，也因此調節輸出 電壓。對此順向型態，穩定狀態轉換關係如下式所示：
Ns ⑴ V0Ut=VinD—-Np 其中，Np=變壓器主級之繞匝數 Ns=變壓器次級之繞匝數 同步順向變壓器系統100在低電壓高電流的需求下是 不足夠的。接者，由於與閘驅動電流損耗，增加整流 2 器的數目以匹配等效電阻將導致結果縮減。這些能量耗損 是非常昂貴，引發增加熱產生/移除的問題，並且由於整流 器燒壞的機會增加而衝擊裝置的可靠度。當同步順向變壓 器系統100在低電壓與高電流下操作時，整體損失係集中 在輸出整流器110、111中的導通與切換損耗。由於輸出整 流器110、111的配置，不論何時電流均流過這兩個元件之 一，並且所有到達負載116的電流均會流過這些元件。此 耗損可以是巨大的。因此，便需要一個有效率的整流器來 4S&W/0119TW/PRI: 35706.3720 5 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 535175 經濟部智慧財產局員工消費合作社印制衣 A7 B7 五、發明說明（ 調整輸出電壓，並且可在無習知的高電力耗損情形下達成。 此外，在低電壓/高電流條件下操作，也需要存在有效 率的且/或較小的電源變換器。例如，某些使用於通訊產業 與電弧焊機（arc welder)的高功率雷射二極體等之實施例 電路。非可變電感的使用也抑止其他電子領域的發展。例 如’電感用以結合電路中的電阻且/或電容，以形成振盪器 及濾波器。不可變電感應用於許多不同的電子設備，例如 電源變換器、整流器、壓控振盪器、放大器、調變器、調 節電路等等。在這些設計中，振盪器的自然共振頻率或濾 波器的截止頻率係由設定電感與設定電容之値，來加以設 定。然而，共振頻率或截止頻率經常是需要改變的。爲達 成此改變，電路被用以改變電容的電容量。這些可變電容 可包含微調電容（trim capacitor)與變容接面二極體 (varactor juncti〇n diode)。再者，電容庫（banks 〇f。聊也⑽) 可来H由串聯與並聯方式來結合電容，以對整體電容量做大 幅改變。上述改變電容量的方法成本皆很昂貴，需要額外 的电路與零件，並且會導致額外的錯誤。此外，以半導體 元件來說，電容爲低效率的損耗元件。因此，需要更有效 率的e周節共振頻率與截止頻率的方法，以及較不複雜的方 式供進行微調。 發明簡要說明 根據本發明的方法與裝置可處理許多習知技術的缺 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 6 I紙張尺度適用中國國豕標準（CNS)A4規格（21〇 X 297公餐） _ _ _ •裝· 訂·------- S (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 535175 A7 B7 五、發明說明（q) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁} 點。依據本發明之一觀點，一種控制系統、方法與裝置係 用以改變用於正交磁力參考系統（orthogonal magnetic interference)中之電感的電感値。在一較佳實施例中，正交 磁力參考系統係由，如外部電感Η場裝置（external inductance field device)、串聯正交通量裝置（series method orthogonal flux device)或合倂鐵心裝置（combined core device)，所產生的。 依據本發明之另一觀點，一種控制系統、方法與裝置 係使用一可變電感以供整流一交流AC電壓作爲一直流 DC負載。在本發明之另一較佳實施例中’正交電感整流 器係用以改變在輸出電流路徑上的電感値。在更進一步的 實施例中，該正交電感性裝置係由，如外部H場裝置、一 串聯正交通量裝置或合倂鐵心裝置。依據本發明之另一方 面，藉由利用一可變電感來提供直流DC電壓調節。依據 本發明之更進一步方面，提供一種在輸出電流路徑上的整 流與調節，而不使用如FET之矽元件。依據本發明之另〜 方面，藉由改變在輸出電流路徑上之裝置的電感値’或藉 由改變電感値與工作週期，來達到有效率的電壓整流與調 節。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 依據本發明之另一方面，一種濾波裝置與方法係藉由 使用可變電感來可變地調節濾波器的截止頻率。依據本發 明之另~方面，一種振盪器裝置與方法係藉由使用可變電 感來可變地調節振盪器的自然共振頻率。 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 535175 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 Α7 Β7 五、發明說明（浥） 圖式之簡單說明 本發明在參考詳細說明以及申請專利範圍，並如圖示 中之參考標號對應於相同元件的配合所附圖式後，將能更 明顯易懂。 第1圖顯示習知在輸出電流路徑上使用FET元件之同 步順向變壓器系統的實施例方塊圖； 第2A圖顯示依據本發明之一實施例所繪示之外部Η 場正交電感性整流器裝置的方塊圖； 第2Β圖顯示依據本發明之一實施例所繪示之串聯正 交電感性裝置的方塊圖； 第2C圖與第2D圖顯示依據本發明之一實施例所繪示 之合倂式鐵心正交電感性整流器裝置的方塊圖； 第3圖顯示依據本發明之一實施例所繪示之正交電感 性整流器系統的方塊圖； 第4圖顯示依據本發明之一實施例所繪示之可變電感 的轉移函數曲線圖； 第5圖顯示依據本發明之一實施例所繪示之可變電感 的轉移函數曲線圖； 第6圖顯示依據本發明之一實施例所繪示之用於電子 應用裝置中的電阻、電感與電容的組態方塊圖； 第7圖顯示依據本發明之一實施例所繪示之放大器系 統方塊圖； 第8圖顯示依據本發明之一實施例所繪示之前端解調 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 8 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 ---------訂----- 535175 A7 B7 五 —1!— _____________________ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明說明（q) 電路方塊圖；以及 第9圖顯示依據本發明之一實施例所繪示之振盪電路 方塊圖。 圖示元件符號說明 100 同步順向變壓器系統 102 電源 104 變壓器 106 變壓重置二極體 108 主級開關 110 輸出整流器開關 110 矽基輸出整流器 111 穩流整流器開關 111 矽基輸出整流器 112 輸出電感 114 輸出電容 116 負載 118 回饋控制電路 120 節點 122 次級線圈 123 重置線圈 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 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) ¾衣--- 訂----- 華 535175 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（) 300 302 304 305 306 308 312 314 316 318 320 321 322 380 400 401 402 403 404 406 408 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 正交電感式整流系統 電源 變壓器 變壓器重置線圈 變壓器重置二極體 主級輸出開關 可變輸出電感 輸出電容 負載 電感控制器 選擇性控制電路 主級輸出開關驅動器 次級線圈 正交電感式整流設備 外部_場裝置 可變電感設備 電參心 氣隙 輸出電感線圏 閘鐵心 閘線圏 10 (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（210 X 297公釐） 535175 A7 B7 五 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明說明（\ \ ) 410 444 500 502 504 506 508 510 600 602 604 608 610 651 652 653 700 701 702 703 704 閘源 磁力線 串聯正交通量裝置 電感鐵心 輸出電感線圈 鬧鐵心 閘線圈 閘源 合倂鐵心式裝置 合倂鐵心 輸出電感線圈 閘線圈 閘源 電路組態 電路組態 電路組態 放大器電路 直流DC電壓源 交流AC電源 RF活門 單一半導體開關 ------------裝-------訂-------^9. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 11 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 535175 A7 B7 五 _______ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 發明說明 705 阻抗轉換電路 706 阻抗轉換電路 707 電感 708 電容 709 電容 710 電感 711 電容 712 電容 714 負載 800 前端解調器電路 801 解調器 802 低通濾波器 803 基頻電路 900 振盪器 901 電壓源 902 RF活門 903 電感 904 電容 905 電容 906 開關 907 電容 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 12 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------丨裝--------訂--------I (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 535175 A7 B7 五、發明說明（\3 ) 908 電容 909 電阻 較佳實施例的詳細說明 本發明在此係藉由各種不同的功能構件與不同的處理 步驟來加以敘述。在此必須了解到這些功能構件可以由任 何硬體或結構性構件來實現，以執行指定功能。例如，本 發明可使用不同的整合構件，如緩衝器、電壓與電流參考 値、記憶體元件等等之類，係由各種不同電子元件所構成 (如電阻、電晶體、電容、二極體或其他元件），並且這些 元件的數値可適當地用以滿足不同的目的。此外，本發明 可實現任何運用微控制器應用（microcontroller-based application)、電弧焊接（arc welder)應用、高功率雷射二極 體應用或類似的高電流/低電壓應用。諸如此類的一般應用 可由任何熟悉此技藝者藉由在此的揭露而輕易思及，在此 便不一一敘述。然而，本發明在此所描述的實施例係以微 控制器來說明，但其目的僅僅爲敘述說明而非限制本發明 之範疇。 其次’應該要注意的是在實施例電路中各種不同的構 件可以適當地耦合或連接至其他構件，這些連接與耦合可 以是與其他構件間的直接連接，或者是經由其他構件及元 件來加以連接。在此提供實施例說明以了解本發明的各種 不同操作順序。然而，要注意的是以下的例子僅做爲說明 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 n 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) 裝-------L訂丨丨丨丨 華 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535175 A7 B7 五、發明說明（\A〇 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 之目的，且本發明並不侷限於實施例所揭露的部分。 依據本發明之一方面，一種可變電感係用以克服在某 些電子設備中使用非可變電感的缺點。這些缺點包含：低 效率、熱耗散、精確度問題（accuracy problem)、可調節度 (tunability)、設計複雜度、以及建構這些設備的額外花費。 在一實施例中，可變電感係用以作爲一正交變壓器 (orthogonal transformer)。在不影響電路中其他構件的情況 下，電感的電感値可以藉由正交變壓器組態來獨立地改 變。不需耦合至有變動電感値的電路，正交變壓器也能改 變電感的電感値。 正交變壓器可以由數種不同的方法來構成。例如，如 第2A圖所示之本發明的一實施例中，可變電感設備401 包含一外部磁場裝置（external H field device)400。外部磁 場裝置經由正交磁場耦合來對輸出電感以電力來控制可變 電感値。外部磁場裝置400包含一電桿鐵心（inductor core)4〇2。電感鐵心可包含一氣隙（gap)4〇3、一輸出電感線 圈（output inductor winding)404、一 閘鐵心（gating core)406、一閘線圏（gating winding)408 以及一閘源（gating source)410。在此實施例中，輸出電感的電感値改變爲有 效電感値。此有效電感値爲與輸出電感4〇4串聯的閘線圈 408的電感値。可由下列方程式（2)、（3)、（4)決定。 uN2Ae 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) (3)u=ucue (4) we:
Ue 1 + 14 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 x 297公釐） 535175 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 ______ B7__ 五、發明說明（A ) 在上述方程式中，L爲電感値；N爲繞匝數；爲磁 心截面積；W爲總導磁率；W爲自由空間導磁率；〜爲有 效導磁率；〜爲鐵心導磁率；&爲氣隙長度；/;?爲磁路徑 長度；Ze爲鐵心圍繞磁路徑長度之截面積。此外，這些方 程式中，電桿鐵心402中的磁力線444係假設爲均勻分佈 在整個鐵心繞著磁路徑長度的截面積。排除此假設，鐵心 截面積便可藉由使磁場與電桿鐵心402內部的磁場正 交而改變。正交磁場使得電桿鐵心402中的磁力線444集 中於正交磁場磁力線與磁力線444相交的區域。此集中區 域的磁力線有效地等於鐵心平均截面積je的縮減，而導 致電感値降低。 雖然圖式中的磁心402爲一 C型鐵心，其他形狀的磁 心也可以用來達成類似的結果。例如£型鐵心、環形鐵心 (torriod core)、壺形鐵心(pot core)、或其他封閉磁路徑型 的鐵心等等均可。此外，導致磁心402之磁力線集中的外 部磁場可以由數種設備來產生。在一實施例中，外部磁場 可利用使用電磁鐵（electromagnet)來形成。電磁鐵包含一 閘源410、一閘鐵心406、以及一閘線圏408。閘源410的 電流流入閘線圏408，以形成正交磁場，來迫使輸出電感 之電感値降低。 在另一實施例中，外部磁場可藉由實際地移動一靜態 場源，如將永久磁鐵（permanent magnet)靠近電感鐵心402 或遠離電感鐵心402，來產生。在各種不同實施例中，這 種移動可以藉由將永久磁鐵線性地拉近及遠離電感鐵心 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 15 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 裝--------訂------„— (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 535175 A7 B7 五、發明說明（\G) 402或旋轉地經過電感鐵心402而產生。其次，本發明也 可以使用其他類似的方法來產生與控制接近電感鐵心402 之一可變外部磁場以及改變電感鐵心的磁阻(reluctance)。 依據第2B圖所示之本發明的另一實施例，可變電感包 含一串聯正交通量裝置500，係用電力來控制可變電感 値。串聯正交通量裝置500包含一電感鐵心502、一輸出 電感線圏504、一閘鐵心506、一聞線圈508以及一閘源 510。在此架構中，截面積保持定値，但電感値公式中 氣隙長度G可有效地改變。在此實施例中，閘源510的電 流傳送到閘線圈508，迫使閘鐵心506內的磁域（magnetic domain)調整至正交於由輸出電感線圈504建立於電感鐵 心的磁力線的方向。閘鐵心506位於鐵心502之氣隙的正 交磁力線的存在，改變電感鐵心502之通量所察覺的閘鐵 心之鐵心導磁率〜。這有效增加電感鐵心502之氣隙長度 G，也有效降低輸出電感的電感値。此電感値爲閘線圈508 與輸出電感504之串聯的電感値。 依據第2C圖所不之本發明另一實施例，可變電感包 含一合併鐵心式裝置6 0 0，係用電力來控制可變電感値。 在一合倂鐵心式裝置的實施例中，磁結構系統（magnetic structure system)600包含一合倂鐵心602、一輸出電感線 圈604、一閘線圈608以及一閘源610。閘源610係用來提 供電流給閘線圈608，使得合倂鐵心602內之磁力線正交 於由輸出電感線圈604內之電流所產生的合倂鐵心602內 之磁力線。在此組態下，正交磁力線的存在改變合倂式鐵 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 ^ 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) ϋ n an ml ^ · 1 n I n ϋ I · 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535175
五、發明說明（η 七、的磁阻’並且有效地降低輸出電感線圈604的電感値。 雖然在圖式中輸出電感線圏6〇4僅通過合倂式鐵心 6〇2 —次，但在另一實施例，輸出電感線圈與閘線圈的數 目可依實際需求來加以改變，並且使用其他的組態來實施 建造。在一實施例中，合倂式鐵心602係由四個鐵心物質 所構成，藉此線圈可適當地配置。在一實施例中，閘線圈 608係以線圈在第一方向所圍繞一假想軸，並包圍住合倂 式鐵心6〇2的中央部份。在此實施例中，輸出電感線圈6〇4 包圍閘線圈的外側，並且圍繞與第一方向垂直之第二方向 的假想軸。在其他的實施例中，其他類似可以導致閘線圈 的磁力線垂直於輸出電感之磁力線均包含於本發明之範疇 njn 〇 閘源，如410、510、610，可經由一控制器電路或裝 置（未繪出）來加以驅動或下命令。例如，控制器可使得閘 源410在第一週期時間T0N之期間內導通，而在第二週期 時間T0FF之期間內關閉。由此，藉以分別產生第一電感値 L0N與loff。在另一實施例中，閘源可以在T〇N期間產生 一第一電流，而在T0FF期間產生相異的一第二電流。而 且，再次地產生L0N與LOFF的兩個不同的電感値。其次， 閘源可控制來提供在多重電感位階的各種不同電感値。 此外’在各個可變電感實施例中，輸出電感線圈與閘 線圈包含任何導電性材質，例如銅等。另外，鐵心材質也 包含任何導_材負’例如鐵酸鹽（ferrite)材質。閘鐵心之線 圈材質可與電感鐵心之線圈材質不祠或相同，而閘鐵心之 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 \η 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) 裝 —訂------ 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535175 A7 B7 五、發明說明（) 材質可與電感鐵心之材質不同或相同。 在各個不同的實施例中，不同的正交耦合裝置可以用 來改變可變電感的電感値。各實施例提供一種裝置以控制 產生與電感鐵心中之輸出電感磁力線。雖然實施例揭露一 具有正父磁力線的正交親合電感，在此所定義的正交並不 只包含90度，也包含小於90度而仍產生方向性的耦合電 感。在改變輸出電感的有效阻抗上，直角磁場線（right angle magnetic field lines)是非常有效的。然而，由於空間或其 他設計上的限制，小於90度之磁力線的產生（小於正交角 度)而仍可以改變輸出電感的電感値是可達成的。 換句話說，正交可變電感可利用於各種不同的應用， 以改善裝置的效能，並且克服先前所討論使用非可變電感 之類似電路的限制。在此一實施例中，可使用可變電感來 改進整流器電路。一使用整流器電路之實施例係一積體電 路。如前述所討論，積體電路係設計在低電壓準位下操作。 於是’積體電路電源變換器便設計在小於5V或更甚低於 IV之下操作。此外，在其他應用中需要更有效率且/或更 小的電源變換器，以供在低電壓高電流的條件之下工作。 有效率的電源變換器，在電弧焊接應用與使用於通訊產業 之高功率雷射二極體應用上，對於一般均在低電壓高電流 條件下工作，也是非常有用的。然而，在這些低電壓準位 條件下，設計有效率的電源變換器卻越來越困難。 因爲在第1圖中矽基輸出整流器110與111要負責大 部分的整流器能源損耗。故本發明之高效率電壓整流器係 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 18 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)
n 1 .^1 n_i 11 ϋ 1 一 口、I ammt n 8— ·ϋ ϋ n I %, 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535175 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（β) 藉從輸出路徑移除FET整流器110、ηι並以經由可變電 感來控制整流（rectification)與調節（regUiati〇n)方式替代所 組成的。如第3圖所示之實施例，正交電感式整流 (orthogonal inductive rectification，OIR)系統 300 並不包含 輸出整流器，而包含一可變輸出電感312。 依據本發明之各方面，電壓整流與調節係由可變電感 所達成。如第3圖所示之實施例，正交電感式整流器實施 例係爲一'種順向切換電源變換器（forward switching power converter，SPC)。正交電感式整流系統300包含一電源 302、一變壓器304、一變壓器重置二極體306、一主級輸 出開關308、一主級輸出開關驅動器321、一選擇性控制電 路320、一負載316、一輸出電容314、一電感控制器318 以及一正交電感式整流設備380。正交電感式整流設備380 以一新的電路實施例以更淸楚地定義正交磁場耦合。 在實施例中，直流DC輸入源302提供直流DC電壓 給變壓器304。此變壓器304包含一重置線圈與變壓器重 置二極體306。在其他實施例中，也可以使用全橋接型態 (full bridge topology)、半橋接型態（half bridge topology) 或推拉型態（push-pull topology)等。此外，馳返變壓器 (flyback transformer)型態也可結合可變電感以供高階整合 應用。 在一實施例中，控制裝置320控制一驅動器321去驅 動主級開關308,以提供一大致爲常數的工作週期訊號給 主級開關308。雖然說明以固定工作週期爲例，但可對工 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 19 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------裝--------^-訂 “-------^9. (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 535175 __ A7 - --B7______ 五、發明說明（丄〇 ) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 作週期做微量改變來協助輸出的調整。依據本發明之其他 力面’控制裝置320與電感値控制裝置318可以整合於同 〜個控制裝置之中。此外，雖控制裝置318與320在實施 例中係以硬體方式來描述，但是不同的軟體與硬體之結合 也可被用來執行在此所論及的控制功能。電感控制電路 318更設計來接收或以指定所需之電壓調整的資訊來加以 程式化。電感控制器318用以監視負載316的輸出電壓準 位’以及決定適當的命令訊號，以使正交電感式整流裝置 380得以依據所需的電壓調整去改變輸出電感312的電感 値。 在本發明實施例中，輸入變壓器304提供交流AC電 壓波型給正交電感式整流裝置380中的輸出電感3 I2。藉 由在指定的時間點，在整個輸出電感之磁場結構中進行交 流AC電流的整流。在實施例中，在交流AC訊號爲正電 壓部分的期間，主級開關308導通，並且次級電壓耦合至 正交耦合電感380(由變壓器3〇4之繞匝比所定）。雖然在實 施例中繞匝比爲1，但其他不同的變壓器繞匝比也可使用。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 當交流AC訊號提供一負電壓，主級開關308關閉去耦 (decouple)次級變壓器304。此外，電流可流經變壓器重置 線圈305以及變壓器重置二極體306。不論主級開關308 是導通或是關閉’在次級電路的電源持續一相同的方向流 經電感3 12。然而，若電感器3 12的電感値係爲常數，則 平均負載電壓將爲零。因此，平均電壓將會變偏斜 (skewed)，在主級開關導通而後關閉時，藉改變電感値來 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 20 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 535175 A7 B7 五、發明說明（>\) 提供一個不同的電感値，以提供一非零直流DC電壓。在 另一實施例中，則使用超過兩個電感値。 在時間週期（T0N)期間，當主級開關308爲導通，回饋 控制裝置318使正交耦合電感3 80中之輸出電感312的電 感値等於L〇N。在時間週期（T0FF)期間，當主級開關308 爲關閉，回饋控制裝置318使正交耦合電感380中之輸出 電感312的電感値等於L0FF。乙⑽與1^^係選擇用來產生 一特定電感値比値以提供作爲電壓之整流與調節。例如， L0N可以相對小於L0FF，使得在正電壓傳送期間於驟升電 流時使電感較低的電阻，並且使得在負電壓傳送期間於驟 降電流時使電感具有較大的電阻。發生在正交耦合電感中 的電流斜率改變並不會對變壓器304之電壓-時間（電壓-秒) 平衡產生衝擊。 電感的效能特性分析的其中之一係關於，當變壓器次 級322從正電壓切換到負電壓時，使該時間點前後的電感 電流條件相等。具有非可變電感電路之分析係端賴於如第 1圖所示之輸出電感Π2的電感値爲固定値，如方程式 (1)，的假設。然而，當使用第3圖所示之可變電感312時， 這項假設便無效。可變電感312可以在不同時間點上具有 多重電感値。 在實施例中，可變電感312包含兩種電感値，亦即Lon 與Loff。LonR表當主級開關308爲ON時，可變電感312 的電感値。L0FFR表當主級開關308爲OFF時，可變電感 312的電感値。然而，應該要注意的是可變電感312的電 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 21 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） I--------♦裝------hi 訂----------· (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 535175 A7 B7 五、發明說明（》) (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 感値可超過兩個，或以其他方式來表示。可變電感312可 以LI、L2、...、LN等表示的電感値，其中N代表離散之 狀態數。
依據實施例，包含電感値1^(^與L0FF之雙態電感（two state inductor)具有與輸入電壓Vin成正比的輸出電壓 V_。此比例關係可以表示成方程式（5) I
(5) Vout =ν.Άτ——L___^其中 rati〇=L〇N/LOFF
Np D—H |_ ratio 然而，依據本發明，也可以使用其他的比例關係。請參考 第4圖，其繪示正交電感性整流器範例之輸出電壓對電感 値比L0N/L0FF的關係圖。此圖顯示出ON狀態電感値與OFF 狀態電感値的比値對一可變電感之輸出電壓的影響。在繪 製此圖時，輸入電壓Vin係假設爲10V。此外，曲線係分 別在假設工作週期爲0.3、0.5與0.7時所計算的，顯現出 藉由改變電感値與工作週期來執行電壓調節的能力。電壓 調節便可以在很廣泛的範圍下進行，其中部份電感比値產 生正輸出電壓，而大於一的比値則產生負輸出電壓。 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 第5圖繪示在假設輸入電壓Vin爲10V的情況下，正 交電感性整流器之輸出電壓與工作週期比D之關係曲線 圖。在一固定電感値比的假設之下，此關係圖顯示工作週 期比D對於可變電感之輸出電壓的影響。對於一給定的電 感値比，藉由改變工作週期比，可以對電壓調整進行微調。 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 22 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 535175 A7 B7 五、發明說明（工3) 因此，依據本發明之各種不同方面，在不需要於輸出 電流路徑上配置FET或其他含矽元件下，可變電感提供電 壓整流與調整，而仍可以達到高效率。有效率的整流與調 整係由控制器318監控負載316之電壓來完成的。控制器 318依據負載316電壓與參考電壓間之差所推倒出的誤差 値來改變可變電感的電感値。電感値改變到一値，其能夠 提供電感312內之電流斜率的適當組合，以產生整流。例 如在實施例中，當在次級線圈322呈現正電壓時，使用較 小的電感値；當在次級線圏322呈現負電壓時，使用較大 的電感値。 在本發明之一方面中，可變電感之使用可以進行很細 微的電壓整流調整控制，其在使用FET整流器是很難達到 低電壓/高電流條件。在另一觀點，整流器的效率被改進 了。例如在實施例中，在IV與100安培下，可以達到90% 的高效率。 其次’雖然在一觀點中係使用可變電感來作爲電壓整 流與調節，但在另一觀點，在正交電感式整流系統中，工 作週期也可以被改變用來調節電壓。在實施例中，電壓係 使用可變電感來進行粗調，並且利用工作週期來對電壓準 位進行微調。在其他實施例中，可以利用調整工作週期來 進行粗調’並藉由調整電感値來進行微調。在其他實施例 中’可以改變每次電感改變電感値之時間點間的相位關係 以及ΟΝ/OFF的時間，以達到調節電壓之目的。在其他觀 點中’可變電感可以結合可變裝置之其他參數以及用來控 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 23 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） ------------裝— (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 535175 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明斗） 制電壓調節與整流的其他裝置。 依據本發明之另一方面，可變電感可以用於其他應 用’來P周卽濾波器的截止頻率或振還器之自然共振頻率。 在實際應用上，電感（L)通常配合電容（〇與電阻(r) 一起使 用。第6圖繪示一 R，L，C元件的電路圖。電路組態651與 652繪示兩個具有儲存元件中之一的一電阻並聯的組態網 路實施例。電路組態653繪示一 RLC串聯電路的實施例。 其他組合的主要電路可以適當地連接這些網路之端點來達 成，或者藉由組合數個基本網路來構成更高階的網路。電 感（L)與電容（C)決定濾波器的截止頻率或振盪器之自然共 振頻率。不論是哪一種，一般而言，電阻(R)決定共振網路 之阻尼或穩定時間。電感的實施例應用包含壓控震盪器、 放大器、調變器、調節電路以及濾波器等。 在各種不同實施例中，可變電感應用包含具有即時調 卽LC電路網路之共振或頻寬能力的電路。例如，第7圖 繪示放大器電路700的實施例。在此實施例中，放大器包 含以直流DC電壓源701來操作之單一半導體開關704。 RF活門（RF ch〇ke)703使直流DC與交流AC訊號隔離。放 大器在開關7〇4之汲極將小訊號交流AC輸入702，轉換 成具有較高振幅之一線性比例訊號。訊號放大的線性與效 率部分是由開關特性來決定，此外，一部分由開關之輸入 與輸出端之耦合所決定。當交流AC電源702之輸出阻抗 爲開關之輸入阻抗的共轭複數（complex conjugate)時，在輸 入端可以達到最佳化的耦合。同理，當放大器之輸出阻抗 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 24 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規袼（210 X 297公釐） ----------1 Aw --------訂---------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 535175 A7 B7 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 五、發明說明（π) 爲負載714之輸入阻抗的共軛複數時，在輸出端可以達到 最佳化的耦合。 一般而言，開關704之阻抗並不與電源702與負載714 之阻抗匹配。因此，在開關之輸入端與輸出端配置阻抗轉 換電路705與706,以達到需要的阻抗匹配。在放大器700 中的阻抗轉換電路705之實施例係由電感707與兩個電容 708,709連接成“π”型組態。輸出阻抗轉換電路706也同樣 地由電感710與電容711,712所構成。一般而言，開關阻 抗係依據偏壓條件與製程變異的函數而變化。因此，不同 電路構件結合在一起，以達到可接受之阻抗匹配。若沒有 可變電感，要將電容配置在電路板上適當的位置以獲取需 要的阻抗匹配是非常困難的。此外，沒有可變電感，可接 受的阻抗匹配係藉由數個分離元件或機械式可變電容來達 成。 然而，依據本發明之實施例，可變電感用於電感707 與710,可分別允許即時地改變輸出與輸入阻抗轉換電路 705,706之阻抗。可變電感更降低電路的複雜度，使允許 使用簡單的非可變電容並且降低電容配置的困難度。 第8圖繪示一典型無線電接收器電路之前端解調器電 路800的實施例，係爲本發明之可變電感的另一個應用。 訊號經由載波調變。每一通道有唯一的載波頻率。接收器 之前端的功能係將輸入訊號801與被選擇通道之載波頻率 相乘，藉以將訊號解調或移位到音頻範圍。在基頻電路803 可以擷取出實際訊號之前，低通濾波器802消除寄生雜訊 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 25 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） -----------·裝-------1 訂_1-------i (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 535175 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明說明（>ς) (spurious noise)。解調器8〇1所用之載波頻率係由振盪器 電路所提供。振盪器電路允許載波頻率以微調方式，且在 緊密有效率的電路中以電力改變。 在可變電感進一步的應用中，第9圖繪示振盪器9〇〇 的實施例。例如，振盪器電路900爲一基本c〇lpitts振盪 器。電感903與電容904,9〇5之調節電路構成一共振電路。 電壓源901、RF活門902與電阻909提供直流Dc偏壓給 開關906。電容907,908提供耦合到共振電路之交流ac電 源。右沒有可變電感’載波頻率之移位係經由電容庫 (capacitor bank)來達成。電容庫可以是數個變容接面二極 體，以並聯與串聯方式可切換地連接一起，以形成電容 904,905。藉由電容庫，適當電容値可以依據有興趣的載波 頻率上來做切換。當施加在電容的電壓改變時，變容接面 二極體也可以改變電容値。此組態具有需要使用很多電容 器，依賴系統電壓之電容値設定程序，侷限的電壓範圍， 無效率，以及振盪器在高功率應用之使用的限制等等缺 點。相反地，可變電感903的使用允許電容904,905可以 使用簡單（固定電容値）的電容，以避免上述限制。 可調式電感的有用性對於上所述之應用與其他類似樣 應用提供重大改善。可變電感對於緊緻性、效率與成本考 量而言係低耗損，電性可調零件。可調電感在連接固定電 容之LC電路的自然頻率上可以提供達成連續改變的可行 性。因此’不需要的電容庫可以取消。電性控制也可以做 爲頻率的微調。 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 26 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐） 裝--------訂--------- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 535175 A7 —^—_2Z____ 五、發明說明（糾） 可預期地，本發明也是適用其他需要可調式LC電路 來操作的其他各種應用。此外，雖然本發明係以分離的元 件來加以描述，但該些例子可以被部分地建構，或整合成 單一電路。 本發明已以較佳實施例揭露如上。雖然本發明在此的 內容係配合圖式來敘述，但其並非用以限定本發明的範 疇。例如，雖然本發明在此的敘述係連接到一電流感測元 件，但本發明之系統也可以使用合適的電壓率之改變感測 元件，或者使用電流與電壓率之改變感測元件。各種不同 設計上以及方法裝置上的安排之修飾、變化與加強均不脫 離本發明之精神與範疇。例如，各種不同的構件可以用不 同方式來實施，例如以不同的順序來改變步驟。這些改變 可以依據特定的應用或考慮系統操作相關的各種因素來適 當地選擇。例如，各種不同的實施力可以加以結合，例如 同時使用可變電感與可變工作週期來調節輸出電壓。此 外，在此所描述之變壓器之外觀比、線圈匝數與實體佈局 等可以修改成其他適合的組態，以符合設計需求。再者， 一般而言，輸出電感或札線圈的方向與閘線圈電流的方向 可以是順時鐘或逆時鐘方向，因爲兩個方向均可以產生正 交磁場。這些或其他的改變或修飾均包含在本發明之範疇 中。 綜上所述，雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然 其並非用以限定本發明，任何熟習此技藝者，在不脫離本 發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾’因此本 4S&W/0119TW/PRI: 35706.3720 27 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) .裝 —訂--------- 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 535175 A7 B7
五、發明說明（D 發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者爲準 經濟部智慧財產局員工消費合作社印製 4S&W/0119TW/PRI; 35706.3720 28 ------------裝---- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 訂---------- %· 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS)A4規格（210 X 297公釐）